体外二氧化碳去除技术在呼吸系统危重症患者中的应用

侯陈玮，黑飞龙

呼吸系统危重症如急性呼吸衰竭、急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrom，ARDS）、慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pumonary disease，COPD）急性加重等，病情危重，死亡率高，严重威胁患者的生命［1-2］。

针对这类患者，目前尚无确切的治疗方法［3］，除了积极处理诱发因素、药物治疗、液体治疗等方法外，临床上较多使用的是呼吸支持治疗。常用的呼吸支持治疗技术包括无创通气（non-invasive ventilation，NIV）和有创机械通气（invasive mechanical ventilation，IMV），可有效的改善低氧血症。但这类治疗方法常会产生一些副作用，如通气相关的肺损伤（ventilator-induced lung injury，VILI）［4］。 因此，肺保护性通气策略（protective lung ventilating strategy，PLVS）应运而生，其通过低潮气量通气，减轻VILI，从而改善患者的预后［5］。但研究表明，该治疗方式中所致的高碳酸血症和呼吸性酸中毒，对患者的恢复会也产生不利影响［6］。近来，体外二氧化碳去除（extracorporeal carbon dioxide removal，ECCO2R）作为一种基于肺外气体交换的人工肺辅助治疗技术，在对患有严重高碳酸血症的呼吸系统危重症患者的临床治疗中正得到越来越多的关注。

1 ECCO2R

1.1 ECCO2R基本原理 ECC02R是利用人工肺，通过肺外气体交换的方式对患者进行呼吸支持。体内的血液从股动脉或颈内静脉被引出体外，通过人工肺，过高的二氧化碳经弥散作用被清除，血液再被输送回体内。ECCO2R设备包括插管、人工肺、和／或驱动泵。根据支持的原理不同，ECCO2R技术可以分为静脉-静脉（V-V）模式和动脉-静脉（A-V）模式。

V-V模式的ECCO2R技术原理和V-V模式的体外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）原理相似。A-V型ECCO2R技术则无需血流驱动装置，仅靠体内心脏自身泵的作用驱动血液通过人工肺，但为了保证机体血流动力学的平稳，满足外周组织灌注，患者平均动脉压一般需控制在70 mm Hg以上，动静脉压力差大于60 mm Hg，心脏指数高于 3 L／（min·m2）。

1.2 ECCO2R的技术进展 呼吸系统危重症患者，通常会存在血流动力学不平稳，或合并有心衰，因此限制了ECCO2R技术的应用。但随着设计理念和材料学的进步，ECCO2R技术的使用更加简便，且对循环的干扰更小，越来越多的医疗中心开始尝试在临床中应用这种技术。

ECCO2R技术安全性明显提升。ECCO2R的主要目的是排除体内CO2，对流量的要求比ECMO低很多，因此血液破坏减轻［7］；驱动系统目前更多采用离心泵和轴流泵，比起之前的蠕动泵，血液损伤程度减低；采用经皮插管，显著减少了出血并发症；系统涂层技术的应用使生物相容性提高，出凝血风险降低，输血及其相关并发症也随之降低［8-9］。此外，人工肺采用了聚甲基戊烯中空纤维，提高了换气效率，减少了血浆渗漏，延长了使用寿命。

ECCO2R技术效能不断提升。每升血液可含500 ml CO2，人体每分钟产生的 CO2是 200～250 ml，因此理论上只要调控人工肺的通气量和氧浓度、保证产生足够的CO2弥散梯度，0.5 L／min的流量就可充分的去除机体所产生的CO2。尽管有报道认为300～500 ml／min流量的ECCO2R就可以替代50%的呼吸的功能，但CO2的清除率还要取决于CO2的浓度、血红蛋白的浓度以及中空纤维交换膜的效力等，因此，这个流量下的ECCO2R实际只能去除机体生产CO2的25%左右［8-10］，目前，已有研究探索如何提高 CO2的去除效率［11］。

2 ECCO2R在ARDS的应用

2.1 ARDS的治疗概况 治疗ARDS，目前主流的做法是机械通气。机械通气常会造成VILI［12］，并继发产生炎性介质，损伤肺外器官。PLVS被证明可以提高患者的预后［5］，不过，研究表明虽然应用了PLVS，肺损伤仍然存在，进一步减少潮气量可显著减少VILI［13］，这些优点使ECCO2R 作为一种 ARDS患者的辅助性治疗成为可能。

