体外循环搏动灌注额外附加能量对血管内皮功能影响的研究

郭 震，李 欣，徐凌峰，常 昕，李 健，徐志云

体外循环技术成功应用于心脏手术已有半个多世纪,随着设备和技术的不断发展,体外循环相关的并发症发生率逐渐降低,并逐渐扩展出心室辅助、体外膜肺氧合以及人工心脏等技术。然而,体外循环作为一种有创的生命支持技术,相关神经系统并发症、凝血功能障碍、重要脏器的灌注不良、全身炎症反应等并发症仍然是术后死亡率的重要影响因素［1］。这些并发症的发生一定程度上与体外循环中最普遍采用的非生理平流灌注密切相关［2］。以往不少研究认为搏动比平流血流携带更多能量,这种血流动能进入体内会改善灌注,减轻脏器功能障碍,但平流灌注凭借其安全便捷的优势仍然广泛使用［3］。搏动灌注有效性评价指标的缺乏和其额外附加血流能量发挥优势的机制不明导致两种灌注模式优劣之争持续存在［4］。在前期研究中,笔者对如何实现临床有效搏动灌注进行了报告［5］。因此,本研究选用单纯心脏二尖瓣手术的患者,研究搏动灌注相较平流灌注产生的额外附加能量对血管内皮功能的影响,试图对搏动灌注临床效果做一评价,并对其机理进行初步研究。

1 资料与方法

1.1 患者选择 选取本院2017年1月至2017年7月因单纯心脏二尖瓣病变行二尖瓣替换或成形手术的患者40例。随机分为搏动灌注(pulsatile perfusion,PP)和平流灌注(non-pulsatile perfuion,NP)两组,随机化分组方案由SAS统计软件产生,采用“信封法”分组。如表1所示,两组患者在年龄、身高、体重、体表面积方面均无显著差异(P＞0.05)。排除标准为术前左室射血分数(ejection fraction,EF)＜40%,年龄大于70岁,同期合并冠心病、房颤及肝肾功能不全、二次手术。

1.2 体外循环与搏动血流的建立 根据前期研究结果,通过升主动脉和上下腔静脉分别插管建立体外循环,利用4∶1含血停搏液进行心肌保护。心脏完全停搏后按照分组情况进行搏动和平流灌注,流量为2.2～2.6 L/(m2·min)。搏动灌注通过滚压泵的变速运动形成搏动血流。搏动参数设置为:搏动频率75次/min,基础流量30%；搏动起始点30%,结束点70%(参数设置详见前期研究［5］)。体外循环选用索林公司Stockert S5型人工心肺机(Sorin Group,Munich,Germany),美敦力公司AFFINITY膜式氧合器(Medtronic Inc.,Minneapolis,USA),管道微栓滤器均来自宁波菲拉尔公司。

表1 患者基本资料(n＝20)

1.3 额外附加能量大小计算 通过Transonic T402超声流量仪(Transonic Systems Inc.,Ithaca,New York 14850 USA)测定微栓后流量(f),Essure Monitoring Kit压力感受器(Biosensors International Inc.,USA)测定微栓后压力(p),将数据实时导入Power-Lab ML870(ADinstruments.,Bella Vista,NSW 2153,Australia)数据采集系统,并通过labchart(ADinstruments.,Bella Vista,NSW 2153,Australia)软件按照下列公式实时监测和计算能量等效压(energy equivalent pressure,EEP.EEP＝∫fpdt/fdt,单位:mm Hg)和富裕血流动力学能量［surplus hemodynamic energy,SHE.SHE＝1332×(EEP-MAP),单位:ergs/cm3］。在主动脉阻断即刻、阻断10 min、20 min、30 min和开放前五个时间点计算EEP和SHE。

1.4 内皮因子和炎性因子测定 分别在麻醉诱导后(T1)、主动脉阻断后30 min(T2)、停机后30 min(T3)、术后6 h(T4)抽取动脉血检测内皮素-1(Endothelin-1,ET-1)、一氧化氮(nitric oxide,NO)、白介素(interleukin,IL)-6、IL-10和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)。抽取桡动脉血5 ml,并在30 min内6 000转离心8 min分离血浆后-80℃冷藏,采用酶联免疫吸附法(ELISA法)测定内皮素ET-1、IL-6、IL-10、TNF,Griess试剂法测定 NO。

1.5 统计学方法 统计分析采用SPSS 16.0统计分析软件。计量资料采用均数±标准差(±s)表示。组间比较采用两样本t检验。如果方差不齐,则采用秩和检验。组内比较采用重复测量设计的方差分析。计数资料采用卡方检验。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结 果

