体外循环红细胞损伤的原因、表现及危害

周玉姣（综述），于 坤（审校）

·综 述·

体外循环红细胞损伤的原因、表现及危害

周玉姣（综述），于 坤（审校）

红细胞；体外循环；溶血；亚损伤

体外循环（cardiopulmonary bypass，CPB）期间由于各种非生理因素的影响导致红细胞损伤，不仅使血液携氧能力下降，而且红细胞破坏后产生的大量游离血红蛋白（free hemoglobin，FHb）不仅耗竭它们的清除蛋白，同时也造成一系列临床后果，比如体循环和肺循环血管阻力增加、凝血功能改变、血小板功能障碍、肾小管损伤，并且增加死亡率［1］。CPB中即时溶血是红细胞损伤最严重的形式，这种即时损伤表现为细胞膜破裂、细胞内的血红蛋白释放到血浆中。除此之外，损伤在溶血阈值以下可能引起亚致死性损伤，而红细胞的亚致死性损伤表现为红细胞脆性增加、变形能力降低、形态学变化及流变性能的改变，红细胞寿命大大缩短，这些受损的红细胞在体内可出现延迟性溶血［2］。本文就CPB致红细胞损伤的原因、损伤的表现及评价指标、对机体的危害作一综述。

1 CPB致红细胞损伤的原因

1．1 RBC的机械性损伤 Simmonds最新研究表明适当的剪切力有助于提高红细胞变形性［3］。血液经由机械泵、人工肺、微栓滤器、超滤器以及插管管路等组成的体外管路循环系统时，血液持续暴露于非生理性的湍流流场和高剪切力的区域，红细胞由于碾压、撞击、剪切、压差等原因会造成损伤［4］。影响机械泵和人工肺溶血的因素包括合成材料、结构构型、流场速度、应力分布、驱动方式、暴露时间等参数［5］。泵管或动脉插管内径过细、泵管压的松紧或位置不当、微栓滤器滤网孔径过细导致的剪切应力过高也会增加血细胞的破坏。大多研究表明血泵内红细胞受到破坏引起溶血主要与受到的切应力（主要是雷诺切应力）和受力时间有关［4－6］，Yen JH等最近的研究表明红细胞周围的湍流黏性剪切应力造成溶血的阈值低于单纯的雷诺切应力［7］。流量恒定的情况下，泵管或动脉插管的内径越细，泵的转速越快，主动脉末端的动脉血流速越快，所受的剪切力越大，对红细胞的损伤就越严重。CPB时间越长，对红细胞的机械损伤也越严重。

1．2 人工材料的生物相容性 机体自身循环系统完整的内皮是具有完全生物相容性的表面。当血液与人工材料接触后可引起一定程度的防御系统激活，如补体系统激活反应中过敏毒素C3a和C5a的释放。循环耗材材料是否符合医用材料溶血试验要求和细胞毒性试验要求、材料表面粗糙度、是否疏水性人工表面、有无生物涂层等直接关系到材料的血液相容性，影响其溶血率［8－9］。

1．3 低温 CPB多采用低温技术，Millerl等人研究了温度对溶血的影响，通过研究红细胞在0℃到3O℃ 时红细胞的诱导溶血，发现低温红细胞由于硬脆性具有更大的溶血率。此外，还有少数为冷抗体型的免疫性溶血性贫血，如果体温低于30℃，可使人体冷抗体反应性增强，引起明显的溶血［10］。

1．4 负压 CPB中负压辅助引流和左、右心吸引会使血细胞暴露于负压环境，正常红细胞外形为双凹圆盘状，对负压较敏感，尤其当负压大于1／3大气压时，对红细胞的损伤更大，可能引起红细胞爆裂［11］。

1．5 气血接触 CPB气血直接接触和气泡周围血细胞的高剪切力会导致血液的机械损伤，氧合器储血室祛泡过程产生的高剪切力会再次使气泡周围血细胞受到损伤；另一方面气血直接接触还会激活补体系统造成血细胞激活和损伤［12］。

1．6 炎性反应 心脏手术及CPB开始后，血浆系统及血细胞即被CPB中各种非生理状况所激活，造成播散性炎细胞活化，引发“瀑布”样级联反应，导致全身炎症反应综合征（systemic inflammatory response syndrome，SIRS）。红细胞为双凹圆盘状，细胞膜与血浆接触面积是机体细胞中最大者，红细胞不停地流经各组织的微循环时又需随时变形，这些结构和功能特点使红细胞在炎性介质的攻击中受损的程度远比其它细胞严重。自由基是机体正常代谢产物，同时也是一种极具破坏性的炎性介质，可攻击细胞膜的膜性结构，发生脂质过氧化反应。目前已知CPB中氧自由基等炎性介质的增加是CPB过程中造成红细胞损伤的重要非物理性因素［11］。

