体外循环中设备对全身炎症反应的影响

朱悦倩， 杨 菁， 姚 昊

(南京医科大学第二附属医院心血管中心， 江苏 南京 210011)

心脏外科的发展依赖于体外循环技术(Cardiopulmonary bypass，CPB)的发展。而CPB过程打破了人体内环境稳态，引起神经、内分泌系统失调，进而产生全身炎症反应，是术后并发症的主要因素。CPB产生炎症反应的病理生理机制有多种因素构成。一般认为分为两个主要阶段。第一阶段是血液与非内皮表面接触，造成细胞破坏，引起细胞释放生物活性物质，如细胞因子、补体等，激活内源性、外源性凝血途径，从而激活纤溶系统，引起炎症反应，消耗血液成分。第二阶段主要是由手术方式造成机体的体温波动、血液制品输注、血液稀释和破坏等，引起机体的缺血再灌注损伤和内毒素血症。当然，除了主要的白细胞活化的机制，线粒体DNA的升高也是CPB炎症产生的重要因素。

从血液开始接触非血管材料开始，补体活化途径开始启动，随后开始出现白细胞活化，内皮细胞炎症破坏等过程。血小板活化的诱因主要是肝素、与非生物性材料接触和低温。活化的血小板释放颗粒因子(血小板因子4、β-血小板球蛋白、血栓素B)，失去了正常的凝血功能，引起术后凝血功能障碍。由于管道设备等表面缺少内皮细胞，因此C3介导的经典途径激活，继而产生C3a、C5a等片段，导致血管通透性增加，白细胞活化等。正常生理情况下，细胞因子是免疫系统和防御机制的重要调节者，但在体外循环过程中，它们增加了炎症反应的严重程度。巨噬细胞和白细胞释放促炎因子，包括肿瘤坏死因子α(TNF-α)、白介素6(IL-6)、IL-1、IL-2和IL-8。体外循环后的患者血液中存在内毒素，主要来源于外源性和内源性革兰氏阴性菌。内毒素、促炎因子和TNF-α可以激活诱导型一氧化氮酶(iNOS)，释放大量自由基一氧化氮(NO)。一氧化氮酶(NOS)包括三种形式:神经元型、内皮细胞型和诱导型[1]。神经元型NOS主要使NO作为神经元间的信号分子；内皮细胞型NOS存在于血管内，产生NO引起血管扩张；诱导型NOS见于免疫细胞中，与血管通透性增加和血小板聚集减少有关。IL-6和NO的出现可能诱导心肌顿抑。炎性介质如TNF-α可诱导以DNA断裂为特征的细胞凋亡。目前认为保持促炎和抗炎因子(IL-10)之间的平衡对控制全身症反应的严重程度有重要作用。

为了改善患者预后，减少CPB期间的炎症反应是大家主要研究的重点。研究结果主要集中在药物、技术等方面，右美托咪定通过激活中枢α2受体，降低交感活性，下调应激血糖，从而减少炎症反应[2]；乌司他丁作为一种广谱胰蛋白酶抑制剂，能稳定溶酶体膜，减少溶酶体浓度[3]；瑞芬太尼降低体内血管性假血友病因子和可溶性血栓调节素水平，减少炎症因子表达，保护血管内皮细胞[4]。其实在血管内皮细胞表面存在内皮细胞多糖蛋白复合物层(EGL)，这是一种一层带有负电荷的类似凝胶的覆被，由糖蛋白、蛋白多糖和糖胺聚糖组成，避免了内皮细胞与血细胞的直接接触。而CPB中的微栓通过损伤EGL造成毛细血管壁损害，甚至引起血脑屏障紊乱。以CD133+或其分化细胞为基础的治疗对CPB术后急性肾功能损伤有一定作用[5]，其中CD133+细胞具有促进血管生成，介导组织再生和调节炎症等功能。动物模型表明，CPB回路中血-气平面也是引起血细胞活化，产生大量炎症因子的原因，因此，提示要减少血-气平面积。在CPB耗材方面，也不断进行改进创造，越来越多的材料和设备运用于CPB中以减少炎症反应。

