围术期储存红细胞输注相关感染机制的研究进展

韩 露，芶大明

(1.遵义医科大学 麻醉医学院，贵州 遵义 563099；2.遵义医科大学附属医院 麻醉科，贵州 遵义 563099)

自ABO血型系统发现以来，储存红细胞(Stored red blood cells,sRBC)输注成为治疗围术期急性贫血的主要手段。目前，随着手术量的日益增加、新手术方式的开展和“手术禁区”的不断打破，sRBC的需求量也日益增加，而输血并发症也随之增加。感染是输血的主要相关并发症之一，也是引起患者术后其他并发症和死亡的主要原因之一。因此，研究输血相关感染的机制对于改善输血患者预后具有极其重要的意义。本文将通过回顾输血相关感染的风险和可能机制，为减少此严重不良事件提供重要依据。

1 sRBC输注引起感染的相关危险因素

1.1 红细胞储存时间 目前，多项研究表明红细胞随着储存时间增加，质量逐渐下降，输注入机体内不良反应发生率增加。Eduard[1]研究表明，在髋关节置换术中输注储存时间>14 d的sRBC，其术后假体感染率明显增加。Dalessandro[2]分别在患者体内输注5 d和42 d的sRBC，检测发现输注42 d的sRBC患者体内增塑剂、促氧化、促炎症和免疫调节代谢物明显较输注5 d的sRBC患者增多。Allison[3]观察北美12家创伤中心需要大量输血的成年患者，输注不同储存时间的红细胞，发现输注大于或等于22 d的sRBC，不良事件发生率明显较小于输注22 d的sRBC增加，其中感染的发生率最高。

1.2 输注sRBC数量 输血量是预测围术期患者死亡和并发症(如感染、器官衰竭等)发生的独立危险因素[4]。每增加 1 单位sRBC输入，术后30 d死亡率增加1～2倍。如输入 sRBC>3 单位，将会导致住院期间死亡率显著增加；>5 单位，则死亡风险增加 6 倍[4]。在脊柱手术中，sRBC输注量每增加1单位，感染风险(包括术后感染、败血症、肺部感染等)增加1.18倍，当输注sRBC大于3个单位时，感染相关并发症发生率为1.7%[5]。在心脏手术中每增加2单位的sRBC输入量，感染风险增加1.18倍[6]。Joshua[7]在观察髋关节和膝关节置换术中输入不同剂量的sRBC中发现，其术后手术部位感染与围术期输注sRBC成剂量依赖关系，即输注sRBC量越多，感染发生率越高。

1.3 受血者合并其他疾病 高龄、糖尿病、病情危重、长期接受慢性输血的患者，在接受sRBC输注时发生感染的风险是其他患者的2倍[8-9]。Gallian等[10]在法国的一项回顾性研究中，在23例最终发展为输血传播戊型肝炎病毒感染的患者中，7例是由于患者合并恶性血液病而需要长期接受sRBC输注的患者。

2 sRBC输注相关感染机制假说

在储存过程中红细胞发生生化和生物力学的变化称为储存损伤，红细胞储存损伤是代谢物消耗或蓄积、氧化应激、免疫调节等多个因素相互作用的结果，这种损伤与输注后感染密切相关[11]。

2.1 代谢产物与炎性/免疫功能紊乱 随着储存时间的延长，储存液中炎性细胞因子、趋化因子、生物活性脂质等物质逐渐增加[11]。李振舟[12]等发现，红细胞储存35 d后，其上清液内肿瘤坏死因子(TNF-α)、白介素类物质(IL-6、IL-18、IL10)、CCL22、转化生长因子-β(TGF-β)分别比储存7 d的红细胞增加4、4.5、3、2、3、4倍。大量炎性物质的进入导致受血者体内多种粘附分子增加，如血管-内皮细胞粘附分子ICAM-1、VCAM-1的表达增加，其作用是将白细胞锚定到内皮表面，并促进其向组织内迁移。最终结果将导致微循环血流下降甚至阻塞，组织水肿而摄氧量下降；同时导致机体免疫功能细胞(如嗜中性粒细胞、巨噬细胞、淋巴细胞等)过度激活，最终导致免疫功能紊乱[13]。多项研究发现，胃癌、骨科手术输注sRBC后机体免疫抑制，这可能和sRBC降低T细胞功能有关[14-15]。