1．7 库血的使用 库血在保存中，血细胞继续消耗血液中的营养成分，排出代谢产物、维持生存状态，但是在这一过程中，红细胞悬液随着贮存时间的延长，细胞内的能量和ATP消耗导致红细胞形态发生变化，其膜结构的改变以及对阳离子主动转运功能受阻，细胞变形，脆性增加，容易发生溶血，2周后，FHb高于正常范围（40 mg／L）［13］。

2 体外循环致红细胞损伤的表现及评价指标

2．1 即时溶血 溶血是指红细胞破裂，血红蛋白逸出到血浆中。CPB期间多种因素会对红细胞造成损伤导致溶血，血清FHb是反映溶血最直接的评价指标。目前研究一般用标准溶血指数（NIH）作为溶血破坏的重要衡量指标［14］，它代表血泵在单位时间内泵出100 L比容标准化血液后所产生的FHb克数，单位为mg／L，计算公式为：NIH＝△FHb×V×［（100－Hct／l00］×［100／（Q×T）］，式中，△FHb为测试时间间隔内FHb的增量值（mg／L）；V为总循环容量（L）；Hct为红细胞比容；Q为血泵流量（L／min）；T为测试间隔时间（min）。大量研究表明FHb浓度在CPB中和CPB后升高［14］。转流时间越长，溶血发生越严重，FHb释放量越多。

有实验表明血小板（Plt）与FHb一样亦呈同步线性增加，且二者有明显的相关性［15］。Plt增加是因为电阻式全自动血细胞计数仪在计数血小板时与其体积有一定关系，当血液中血细胞碎片的体积与血小板相近时，这些血细胞碎片就会被记录。因此，这时的Plt实质上反映的是包括血细胞碎片的数量。这表明Plt计数也能反映血细胞的损伤。

血浆中的FHb可与结合珠蛋白（Hp）结合后被输送至肝脏分解。Hp的主要功能是结合FHb，形成稳定的Hp—Hb复合物，Hp—Hb复合物因分子量大，不能通过肾小球滤膜而经尿液排出，可阻止亚铁血红素的漏失并防止溶血导致的肾脏受损。当血浆中增高的FHb超过结合珠蛋白的结合能力时，剩余的FHb少部分与血浆中的血结素结合；一部分转变为高铁血红蛋白，与血浆中清蛋白结合形成高铁血红素清蛋白；大部分通过肾脏排泄，形成血红蛋白尿。增高的FHb形成大量的非结合胆红素滞留血液中，超过肝细胞的摄取、结合与排泌能力，出现黄疸。

2．2 红细胞的亚损伤 受到损伤的红细胞一部分可能立即发生破裂溶血，一部分仍可保持细胞的完整性。溶血指数反映的是血泵对红细胞的直接损伤，即红细胞破损的数量，不能反映红细胞亚损伤及其程度，也无法预知CPB术后24 h内出现的延迟性溶血的严重程度。但是，转流血泵的亚致死性损伤比即时红细胞损伤更为严重，因为当有1个红细胞发生破损溶血的同时，可有500个红细胞发生细胞膜变化，术后24 h延迟性溶血量可达即时溶血的5倍［15］。1977年，Sutera提出红细胞亚损伤的概念，即红细胞没有破裂，细胞内的血红蛋白通过微孔漏到血浆中［16］。

对CPB红细胞形态学的观察可以看到［15］，转流前样本中棘球红细胞很少，但转中各样本中可看到许多不同程度的变形红细胞。电镜观察显示，红细胞亚损伤主要表现为，细胞膜皱缩、出现棘突或是膜的伸展，形成棘突细胞和裂解。红细胞膜下是一个网状结构的膜骨架蛋白，在短暂的外力下可改变状态，但持续的外力可使膜骨架蛋白之间重新连接，从而使红细胞永久变形。变形的红细胞其可变形性减低，稳定性差，在一定的外力下易破碎，在体内也极易被肝和脾的巨噬细胞捕捉和破坏。因此，红细胞形态学的改变是发生延迟性溶血的基础。

对于变形红细胞数的定量，可以以每百个红细胞中棘球红细胞数目作为定量指标之一［16］。因为棘球红细胞是亚损伤最严重的红细胞，所以棘球红细胞计数不失为一个评价红细胞亚损伤的客观指标。但是，棘球红细胞仅占变形红细胞的1／2～1／3，因此，这一指标有一定的局限性。与HFb、Plt一样，棘球红细胞计数随着转流时间的延长而呈逐渐增加，说明转流时间越长，红细胞亚损伤就越严重，术后的延迟性溶血也就越严重。

长时间 CPB还会造成红细胞的变形性降低［1，3，17］。红细胞的变形性是指红细胞在体内能根据流畅的情况和血管的直径来改变其形状的能力。这种变形性是影响血液表观黏滞度、决定血液的流动性、红细胞寿命以及体内微循环有效灌注的重要因素之一。变形性降低使微循环灌注减少、组织缺氧、血液黏滞度增加、红细胞寿命缩短，易发生破裂溶血。也是衡量红细胞亚损伤的指标之一。