血流能量由血流速度和产生的压力形成的流量压力曲线下的面积计算而得,通过EEP和SHE两个指标定量测定。研究结果显示,搏动血流携带的能量明显大于平流,微栓后PP组EEP和SHE显著高于NP组1.51～1.60倍(P＜0.05)和2.02～2.14倍(P＜0.05),组内各时间点无显著性差异(详见表2),搏动灌注提供了更多的总能量和二倍的额外附加能量。

主动脉阻断30 min和停机后30 min,PP组ET-1明显高于NP组,术中各时段与术前无差异,术后6 h明显增高,而NP组阻断后30 min即开始升高；与基础值(T1)相比,PP和NP两组NO在停机后30 min明显升高,术后6 h基本回落至基础值,组间无显著差异；两组TNF、IL-6和IL-10阻断后较基础值均明显升高,TNF和IL-6组间无显著性差异,IL-10从阻断后30 min至术后6 h,PP组明显低于NP组,内皮因子和炎性因子结果详见表3。

表2 主动脉阻断期间不同时点两组EEP和SHE比较结果(n＝20,±s)

表2 主动脉阻断期间不同时点两组EEP和SHE比较结果(n＝20,±s)

项目 组别 阻断即刻 阻断后10 min 阻断后20 min 阻断后30 min 开放前EEP(mm Hg) PP 组 223.9±32.8 227.2±37.2 231.8±31.1 224.7±36.9 236.9±35.4 NP 组 142.3±33.8 147.9±36.2 148.4±34.1 150.6±34.0 148.3±25.7 P值 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 SHE(ergs/cm3) PP 组 222 533±47 312 217 675±49 367 221 359±41 598 209 463±51 262 226 874±46 948 NP 组 107 394±42 019 107 681±45 089 103 471±46 618 106 774±46 616 105 866±36 022 P值 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

表3 各时点内皮因子与炎性因子比较(n＝20,±s)

表3 各时点内皮因子与炎性因子比较(n＝20,±s)

注：括号内为各时间点与组内T1比较的P值。

项目 组别 T1 T2 T3 T4 ET-1(pg/ml) PP 组 1.32±0.68 1.39±0.66(0.453) 1.42±0.64(0.383) 2.05±0.87(0.021)NP 组 1.32±0.46 1.81±0.74(0.023) 2.01±0.93(0.018) 2.39±0.94(0.021)P值 0.839 0.012 0.023 0.132 NO(μmol/L) PP 组 8.65±4.74 7.37±2.91(0.163) 17.19±6.9(0.015) 6.09±4.4(0.048)NP 组 6.53±4.58 6.7±4.47(0.387) 16.68±6.96(0.030) 5.68±3.47(0.039)P值 0.372 0.421 0.198 0.217 TNF-α(pg/ml) PP 组 4.21±1.01 4.95±1.06(0.021) 7.11±2.61(0.018) 5.1±4.4(0.088)NP 组 3.8±2.66 5.2±2.81(0.021) 7.02±4.59(0.012) 5.39±3.25(0.037)P值 0.481 0.376 0.821 0.765 IL-6(pg/ml) PP 组 19.75±9.27 17.96±2.91(0.433) 31.76±26.66(0.011) 46.06±34.48(0.003)NP 组 18.34±0.19 17.71±0.89(0.712) 31.25±15.37(0.009) 39.08±21.26(0.006)P值 0.594 0.892 0.782 0.386 IL-10(pg/ml) PP 组 3.59±2.25 16.42±11.96(0.003) 242.47±231.05(0.000) 21.27±13.83(0.012)NP 组 3.74±2.53 25.6±16.58(0.033) 533.86±415.01(0.000) 40.65±38.55(0.028)P值 0.646 0.023 0.017 0.038

3 讨 论

体外循环中由于全身炎症反应、脏器缺血再灌注损伤、微循环障碍等原因不可避免的会继发术后各种并发症,这一定程度上与平流灌注这种非生理的灌注模式有关。以往的研究认为,搏动血流携带更多的能量,这些额外附加能量可能通过改善微循环、增加脏器血供来改善脏器灌注,但其中机理并不明确［4］。本研究在确认搏动血流额外附加能量的基础上,分析了血流能量对内皮功能、炎症反应的影响。