1 体外循环管道

CPB中血液与非生物性材料接触是引起炎性反应的主要原因之一。因此，提高管道材料的生物相容性能很大程度地降低血液的机械破坏。生物相容性最高的为血管内皮细胞，微血管内皮细胞表面存在肝素样分子受体。目前常用的CPB管道均为肝素涂层管道，在血液通过管道时，能形成血液相容的浅层，减少血细胞、血浆蛋白等与管道的接触，减轻炎症反应的发生。肝素管道表面肝素分子的结合方式主要有离子型、共价型和物理结合三种，在长期使用时，尤其是离子型结合方式，肝素涂层会洗脱进入血液，具有一定危险性。此外，肝素对凝血系统的影响较大，引起出血和肝素相关性血小板减少，因此人们开始寻找新材料。

聚丙烯酸-2-甲氧基乙酯(PMEA)是一种在发展中的人工膜涂层材料。它是一种多聚体链，分子外侧无生物活性，保留了蛋白质分子周围的水化结构，很难与血液成分相互作用，是目前抗凝血材料的热点，改善人工器官的生物相容性。聚丙烯酸-2-甲氧基乙酯涂层的体外循环管道与肝素涂层相比，在长时间的体外循环过程中可减少血小板输注。PMEA涂层CPB可以改善心脏手术后的呼吸功能，减少全身炎症反应，说明PMEA为一种不输于肝素涂层的材料。目前新的材料很多，如Phisio(磷酰胆碱)涂层、Bioline-涂层(白蛋白-肝素)、Softline-涂层(无肝素，合成聚合物)，在术后炎症和患者住院和随访结果方面均无太大区别。新的Senko E-ternal涂层(SEC)也是一种具有良好生物相容性的新型材料，通过测定PF4(由活化血小板α颗粒释放的细胞因子)来反映血小板的活化和损伤情况。氧化石墨烯(GO)涂层负载肝素可显着降低血小板粘附，延长活化部分凝血活酶时间(APTT)，而不影响内皮细胞粘附和增殖。新型涂层材料的能改善术后凝血指标，能缓解CPB术中凝血功能紊乱的问题。

2 氧合器

氧合器经历了垂屏式、转碟式、鼓泡式、膜式四个发展阶段。目前主要使用的氧合器有两种，一种是鼓泡式氧合器，另一种是膜式氧合器。鼓泡式氧合器是通过气血直接接触来完成血液的氧合。氧合相同数量的血液需要的氧流量越小，那么对血液的破坏越小，氧合器越好。鼓泡式氧合器主要采用10～15μm的微孔发泡板，血液与氧气的流量比大约在1∶0.6。由于空气中的氮气不溶于血，因此为了避免氧分压过高，需要适量混合二氧化碳。氧合后的血液通过祛泡板回到人体。鼓泡式氧合器的弊端主要在于发泡和祛泡过程中血液的破坏，造成大量溶血，时间越长，血液破坏越严重。同时可能出现祛泡不完全，造成气体栓塞的风险大大增高。