2.2 ECCO2R在ARDS治疗的应用 ECCO2R的概念首先由 Zapol等人提出［14］。 Kolobow 等［15］提出使用体外呼吸支持让肺脏得到休息，从而缓解VILI。Gattinoni等［16］研究表明，在ARDS患者应用ECCO2R可有效减少气压伤。 Terragni等［17］发现，虽然对ARDS的患者实施了 PLVS（＜6 ml／kg），但还是会三分之一以上的患者发生VILI。作者采用联合ECCO2R，将潮气量继续降至 4 ml／kg，以降低 VILI的发生，结果显示炎性因子产生明显减少。Bein等［18］对比了 ARDS 患者采用 6 ml／kg 潮气量与ECCO2R+3 ml／kg潮气量的治疗效果，结果显示严重低氧血症的患者应用ECCO2R后会明显缩短机械通气时间。Moss等［19］研究认为，ARDS患者应用ECCO2R治疗后，患者吸气压持续降低。Fitzgerald等［20］认为ARDS患者应用ECCO2R是可行的，结合低潮气量通气，可以缩短脱机时间，但能否提高生存率尚待进一步研究。尽管目前ECCO2R还是一种探索中的临床技术，但对于期待减轻ARDS患者治疗中的VILI发生，ECCO2R将是一种很有前景的辅助通气技术。

3 ECCO2R在COPD的应用

3.1 COPD的治疗概况 COPD的急性加重常会继发急性高碳酸血症呼吸衰竭（acute hypercapnia respiratory failure，AHRF），针对这类情况，目前标准的治疗措施是NIV，然而约有40%的患者情况比较危重，需要气管内插管和IMV，这常会导致死亡率增加［21］。对于COPD急性加重并发AHRF的患者，ECCO2R可能是一种预防NIV失败，且避免IMV使用的较好治疗措施。

3.2 ECCO2R在COPD治疗中的应用 ECCO2R的应用，可以增加接受NIV治疗的COPD患者CO2的清除率，因此可以降低呼吸频率、呼气末正压和动态肺膨胀，从而减少VILI。避免IMV和气管内插管，可减少镇静类药物使用及其副作用的发生。Pisani等［22］研究表明，ECCO2R应用后，呼吸频率降低，呼吸肌做功减少，进而降低动脉二氧化碳分压（partial pressure of carbon dioxide，PaCO2）。 Kluge 等［23］研究了A-V ECCO2R也称无泵体外肺辅助（pumpless extracorporeal lung assist，PECLA）在 COPD 患者中应用的效果，PECLA应用24小时之后可以明显减少患者体内的PaCO2的水平并提高患者体内的pH值，90%患者避免了气管内插管和 IMV。Burki等［24］研究ECCO2R对于继发高碳酸血症COPD患者的治疗效果，全部20例患者的高碳酸血症和呼吸性酸中毒都得到了有效缓解，其中9例患者避免了IMV。 Del Sorbo等［25］将 ECCO2R 技术用于治疗NIV治疗失败的高危风险COPD患者，结果表明ECCO2R不仅可以改善呼吸型酸中毒，也可避免气管插管，与传统治疗组相比，患者插管风险和住院死亡率明显降低。Abrams等［26］在5例COPD急性加重的患者中应用ECCO2R 48小时，并在IMV 24小时后成功拔除气管插管，所有患者均存活。尽管多数研究认为ECCO2R在COPD的治疗中是有效的，但也有不同观点，Braune等［27］的研究结果认为，虽然56%患者在应用ECCO2R后可避免IMV，但这些患者可能会产生较多并发症，影响患者的预后。ECCO2R确实能够避免NIV失败患者接受IMV治疗，并有效缓解COPD的急性加重，降低气管插管率和死亡率，但确切的疗效还有待于临床经验的进一步积累。

