体外循环与血管内皮糖萼降解关系的研究进展

马 骥，陈春玲

（新疆医科大学附属第一医院麻醉科，新疆 乌鲁木齐 830054）

体外循环（ECC）是心脏手术中为患者持续提供血液供应及避免发生功能障碍的一种重要辅助措施，但是术中常会因炎症反应、缺血再灌注等损伤因素导致肺血管内皮细胞损伤。血管内皮糖萼（EG）作为所有血管和器官腔内表面的带负电的膜结合覆盖物，由蛋白聚糖、膜结合蛋白多糖和其他血浆蛋白共价结合组成[1]。EG具有调节血管内皮通透性、调节白细胞的流动与黏附、抗凝等作用，进而防止内皮细胞受损，有助于维持血管稳态，促进微循环平衡。在非体外循环（off-pump）中，EG会有一定程度的脱落与降解，但在ECC期间，ECC导致EG脱落与降解所造成的心肌细胞和冠脉内皮细胞的损伤，是造成心脏手术后患者死亡的主要原因。EG降解不仅可以造成内皮细胞损伤，同时还会引起患者组织水肿及微循环障碍。研究EG降解与ECC的关系，可有助于更为安全有效地实施ECC，减少并发症，提高患者生存率，改善ECC心脏手术患者的临床远期预后。

1 EG的组成和作用

1.1 EG的组成 EG也被称为多糖包被，由多糖和质膜中的蛋白质组成，存在于质膜外表面，是质膜的正常成分[2]。随着临床染色技术、组织固定技术与影像技术的进步发展，人们对EG组成与结构了解更为清晰。研究发现糖萼层组成成分包括蛋白聚糖、血浆蛋白、膜糖蛋白与糖胺聚糖，其中蛋白聚糖与糖胺聚糖为主要成分[3]。蛋白聚糖为锚定于内皮细胞顶膜上的核心蛋白，多条糖胺聚糖链共价连接于内皮细胞上，包括唾液酸、磷脂酰肌醇聚糖与多配体聚糖。其中多配体聚糖为核心蛋白的跨膜结构，也可存在于血管内皮中，并结合硫酸乙酰肝素、硫酸软骨素，对血管内皮产生的剪切力形成转导作用，而磷脂酰肌醇聚糖为经糖基化磷脂酰肌醇锚定于内皮细胞，与硫酸乙酰肝素连接，形成糖萼的骨架。

依据单糖残基、残基间连键类型、硫酸基数目、位置分5个主要类别，分别为硫酸乙酰肝素、透明质酸、硫酸角质素、硫酸软骨素与硫酸皮肤素。其中含硫成分带负电荷，影响血浆蛋白与静电作用。相比之下，透明质酸为大型线性分子，可与细胞膜归巢细胞黏附分子（CD44）相互作用，不会与蛋白多糖联合。不同于其他的糖胺聚糖成分，透明质酸不带电，但可与其他硫酸化的糖胺聚糖相结合形成复合物，发挥锁水、稳定EG凝胶状结构的效果。

1.2 EG的作用 糖萼为血管内皮屏障，在调节血管通透性、调节炎症反应、转导血管机械剪切力与抗凝方面发挥着重要作用。

1.2.1 调节血管通透性 糖萼在血管通透性调控中受多种因素影响。有学者提出，检测内皮细胞表面层评估血浆标记分子的通透性，可显示阴离子、中性大分子不能穿透内皮细胞表面层[4]，同时分子量小的中性分子渗透速度快于阴离子，而且纤维蛋白原、血浆白蛋白移动速率基本一致，这表明通过血管壁通透性与糖萼层电荷密度相关，两者相互影响。

1.2.2 参与力的传导 受力作用影响，内皮细胞可经过细胞信号转导生成一氧化氮（NO），而起到调控血管张力的作用，传导途径方式多样。内皮糖萼可感应并转换垂直机械力，而生成NO，快速NO产生依赖糖萼中透明质酸钠与硫酸乙酰肝素，因此去除透明质酸钠或硫酸乙酰肝素会影响NO产生，此外，内皮细胞可经瞬时受体电位通道获取Ca2+进而诱发NO释放。