另一代谢产物-泛素值得关注。正常情况下，泛素广泛存在于细胞内液和细胞外液中，参与多种类型免疫细胞的调节：细胞外泛素可促进Th2细胞因子IL-4和转录因子STAT6表达，并抑制Th1细胞因子IFN-γ和转录因子T-bet的产生[16]。Th1细胞通过分泌IL-2和IFN-γ在细胞免疫中起重要作用；而Th2细胞可促进抗体的产生，并通过分泌IL-4和IL-10在体液免疫中起重要作用。Th1细胞和Th2细胞均可分泌细胞因子促进自身的增殖并抑制对方的增殖。在正常泛素水平的调节下，机体Th1细胞和Th2细胞比例处于相对稳定的状态。Patel[17]等发现，储存42 d的红细胞上清液中，泛素浓度比储存前增加近20倍(111±33 ng/mL at 0 day vs 2170 ±268 ng/mL at 42 day)。泛素的输入可能导致Th细胞比例的平衡偏移，称为 “Th1/Th2漂移”。一旦Th1细胞和Th2细胞之间的平衡状态被打破，人体细胞因子网络的动态平衡就会被破坏。当Th1细胞受抑制时，细胞免疫功能受到抑制会导致肿瘤复发或术后感染率增加。因此，细胞外泛素被认为是一种疾病生物标志物，其血液浓度的增加与输血相关免疫调节、癌症复发、多器官功能衰竭密切相关[18]。

2.2 红细胞免疫调节功能障碍 红细胞免疫功能在红细胞膜表面C3b受体的免疫粘附作用下实现，C3b受体可抑制补体过度活化，阻止补体损伤机体组织；同时，C3b受体参与到免疫复合物的清除中，抗原抗体复合物通过经典途径或者旁路途径激活补体后，C3b受体与红细胞膜表面黏附而形成较大的聚合物，以利于巨噬细胞的识别与吞噬。巩玉凤等[19]对sRBC的免疫功能进行观察后发现，随着保存时间延长，红细胞C3b受体活性呈逐渐降低趋势，C3b受体活性降低与红细胞在储存过程中经历的红细胞形态、聚集性和粘附性的变化、代谢紊乱、氧亲和力变化、渗透调节变化和血管调节能力变化等有关，C3b的减少提示机体清除免疫复合物的能力下降，更容易导致输血后感染的发生[20]。

2.3 sRBC破坏导致的铁离子代谢障碍 红细胞的生存依赖于其细胞膜结构的正常与组成完整、细胞骨架的正常，从而维持红细胞在循环内的变形能力和机械稳定性，并避免被机体免疫信号的捕捉。无论是维持红细胞的基础代谢，还是维持其膜结构正常、变形能力等生物学活动，均需要能量的支持。然而红细胞能量代谢系统极其脆弱。由于缺乏细胞器，红细胞的能量来源主要依赖于糖酵解过程。在体外储存中，随着储存时间的延长，乳酸堆积进而抑制了糖酵解过程，红细胞能量缺乏，并通过多种途径导致红细胞在受体内的生存时间缩短。

2.3.1 氧化应激反应增强 在红细胞储存过程中，随着时间的延长，血红蛋白(Hemoglobin,Hb)发生自氧化，生成高铁血红蛋白(Methemoglobin,metHb)，metHb沉积于脂质和红细胞的膜骨架上，干扰细胞骨架其他蛋白质的正常功能,其降解产物血红素可导致红细胞膜碎片形成，使红细胞溶血，同时，metHb还有助于活性氧的生成，活性氧又可以攻击Hb，形成恶性循环。其次，metHb和游离血红素中三价铁(Fe3+)都与过氧化氢参与Fenton反应生成高活性的羟基自由基(OH-)。OH-攻击红细胞发生脂质过氧化反应，使红细胞膜上的蛋白发生氧化损伤[21]。红细胞储存2周后，细胞抗氧化能力下降，最终导致红细胞变形性降低，流动性下降，硬度增加[22]。这些细胞进入体内后，极易被吞噬并清除。

2.3.2 细胞骨架的改变 在膜骨架蛋白(包括带3蛋白、血影蛋白和血型糖蛋白)支撑下，红细胞呈双面凹陷或单面凹陷的圆盘状。正常细胞骨架对维持红细胞的稳定性、变形性和形状至关重要。低温储存时，随着糖酵解减少和氧化应激的增加，带3蛋白和其他细胞骨架膜蛋白被破坏。另外，随着Hb的变性和血红素和铁的形成(如上所述)，细胞膜脂、蛋白质和碳水化合物被过氧化，从而导致膜阳离子泄漏、胆固醇、磷脂酰丝氨酸外翻、带3蛋白聚集，胞膜微泡产生。这些变化导致膜稳定性损害、变形性降低、红细胞形状改变以及衰老信号的增加，最终损害了红细胞的生理功能和活力[23]。

2.3.3 磷脂酰丝氨酸(Phosphatidylserine，PS)的暴露 正常情况下，磷脂酰丝氨酸存在于细胞膜胞浆面，但在衰老的红细胞中，它表达于胞膜外层，成为网状内皮巨噬细胞清除红细胞的重要信号。当储存红细胞能量缺乏时，多种途径使磷脂酰丝氨酸在外层表达：包括半胱天冬氨酸蛋白酶途径、蛋白激酶 C信号通路、Ca2+途径、血小板活化因子途径等，最终都表现为红细胞皱缩、囊泡化和细胞膜PS外翻[24-25]。红细胞表面PS的表达介导红细胞与内皮细胞的黏附，并通过巨噬细胞触发红细胞从循环中清除。一般来说，PS暴露和红细胞表面CD47表达的丧失以及膜微泡都是决定红细胞寿命的因素。