4 ECCO2R在肺移植的应用

4.1 肺移植的概况 肺移植患者在等待供体肺的过程中，常会出现急性加重的气体交换障碍，需要气管插管机械通气治疗。然而，气管插管患者的生存率远低于没有气管插管的患者［28］。此时，应用ECCO2R来有效避免气管插管，从而减少VILI、通气相关肺炎等副作用对于肺移植成功尤为重要。

4.2 ECCO2R 在肺移植的应用 Schellongowski等［29］在20例需要进行肺移植的患者中应用ECCO2R，结果表明，在应用ECCO2R的最初12小时内，ECCO2R技术确实可改善这类患者体内的高碳酸血症和酸中毒的情况。在经过4～11天 ECCO2R支持治疗后，19例（95%）患者成功接受了肺移植，院内生存率高达75%。 Collaud［30］研究表明，在进行肺移植之前，应用ECCO2R的患者生存率明显改善。

5 展望

尽管目前ECCO2R还是一种探索中的临床技术，但对无严重低氧血症的ARDS患者、急性加重的COPD患者、以及肺移植的患者来说，是一个非常理想的辅助治疗措施。

目前，ECCO2R临床应用还较少，治疗时机的把握、支持模式的选择、并发症的防治以及具体治疗策略的确立还有待进一步的探索，相信随着临床经验的不断积累，ECCO2R将会成为一种很有前景的辅助通气治疗技术。

［1］ Bellani G， Laffey JG， Pham T，et al.Epidemiology， Patterns of Care，and Mortality for Patients With Acute Respiratory Distress Syndrome in Intensive Care Units in 50 Countries［J］.JAMA，2016， 315（8）：788-800.

［2］ Stapleton RD，Wang BM，Hudson LD，et al.Causes and timing of death in patients with ARDS［J］.Chest， 2005，128（2）：525-532.

［3］ Duggal A，Ganapathy A，Ratnapalan M，et al.Pharmacological treatments for acute respiratory distress syndrome：systematic review［J］.Minerva Anestesiol， 2015， 81（5）：567-588.

［4］ Serpa Neto A， Filho RR， Rocha LL，et al.Recent advances in mechanical ventilation in patients without acute respiratory distress syndrome［J］.F1000prime Reports， 2014， 6：115.

［5］ Terragni PP， Rosboch G， Tealdi A，et al.Tidal hyperinflation during low tidal volume ventilation in acute respiratory distress syndrome［J］.Am J Respir Crit Care Med， 2007， 175（2）：160-166.

［6］ Tasker RC， Peters MJ.Combined lung injury， meningitis and cerebral edema： how permissive can hypercapnia be［J］？ Intensive Care Med， 1998， 24（6）：616-619.

［7］ Cove ME， MacLaren G， Federspiel WJ，et al.Bench to bedside review： Extracorporeal carbon dioxide removal， past present and future［J］.Critical Care， 2012， 16（5）：232.

［8］ Morimont P，Batchinsky A， Lambermont B.Update on the role of extracorporeal CO（2） removal as an adjunct to mechanical ventilation in ARDS［J］.Crit Care， 2015， 19：117.

［9］ Florchinger B， Philipp A， Klose A，et al.Pumpless extracorporeal lung assist： a 10-year institutional experience［J］.Ann Thorac Surg， 2008， 86（2）：410-417.

［10］ Camporota L，Barrett N.Current applications for the use of extracorporeal carbon dioxide removal in critically Ill patients［J］.Biomed Res Int， 2016， 9781695.

［11］ Zanella A，Castagna L，Salerno D，et al.Respiratory Electrodialysis.A Novel， Highly Efficient Extracorporeal CO2 Removal Technique［J］.Am J Respir Crit Care Med， 2015， 192（6）：719-726.

［12］ Ashbaugh DG， Bigelow DB， Petty TL， et al.Acute respiratory distress in adults［J］.Lancet， 1967， 2（7511）：319-323.

［13］ Grasso S，Stripoli T，De Michele M，et al.ARDSnet ventilatory protocol and alveolar hyperinflation：role of positive end-expiratory pressure［J］.Am J Respir Crit Care Med， 2007， 176（8）：761-767.

［14］ Zapol WM，Snider MT，Hill JD，et al.Extracorporeal membrane oxygenation in severe acute respiratory failure.A randomized prospective study［J］.JAMA， 1979， 242（20）：2193-2196.

