体外循环与红细胞损伤

邓 丽（综述），刘宏宇（审校）

作者单位：150000哈尔滨，哈尔滨医科大学附属第一医院心血管外科

体外循环（cardiopulmonary bypass，CPB）是一种非生理模式，当血液暴露在“异物表面”或非生理性条件下（机械应力、高温／低温、湍流、气穴等现象）会发生血细胞损伤，最明显的红细胞（red blood cells，RBCs）损伤表现为立即或者延迟性“溶血”，另一种状况就是发生“亚致死性损伤（sublethal red blood cells trauma，SRBCsT）”。 溶血导致 RBCs破碎、数量减少，RBCs比容降低，携氧量下降，降低组织与细胞的供氧。亚损伤虽然没有导致RBCs直接破碎，血红蛋白（hemoglobin，Hb）漏出，但会使 RBCs变形性降低、携氧能力受到影响，无法顺利通过微毛细血管输送氧气，从而影响微循环血供，最终导致低氧、贫血等不良事件。临床上“溶血”容易认知，相关研究较多，但是SRBCsT因为辨别困难，目前有关的文献报告较少。

这篇综述主要阐述了目前PubMed上可查阅到的相关SRBCsT的原因、表现形式、机制，以及如何加强CPB期间的血液保护，减少SRBCsT。

1 RBCs的基本特征

正常的RBCs呈双凹圆盘状，直径6～9 μm，平均生存周期大约在100～120 d，数目总量接近血容量的40%～50%。成熟的RBCs没有细胞核，富含Hb，Hb是一种含铁的蛋白质，呈红色，它在氧含量高的地方与氧结合，在氧含量低的地方与氧分离，因此RBCs具有运输氧气的功能。RBCs具有变形性，因此可以通过直径2～3 μm微毛细血管网，从而达到输送氧气的目的，另外，还可运送部分二氧化碳。此外，RBCs还因其变形性和聚集性可以在血管内维持适度的血黏度保持正常的血流动力学。

2 SRBCsT ——溶血

2.1 溶血的原因 CPB／体外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）期间的机械应力可以导致RBCs发生立即或者延迟性溶血，Hb从破损或者过度伸展的细胞中释放出来。溶血的程度与剪切力的大小和暴露时间呈正相关［1］。

泵头是最主要的致损因素之一。精细调节滚压泵的松紧度对于减少溶血至关重要。使用辅助校对装置可以提高校对的精准度，降低溶血的发生率［2］。关于哪种泵头（离心泵还是滚压泵？）对减少溶血更加有利，目前还处在争议之中。研究显示在关于溶血指标以及炎症方面二者没有明显的区别［3］，Meta分析也证实两种泵头在血流动力学、出血量、输血量、神经系统预后以及死亡率方面并没有差别［4］。结合有关文献内容可以总结出在常规的CPB手术中，二者并没有明显的区别。但是在长时间的机械辅助中，例如ECMO或者心室辅助装置（ventricular assist device，VAD），离心泵的优势更优于滚压泵［5］。

湍流、气血接触、过度的负压（负压静脉引流装置、左右心吸引等）吸引是导致严重溶血的另一主要因素。文献报告负压达到-70 mm Hg就可以导致血管塌陷，气栓形成，血液滞留，但是如果低于-40 mm Hg就不会引起气栓形成与血流动力学障碍，因此被认为是安全的［6］。湍流可以同样导致溶血和SRBCsT，湍流的速度越大，血液的破坏情况越重［7］。

其它的CPB组件（管路、接头、动静脉插管、储血槽、氧合器）以及自体血回输、CPB期间的生理以及内环境变化等都或多或少的影响RBCs的完整性。

2.2 溶血的临床危害 血浆游离血红蛋白（plasma free hemoglobin，PFHb）浓度一直被认为是评价溶血的经典指标。此外，平均血红蛋白浓度也用于评价溶血。PFHb和亚铁血红素通过破裂的RBCs膜进入循环系统，导致不良的事件发生，例如黄疸、高胆红素血症、贫血、血尿、肾功能不全等。血尿通常是临床上最常见的溶血症状，高胆红素血症与CPB术后高死亡率密不可分。PFHb通过与一氧化氮（nitric oxide，NO）结合对心血管系统产生毒性反应，值得一提的是，应用吸入NO疗法并不能减轻溶血［8］。除此之外，溶血和PFHb的释放加速了硝普钠中氰化物的释放，增加了氰化物中毒的风险［9］，同时也加剧了RBCs的聚集性从而导致血液高凝、纤维蛋白原沉积、血小板的激活与聚集、血管内血栓形成、出血以及神经系统并发症（卒中、意识障碍等）。