以上损伤的sRBC进入受血者机体后24 h内，多达25%的红细胞将被网状内皮系统清除，铁被回收。输注储存时间>14 d的sRBC时，由于红细胞脆性增加，输入机体容易被破坏，导致血浆中铁含量增加，当其超过网状内皮系统和转铁蛋白的处理能力时，会导致巨噬细胞中非转铁蛋白结合铁(Non-transferrin binding iron，NTBI)水平升高。增加的NTBI通过NF-κB信号通路和NLRP3炎症小体的激活，释放大量促炎细胞因子，引起全身炎症反应[26]。当NTBI释放到细胞外时，产生大量游离羟基自由基和增加细胞毒性，并促进嗜铁细菌增值，增加了感染风险。NTBI还可以抑制免疫细胞的增值和活化能力，使机体的免疫能力下降，最终导致输血相关感染[27]。Baek[28]在动物实验研究中发现过量的NTBI有可能增加机体内细菌的感染毒性和抗性，形成顽固性感染。

3 预防sRBC输注相关感染措施

3.1 添加抗氧化剂 红细胞的储存损伤是引起感染的主要原因之一，氧化应激水平的增加又是其损伤的主要机制，所以减少氧化反应发生的机率、增强抗氧化水平也是减少输血感染的主要对策。还原型谷胱甘肽(Glutathione，GSH)是红细胞内最主要的抗氧化物质，可以维持红细胞膜的完整性和保护红细胞免受氧化损害。Amen[29]研究发现在红细胞中加入谷胱氨酸前体N-乙酰半胱氨酸、谷氨酰胺能明显增加GSH含量，而且N-乙酰半胱氨酸还能减少红细胞微粒的释放。活化的半胱天冬氨酸-3(Caspase-3)是氧化应激的下游产物，导致红细胞膜骨架破坏。Debabrata[30]等在红细胞中加入特异性Caspase-3抑制剂，减少红细胞膜带3蛋白聚集和延缓能量下降。Lorenzo[31]将红细胞中加入牛磺酸和过氧化氢进行体外孵育，发现牛磺酸水平与GSH以及谷胱甘肽化代谢物总水平成正比，而与溶血率成反比，同时也提高了红细胞能量。其他直接作用于红细胞的抗氧化物，例如维生素C(vitC)，Kamila[32]等研究表明在红细胞保存液中添加vitC能稳定红细胞膜，同时，他还发现添加两种抗氧化剂比一种的效果好。红细胞氧化水平的升高与红细胞的能量耗竭二者互为因果。有研究发现添加外源性丙酮酸钠能提高红细胞能量从而降低氧化水平，其主要机制可能为丙酮酸钠可以转化为乳酸以及促进氧化性辅酶I转化为还原型辅酶I提供能量，而且丙酮酸钠在磷酸戊糖途径中促进还原型辅酶II的生成，维持一定的还原当量，降低氧化应激水平[33]。

3.2 改变保存方式 红细胞在体内处于各种复杂的力学微环境，并受到这些力学的调节，比如血流的剪应力可以调节对红细胞有保护作用的CD47的表达，还可以调节红细胞膜葡萄糖转运蛋白，调节红细胞代谢等，相对于体内环境，静态、密闭于体外红细胞保存缺乏活跃的血液流动机制，这也可能是红细胞发生储存损伤的机制之一[34]。王瑛等[35]使用复合多孔结构模型模拟血流流动和气体交换，结果得出在复合多孔结构中的sRBC悬浮液具有较高的pH值和氧分压，较低的钾浓度和二氧化碳分压，所以改变sRBC的动力学可以预防红细胞储存损伤，从而减少输血相关并发症。

3.3 其他 除以上方法外，去除白细胞是目前临床中广泛应用的降低输血后不良反应有效措施之一,滤除白细胞能有效降低非溶血性输血反应、HLA同种异体免疫反应等[36]。Henkelman[37]发现超低温保存的红细胞其能量和氧化应激水平都优于4℃低温保存，但是也有人发现将红细胞放入-196℃液氮和-80℃冰箱中保存，发现-80℃保存的红细胞溶血率和输血反应都较-196℃保存的较好。随着生物科学技术的发展，使干细胞体外诱导生成红细胞成为可能，这为临床使用上优质红细胞、减少输血并发症提供了一个契机[38]。

4 结束语

感染是输血相关并发症之一，严重影响着患者预后。病原体的入侵是感染发生的必要条件，可能来源于献血者或受血者。除此之外，输血引起的炎性反应/免疫反应的紊乱是导致感染的另一重要条件。针对这些机制，预防为主，从源头上控制病原体的进入、减少sRBC对机体免疫反应的干扰是预防感染的重要措施。