［15］ Kolobow T，Gattinoni L，Tomlinson TA，et al.Control of breathing using an extracorporeal membrane lung［J］.Anesthesiology，1977， 46（2）：138-141.

［16］ Gattinoni L，Agostoni A，Pesenti A，et al.Treatment of acute respiratory failure with low-frequency positive-pressure ventilation and extracorporeal removal of CO2［J］.Lancet， 1980， 2（8189）：292-294.

［17］ Terragni PP， Del Sorbo L， Mascia L，et al.Tidal volume lower than 6 ml／kg enhances lung protection： role of extracorporeal carbon dioxide removal［J］.Anesthesiology， 2009， 111（4）：826-835.

［18］ Bein T，Weber-Carstens S，Goldmann A，et al.Lower tidal volume strategy （ approximately 3 ml／kg） combined with extracorporeal CO2 removal versus ＇conventional＇protective ventilation （6 ml／kg） in severe ARDS： the prospective randomized Xtraventstudy［J］.Intensive Care Med， 2013， 39（5）：847-856.

［19］ Moss CE， Galtrey EJ， Camporota L，et al.A Retrospective Observational Case Series of Low-Flow Venovenous Extracorporeal Carbon Dioxide Removal Use in Patients with Respiratory Failure［J］.ASAIO J， 2016， 62（4）：458-462.

［20］ Fitzgerald M，Millar J， Blackwood B，et al.Extracorporeal carbon dioxide removal for patients with acute respiratory failure secondary to the acute respiratory distress syndrome：a systematic review［J］.Critical Care， 2014， 18（3）：222.

［21］ Chandra D，Stamm JA，Taylor B，et al.Outcomes of noninvasive ventilation for acute exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease in the United States， 1998-2008［J］.Am J Respir Crit Care Med， 2012， 185（2）：152-159.

［22］ Pisani L，Fasano L，Corcione N，et al.Effects of Extracorporeal CO2 Removal on Inspiratory Effort and Respiratory Pattern in Patients Who Fail Weaning from Mechanical Ventilation［J］.Am J Respir Crit Care Med， 2015， 192（11）：1392-1394.

［23］ Kluge S，Braune SA，Engel M，et al.Avoiding invasive mechanical ventilation by extracorporeal carbon dioxide removal in patients failing noninvasive ventilation［J］.Intensive Care Med，2012， 38（10）：1632-1639.

［24］ Burki NK，Mani RK， Herth FJF，et al.A novel extracorporeal CO（2） removal system：results of a pilot study of hypercapnic respiratory failure in patients with COPD［J］.Chest， 2013， 143（3）：678-686.

［25］ Del Sorbo L，Pisani L，Filippini C，et al.Extracorporeal Co2 removal in hypercapnic patients at risk of noninvasive ventilation failure： a matched cohort study with historical control［J］.Critical Care Med， 2015， 43（1）：120-127.

［26］ Abrams DC，Brenner K，Burkart KM，et al.Pilot study of extracorporeal carbon dioxide removal to facilitate extubation and ambulation in exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease［J］.Ann Am Thorac Soc， 2013， 10（4）：307-314.

［27］ Braune S， Sieweke A，Brettner F，et al.The feasibility and safety of extracorporeal carbon dioxide removal to avoid intubation in patients with COPD unresponsive to noninvasive ventilation for acute hypercapnic respiratory failure（ECLAIR study）： multicentre case-control study［J］.Intensive Care Med， 2016， 42（9）：1437-1444.

［28］ Fuehner T， Kuehn C， Hadem J，et al.Extracorporeal membrane oxygenation in awake patients as bridge to lung transplantation［J］.Am J Respir Crit Care Med， 2012， 185（7）：763-768.

［29］ Schellongowski P， Riss K， Staudinger T， et al.Extracorporeal CO2 removal as bridge to lung transplantation in life-threatening hypercapnia［J］.Transpl Int， 2015， 28（3）：297-304.

［30］ Collaud S，Benden C，Ganter C，et al.Extracorporeal Life Support as Bridge to Lung Retransplantation：A Multicenter Pooled Data Analysis［J］.Annals Thorac Surg， 2016， 102（5）：1680-1686.