3 SRBCsT--亚损伤

CPB下RBCs亚损伤可以表现为RBCs变形性的降低、表面电荷的改变、RBCs脆性和聚集性增加、RBCs形态发生变化以及细胞生存周期缩短。Dr.Galletti是第一个提出RBCs亚损伤概念的人，他观察到CPB下RBCs的寿命缩短，贫血发生，有可以导致溶血的因素都可以使RBCs发生亚损伤，除此之外，还有发现CPB相关的氧化应激在RBCs亚损伤中也扮演了重要角色。

3.1 CPB增加氧化应激反应 CPB下心脏手术可以导致氧化应激反应增强、氧自由基增加。心脏术后患者体内血液中氧化物和抗氧化物含量的变化直接证实了氧化应激反应与心肌缺血--再灌注损伤之间的关系，氧化应激反应的增加显著影响相关的临床预后，因此应尽可能缩短主动脉的阻断时间［10］。 García J［11］团队也认为主动脉的阻断时间以及手术的类型直接与血液中的氧化应激反应呈正相关。McDonald［12］完整的叙述了 CPB心脏手术、血液透析、ECMO等由于氧化应激的增加而打破氧化还原反应之间的平衡，最终损伤细胞的脂质、蛋白以及DNA。

3.2 氧化应激导致RBCs凋亡与细胞结构损伤 氧化应激可以触发RBCs凋亡［13］。Olszewska M团队的体外实验证实氧化应激可以导致RBCs膜骨架蛋白的损伤，从而影响RBCs膜蛋白骨架的结构［14］。RBCs内高氧使氧合Hb变为高铁Hb，RBCs膜表面的多不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，脂肪链断裂交联，膜质流动性降低。另外，氧化应激会引起band3等相关膜蛋白的损伤，包括抗原位点的暴露、钙离子超载、钾离子的外流、细胞膜的肿胀破裂从而导致RBCs的凋亡以及结构损伤［15］。

4 SRBCsT导致RBCs功能改变

4.1 SRBCsT导致RBCs变形性降低 RBCs的变形性是RBCs的一个非常重要功能，它使得RBCs可以通过直径只有2～3 μm的微毛细血管，为组织提供足够的氧气、营养物质以及运走代谢废物。CPB下血液流经不同材质、直径的人工管路和氧合器，经过滚压泵的挤压以及负压抽吸等，都会产生血液涡流，对RBCs产生剪切应力，使RBCs变形性下降、黏附性增加。虽然亚损伤细胞可以早期的被脾脏识别清除，但有时候一些异常的细胞也会逃脱掉。Ekeström S等人虽发现了CPB下RBCs变形性明显降低，但是仍不能明确RBCs变形性与CPB时间和过程的关系。此外，CPB低温、血液稀释和机械应力是导致变形性降低的主要因素，特别是在主动脉手术或者婴幼儿深低温手术中［16］。另外，也有人认为心脏病患者术后RBCs的变形性改变与输入异体血制品有关，而且呈现剂量依赖性，而输入自体血没有影响RBCs的变形性或者是聚集性［17］。

4.2 SRBCsT导致RBCs聚集性改变 RBCs聚集性是反应RBCs结合在一起的能力，研究显示不论是在低流量和低水平的溶血条件下还是高剪切力下，RBCs的聚集性都会增高［18］。 大分子交联、RBCs表面电荷的改变、剪切应力、纤维蛋白原和血浆中的其它大分子蛋白、感染、炎症以及其它非生理条件的改变也会影响聚集性。Gu YJ等证实了经历CPB患者的血浆蛋白浓度的稀释明显降低了RBCs的聚集性［19］。值得一提的是：在体外储存的RBCs中加入新鲜血浆不能降低RBCs的聚集性［19］，其原因有待于进一步研究。