血管内皮对调节血管正常的舒缩活性有重要的生理意义,在一定病理条件下,内皮源性收缩与舒张因子的量和活性发生变化,引起血管舒缩功能失调,是引起机体微循环功能障碍的机制之一。ET和NO是最具代表性且相互拮抗的两种物质［6］。ET是从内皮细胞分泌的最主要且最长效的内皮收缩因子,广泛分布于神经、内分泌和循环系统,具有强烈的血管收缩作用,也是目前所知唯一能够作用于小于50 nm毛细血管的缩血管物质［7］。ET-1在细胞因子、缺血、缺氧等应激因素的刺激下迅速合成并分泌入血液,使血管收缩引起外周阻力升高,进一步加重缺氧、内皮细胞损伤、微循环功能障碍。因此,ET-1含量既反映内皮功能状态,也间接反映了微循环障碍的程度［8-9］。文献报道,体外循环非搏动灌注患者术中血浆ET-1含量持续升高,体外循环结束时达到峰值,与术前或健康者血浆ET-1水平差别非常显著,提示非生理性血流和组织缺血再灌注可引起血管内皮细胞的损伤,而高水平ET-1可能参与继发性肺动脉高压、血流动力学紊乱和凝血功能障碍［10-11］。Akira等研究表明,体外循环术中ET-1含量组间差异不明显,但术后3 h、6 h、9 h和18 h搏动灌注组的ET-1含量显著低于非搏动灌注组,提示搏动灌注对内皮细胞损伤较小［12］。本研究结果表明,非搏动灌注组ET-1含量在T2～T4各时点均高于T1,呈持续升高趋势,且在T2和T3明显高于搏动灌注,提示与搏动灌注组相比,非搏动灌注可能致使脏器灌注不良,处于缺血、缺氧或应激状态,可能引起血管内皮细胞损伤、外周阻力升高和微循环功能障碍。而搏动灌注组在术后6 h增高,这种延迟变化现象笔者尚无法解释,有待进一步探讨。

NO是一种主要由内皮细胞生成,独立存在于血管、心肌和心内膜等部位的内源性血管舒张因子,可舒张血管平滑肌,扩张微血管,降低血管通透性,增加血流量,对微循环有一定保护作用。但同时又具有介导脏器、组织损伤的细胞毒性作用［13-14］。体外循环期间高血流冲击、炎症反应、再灌注损伤等均可导致血管内皮细胞不可避免的受损。体外循环时间延长、复温过高,炎性因子和内毒素释放等均可引起诱导型一氧化氮合成酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)表达,使NO释放增加［15］。本实验结果表明,两组灌注模式在体外循环停机后30 min NO含量均迅速升高,术后6 h降至术前水平。这可能是机体对炎症反应的应激,体外循环期间机体产生大量的TNF、IL等炎性介质诱导iNOS表达,NO的合成和释放增加。

体外循环过程中异物表面接触、缺血再灌注损伤、内毒素释放等因素会促使炎性介质释放,最终引发全身炎症反应综合征,导致脏器功能紊乱、凝血障碍等并发症［1,16］。 TNF-α 是单核/巨噬细胞、淋巴细胞等激活释放的细胞因子,在炎症反应中起核心作用,是体外循环炎症反应过程中出现最早,最重要的内源性介质之一［17-18］。可损伤内皮细胞,促进黏附分子表达,刺激其他细胞因子合成,抑制心肌细胞,增强炎症反应,导致脏器损伤［19］。IL-6是活化的T细胞和成纤维细胞产生的淋巴因子,也是急性反应期反应蛋白合成和炎性细胞积聚的主要因素,可整合早期炎症反应信号,促进炎性因子进一步释放,是反映组织细胞损伤的早期敏感指标［20］。IL-10是多细胞源、多功能的细胞因子,调节细胞的生长与分化,参与炎性反应和免疫反应,是目前公认的炎性与免疫抑制因子［21］。体外循环中组织缺血、缺氧时,IL-10产生也随之增多,合成晚于致炎因子,具有抑制炎症反应的作用［22］。本实验结果显示,两组TNF-α术中均明显升高,术后6 h回落,PP组回落明显,提示搏动灌注可能更有利于降低术后全身炎症反应。两组IL-6和IL-10含量在T2～T4时间点持续升高,提示两种灌注模式均会激活细胞防御系统。

4 结 论

体外循环继发的炎症反应不可避免,与平流灌注相比,采用搏动灌注血流模式可携带更多的额外附加能量,在一定程度上抑制炎症反应,调节内皮功能,改善微循环和脏器灌注,其中的机理尚需进一步探讨。

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