膜式氧合器成为目前市场的主流。膜式氧合器是模仿生物肺泡气体交换原理，气血不接触，对血液进行氧合。现在主要使用的材料是聚丙烯中空纤维膜，氧合器内是外走血，内走气，内部的中空纤维交叉排列，血液流向与纤维交叉，使血流分布均匀，减少了血流的剪切力，增大氧合效率，同时血液破坏大大减少。氧合器的血流分布和剪切力取决于血流、氧合器的压降、血液的粘滞度和氧合器的体积。当氧合器确定时，影响因素取决于血流速度和压降，因此，血流速度增加，剪切力增大，血-膜接触时间变短，氧合效率降低。人们通常认为氧合器中的血流分布和剪切力会影响溶血，然而在现代氧合器中，两者并无太大的关系，血流方向能切向过滤空气。虽然膜式氧合器仍不可避免地会造成炎症反应，但与鼓泡式氧合器相比，能减轻对中心粒细胞凋亡的抑制，同时中空纤维能深度过滤空气栓子。氧合器膜束是CPB回路中最大的气体微栓过滤器，纤维膜外侧的血液压力大致在100～300mmHg，而在纤维膜内的压力为0～15mmHg，因此过滤气体微栓主要靠压力差。随着认识的加深，人们意识到血液与空气和非内皮组织的长时间接触会加重炎症反应，因此提倡避免直接将术野中回吸的血液回输到循环中，虽然研究中患者最终结果无明显差异，但实验证明减少了炎症因子的释放[6]。

3 微栓过滤器

主要引起CPB后认知功能障碍、溶血、全身炎症和凝血变化的原因包括气体微栓(GME)。动脉微栓过滤器主要使用40μm的聚酯滤网材料，在CPB中用于滤除GME，避免进入人体。纤维材料、纤维口径、膜厚和织造方式对GME捕获有很大影响，因此不同厂家不同型号的氧合器和过滤器的效果不同，同时，额外使用动脉过滤器能显著减少GME的数量。然而，在巴西等地，动脉微栓过滤器并不是常规使用的设备。动脉滤器的孔径决定了能滤过GME的大小，通过比较，孔径为20μm与孔径为25μm所滤过的GME并无太大区别[7]。理论上孔径越小，过滤的GME越多，然而人们不愿意使用20μm孔径的动脉滤器的原因主要是因为血细胞的最大直径在17～18μm之间，与20μm的孔径相似，更易损伤细胞。创新性CPB理念为“表面涂层”、“血液过滤”和“微型化”，因此目前集成过滤器的肝素涂层氧合器为一个新的方向，主要为了减少预充量和管道面积。过滤器的滤网大多是用尼龙、涤纶等材料制成，与血流的剪切力很快会产生血液破坏，启动炎症反应，凝血功能异常，滤网堵塞等问题。过滤器的表面涂层也是研究重点，从肝素涂层到海藻酸钠涂层，生物相容性不断提高。为了更有效地较少GME，除了使用过滤器，Condello等[8]根据Fibonacci黄金比率设计管路，较传统管路提供了优越的术中流体动力学，减少了GME的产生，改善了GME的消除，并改善了术中代谢。

4 超滤器

CPB中的超滤技术是通过半透膜去除多余的水分和可溶性小分子物质。中空纤维和半透膜的作用下，产生超滤浓缩作用，在对流过程中，血浆中的水和低分子物质通过一端从血液中去除。CPB中超滤作为一种降低血容量、提高红细胞压积和稳定纤溶系统的血液浓缩技术已被广泛接受。超滤方式分为三种:常规超滤、改良超滤、零平衡超滤。由于婴幼儿的血容量小，传统超滤方法经常出现容量不足的问题，因此提出改良超滤法，主要用于CPB后浓缩血液，同时滤过一些炎症因子，理论上成人患者也能从改良超滤法中获益，循环炎症介质的显着减少，减少失血和输血的需求。既往研究的结果显示[9]，在成人CPB中改良超滤法的影响尚不清楚，但改良超滤在成人CPB中越来越受欢迎。零平衡超滤技术主要用于维持血液浓度的同时，通过滤过作用减少炎症因子。然而在系统评价中，零平衡超滤总的疗效并不显著，仅缩短了患者的机械通气时间。CPB过程对肺的损伤主要在两个方面，一是血液稀释导致的血清蛋白浓度和胶体渗透压降低，导致肺间质水肿；二是停循环后的氧自由基引起的再灌注损伤[10]，因此猜测使用超滤技术能否滤过炎症因子，改善术后肺功能，结果显示并无太大差距。但在另一项研究表明，在婴儿CPB中使用零平衡超滤能改善患儿术后呼吸功能，降低降钙素原等效应[11]。