4.3 SRBCsT导致RBCs机械脆性增加 RBCs机械脆性（mechanical fragility，MF）是评价 RBCs膜健康程度的重要指标，MF越高，RBCs越容易发生溶血。MF与年龄、疾病状态以及性别等因素有关。新生儿的MF要高于成年人［20］，这就解释了为什么在离心泵支持的婴幼儿ECMO中溶血的发生率要高，更多的出现高胆红素血症。此外，女性的MF要高于男性；与绝经前期的女性相对应年龄的男性相比，女性RBCs对机械应力更加敏感，更容易发生溶血［21］。

4.4 SRBCsT导致RBCs形态的改变 Kamada T等发现经历CPB的患者RBCs出现了锯齿状改变，而这种改变跟游离脂肪酸的增多有关，该研究小组认为在开胸CPB手术中维持足够的血浆蛋白浓度对于预防RBCs锯齿样改变有着重要的意义［22］。

4.5 SRBCsT对血小板的影响 与其它因素（例如胶原蛋白、纤维蛋白原、或者二磷酸腺苷）相比，剪切力是一种非常强有力的激活血小板的因素，当剪切力达到8 Pa足可以引起血小板的激活、黏附以及聚集［23］。血小板激活分泌了一些增加细胞膜表面静电荷的吸附能力的物质，从而引起了RBCs的聚集。

5 怎样减少RBCs损伤

5.1 药物 研究证实药物减轻RBCs损伤方面存在益处，在氧化应激过程中，利多卡因可以抑制RBCs内钾离子外流和溶血［24］；吸入NO可以通过抑制K＋外流来保护 RBCs免遭 SRBCsT［25］；血中加入甘油三亚油酸酯可能改善 CPB中 RBCs的变形性［26］。此外，辛伐他丁、聚乙二醇、褪黑素、异克舒令等药物也都有对RBCs保护存在益处。

此外，CPB的预充策略也是比较重要的，在CPB的预充液里添加白蛋白可以改善患者的微循环，预防 RBCs锯齿样改变［27］。 Sümpelmann R 认为CPB或者cell saver自体血液回收的患者通过改良预充胶体液成分（4%白蛋白，6%的羟乙基淀粉以及正常的生理盐水）或者cell saver洗涤液可以很明显的降低机械性溶血的程度。CPB下严重溶血可以使用血浆置换来预防溶血诱导的急性肾损伤［28］。使用碳酸氢钠、碱化尿液也可以预防和减轻由PFHb导致的肾脏损伤。硒、维生素C、维生素E、锌、半胱氨酸以及谷氨酸盐等抗氧化物质都可以有效减少氧化物质的生成，从而减轻氧化应激反应［12］。最近还有文献报道远端的缺血预处理也可以减轻CPB 下氧化应激反应［29］。

5.2 合理的负压与CPB管理 很多RBCs机械性损伤是由过度的负压吸引造成的。负压低于-40 mm Hg被认为是安全可靠的，既可以保证引流，又不会引起明显的溶血和微气栓。不同的吸血设备也同样会影响溶血的程度和MF，持续吸引压力装置通过自动调节负压大小可能有助于减少溶血的程度。另外，保持合理的流量、泵速、RBCs比容（HCT 0.20～0.30）也是非常重要的，这样既能保证氧供又能预防 RBCs过度破坏［3］。

5.3 提高体外设备和管路的生物相容性 良好的血液生物相容性可以避免抗凝血系统的过度激活，有利于保护血细胞。很多涂层技术［poly-2-methoxyethylacrylate（PMEA），Heparin-coated，Albumin-coated，Senko E-Ternal CoatingTM等］都被临床证实有效，能够减轻CPB过程中的炎症反应［30］。但是，目前为止关于哪种涂层技术更好，仍没有统一定论。随着技术的发展，越来越多的新型涂层技术出现，目前有文献称直接凝血酶抑制剂与聚氨酯结合作为非血栓形成表面涂层材料用于CPB设备有很好的实验结果，但临床应用前景仍有待于进一步观察。

6 结 论

综上所述，虽然笔者对CPB下溶血和RBCs亚损伤有了一定认识，但仍不充分，溶血相关的PFHb毒性、亚损伤所带来贫血、异体血使用增加、微循环灌注不足，组织乏氧等问题影响着患者的预后。血液保护仍是现阶段每一位灌注师和外科医生所要共同面临的问题。提高体外设备耗材与血液之间的生物相容性，维持一个合理的血液流变学、加强围CPB期间的血液管理方案、缩短CPB时间仍是现阶段减少RBCs损伤的最有效方法。