Sakota D等人［18］发现旋转式血泵在红细胞的机械损伤中对老化细胞有选择性损伤。他们用红细胞平均体积（MCV），红细胞平均血红蛋白量（MCH），红细胞平均血红蛋白浓度（MCHC）定量分析旋转式血泵对红细胞的亚损伤。亚溶血损伤因为血红蛋白逐渐从变薄的细胞膜微孔中漏出而致细胞内血红蛋白浓度降低。因此，MCV（增大）、MCHC（减小）以及溶血指数提供了对红细胞选择性损伤的有用信息，而MCH（减小）反映了红细胞的亚损伤。因此，与没有经过剪切作用的对照组血液相比MCV增加，MCHC减小。较脆弱的细胞受到血泵的剪切力发生溶血的阈值较低而被自然清除。细胞越老化，其体积越小，同时细胞内血红蛋白浓度由于细胞内液的丢失而增加，变形性较差，脆性较大，它们对剪切力的抵抗力较差，能被剪切力很快破坏，留下体积较大、血红蛋白浓度较高的年轻细胞。因此，转机过程中，MCV增加，MCHC减小。

3 对机体的危害

红细胞损伤造成的贫血和红细胞变形能力不仅会使血液携氧能力下降，微循环障碍，组织缺氧等一系列问题，而且红细胞破坏后产生的大量FHb本身对机体具有直接毒性［19］。FHB可引起自由羟基的产生和脂质过氧化反应，从而导致组织损伤。FHb能氧化亚麻酸、低密度脂蛋白等。对机体的损伤主要表现在以下几方面

3．1 对循环系统的影响 研究表明FHb具有收缩血管作用，血管内皮舒张因子结构的一部分来自于一氧化氮（NO）。在血液里，NO可与血红蛋白结合，形成亚硝基血红蛋白后便失去活性。输入FHb后，可引起明显的血压升高，心排出量下降。其主要机制在于NO被清除后，体循环和肺循环阻力都升高。有实验表明在使用琥珀酸水杨酸交联的血红蛋白溶液（DCHs）后，羊的体循环阻力增加43．9%，肺循环阻力增加204．2%［20］。而微循环方面，用血红蛋白载氧溶液高容量或等容量置换血液，可导致小动脉收缩及红细胞流动速度加快。

3．2 对神经系统的影响 Regan等［21］报道在体外条件下FHb对脊髓神经元和皮质神经元有毒性作用，且和时间及浓度呈正相关，这种毒性作用主要是通过FHb产生氧自由基造成的。自由基清除剂U83836E可显著减轻血红蛋白引发的神经元毒性作用。另外薛海龙等［22］观察不同浓度FHb对体外培养大鼠嗅鞘细胞（olfactory ensheathing cells，OECs）存活的影响，结果显示各组细胞活力随血红蛋白浓度的升高而降低，各FHb组细胞死亡比例随血红蛋白浓度增加而升高。证明了FHb对OECs有毒性作用且随浓度的增加而增加。

3．3 FHb对肾功能的影响 急性肾损伤在心脏手术术后的患者中发生率是40%，1%的患者需要透析，其中一个主要的原因就是 CPB导致的溶血［1，23］。过多的FHb是一种内源性毒素，可致急性肾小管坏死。血红蛋白一方面引起肾内氧化应激而损伤肾小管上皮细胞，另一方面形成肾小管内管型，造成肾小管梗阻［23］。血红蛋白还可抑制一氧化氮，引起肾内血管收缩及缺血。上述原因致肾小球滤过率下降，表现为少尿或无尿。随着肾功能减退，临床上出现一系列尿毒症表现。

3．4 对免疫系统的影响 离体研究发现，在双向混合淋巴细胞反应体系中加入FHb后，由于其可被抗原提呈细胞（antigen presenting cell，APC）吞噬清除，消弱提呈细胞对抗淋巴细胞异常抗原的能力，且随着FHb浓度的增加，APC的提呈功能被抑制，淋巴细胞转化率下降达50%。说明FHb会影响APC的提呈功能，抑制淋巴细胞的转化功能，从而导致巨噬细胞的杀伤功能受到明显的抑制，这将造成患者术后机体特异性的抗感染能力下降［24］。

小儿、重症、复杂大手术及体外膜肺氧合支持的患者，溶血的程度较大，而且这些患者对不能清除的红细胞成分的毒性作用特别敏感。

4 小结

CPB很多因素会造成红细胞的损伤，这种损伤作用包括即时损伤和亚损伤。红细胞损伤不仅导致贫血和氧输送效率下降，还会影响重要脏器功能。根据以上对红细胞破坏因素的总结，积极采取各种措施在各个环节上加强对红细胞的保护，不但可以减少异体血的应用，还可以有效改善患者预后。

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2015-01-05）

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10．13498／j．cnki．chin．j．ecc．2015．01．18

100037北京，中国协和医科大学中国医学科学院阜外心血管病医院体外循环科［周玉姣（研究生）］

于坤，Email：yukunfw＠163．com