5 白细胞滤过器

白细胞过滤器主要用于血液回收后预防输血相关并发症，减少血小板输注。CPB过程中通过活化白细胞，尤其是中性粒细胞，引发全身炎症反应。最初，炎症细胞因子刺激内皮细胞粘附分子的合成，中性粒细胞与内皮细胞紧密接触。在这一初始阶段，中性粒细胞通过细胞粘附分子CD11b/CD18与内皮细胞表达的细胞间粘附分子-1相互作用，附着在内皮细胞上，产生趋化因子和细胞毒素，就会发生中性粒细胞的迁移。当中性粒细胞到达目标部位时，它们向新再灌注的组织释放细胞毒性物质和酶，破坏内皮。白细胞活化导致IL-6、TNF-α和内毒素等促炎介质的显著释放，所有这些介质都激活单核细胞，导致组织因子表面表达增强。因此，白细胞过滤器开始大量应用于CPB过程。白细胞滤器主要有两种结构，一种依靠多孔泡沫去除白细胞，另一种依靠纤维结构去除白细胞。前者主要依靠血细胞的变形能力来滤过白细胞，白细胞代谢越低，去除率越高。后者的工作原理主要是白细胞上活跃的细胞黏附部分与纤维的相互作用，因此白细胞代谢越低，去除率越低[12]。在CPB中使用白细胞过滤器的方式很多，如通过动脉通路、静脉通路、吸引通路、机血回输等途径。而其对患者的预后并没有太大的影响，原因可能是过滤器面积小，无法过滤吸附大量白细胞；或者不能过滤活化的白细胞。目前，研制出了一种新的白细胞过滤器，能通过三层特制纤维结构，选择性地吸附被炎症激活的中性粒细胞或单核细胞等，而减少对自然免疫细胞的滤过。白细胞过滤器能够减少器官功能障碍和炎症标记物有大量的证据证明，然而，对于使用白细胞过滤器的最佳策略仍没有定论，目前在临床上尚未成为一种常规预防、治疗手段。

6 总 结

CPB炎症反应是无法避免的问题，人们只能通过各种手段来尽可能减轻炎症。总体来说，近年来CPB技术并未发生较大改变。主要的减轻炎症的手段是通过改进设备材料、使用药物来实现。然而很多方式，如改良超滤、白细胞滤过器等，有一定的去除炎症因子的作用，但实际患者预后并没有显著优势。可能是由于疾病种类、手术方式、CPB过程中其他引起炎症的因素的变化。针对体外循环管路材料与血液接触和血-气平的问题，开始使用微型CPB。它的管路路径短，不包括吸引回收的血液，研究表明，微型CPB确实能减少中性粒细胞表面的CD162、CD166和CD195的表达[13]。其中CD162主要参与激活控制细胞骨架重排、基因转录和细胞因子产生的信号通路；CD166属于细胞黏附分子，在炎症、白细胞迁移、外渗、分化和增殖中起重要作用；CD195的作用在控制粒细胞系的增殖分化、细胞骨架重排、趋化细胞募集等方面。在CPB中除了与血液直接接触的设备有很大的血液破坏风险，通过管道对血液进行作用的泵头对血液和免疫有较大影响[14]。目前使用的人工泵主要有滚压泵和离心泵两种，前者由于对管道产生泵压，长时间会产生溶血，同时会产生附壁微栓；后者通过涡流和离心力，与血液接触少，血液破坏较少，但轴承处易产生血栓。血栓的产生会引发凝血功能异常，出现炎症反应。CPB导致全身炎症反应综合征的发病机制有多种解释。

在“二次打击”学说中，CPB引起的缺血再灌注损伤，肠道细菌移位等均为炎症反应的重要因素。因此，除了在设备方面考虑如何更符合生理条件，更应该考虑如何减少内环境紊乱来控制炎症反应。