1.2.3 调节炎症反应 白细胞介素、选择素等细胞因子可调控白细胞翻转移于介导炎症反应。糖胺聚糖中硫酸乙酰肝素为L-选择素配体，参与细胞在血管中的白细胞翻转移位；另外，硫酸乙酰肝素可调控趋化因子的浓度梯度，使内皮细胞、白细胞紧密黏附。而且，因炎症引发的糖萼脱落可促单核细胞黏附、促脂质主流的巨噬细胞浸润。

1.2.4 抗凝作用 EG为一种重要内皮屏障，可于生理情况下避免血管内皮与血细胞直接接触，预防血栓形成。而且糖萼还可与血栓调节素、抗凝血酶Ⅲ与组织因子途径抑制药相互作用而实现抗凝效果。其作用机制体现为：血栓调节蛋白与硫酸软骨素结合，可转化凝血酶为蛋白C通路激活剂，形成抗凝途径；抗凝血酶Ⅲ可与糖萼上硫酸乙酰肝素结合，而提高其抗凝效果；组织因子途径抑制药为凝血通路中抗凝新药Xa因子（FXa）、凝血因子Ⅶ（FⅦa）有效抑制剂，可经糖萼与硫酸乙酰肝素相互作用而实现抗凝效果[5]。

2 ECC对EG及内皮细胞的影响

2.1 高容量负荷 过度液体灌注可能导致EG降解，由于血液稀释和EG损伤引起的高渗透性的联合作用，大多数患者在ECC后出现液体超载。而ECC中EG降解增加又与高容量血症有关，而高容量血症可导致心房钠尿肽从心房释放来响应机械壁应力，可能进一步降解EG[6]。急性高血容量可导致EG降解破坏和液体向间质间隙转移，导致心脏手术术后并发症发生率和死亡率增加。

2.2 缺血再灌注 随着ECC在心脏手术中的广泛应用，由此引起的心肌缺血再灌注损伤引起了人们的普遍关注，而在心脏缺血再灌注过程中，冠状动脉内皮细胞结构和功能异常早于心肌细胞，是心脏缺血再灌注早期发生、发展的病理、生理基础，其功能恢复也晚于心肌细胞，EG脱落降解与内皮源性血管舒张有关。内皮细胞能够分泌多种血管活性物质，在功能上互相制约以达到血管自身的功能平衡及维持自稳态[7]。相关研究表明，ECC引起的缺血再灌注损伤可导致EG降解脱落，进而造成冠脉内皮受损，而阻止氧化应激可以减弱缺血再灌注损伤对EG的影响[8]，对防止或减少ECC下缺血再灌注损伤引起的EG脱落降解具有重要意义。

2.3 微循环灌注障碍 虽然不同组织缺血再灌注损伤程度不同，但是共同点是微血管灌注功能障碍。有学者对ECC中EG脱落降解与微循环灌注减少的关系进行研究，ECC过程导致EG降解后，内皮通透性增加，与内皮细胞接触的红细胞随之增加，从而增强血管流动阻力，循环血量受到影响，启动炎性反应[9]。因此，EG完整性的丧失可能导致灌注障碍，ECC下引起的EG脱落降解与微血管灌注损害密切相关。

2.4 平流灌注与炎症反应 目前ECC过程大多属平流灌注，由于ECC期间存在低温、低流量及血液与人工材料接触引起炎性介质的产生，平流灌注导致的血流模式改变可使机体内环境发生改变，造成轻度代谢性酸中毒、高血糖、EG脱落降解及内皮细胞损伤，进而影响各脏器的功能。ECC引起的炎症反应导致炎性细胞释放大量的酶和炎症反应物质，导致EG损伤；同时EG的损伤促进中性粒细胞聚集，诱导中性粒细胞从骨髓中流出，从而导致白细胞（WBC）增多，大量的WBC穿过EG的防御进一步损伤内皮层，破坏细胞结构和管壁连接，细胞应激性损坏，中性粒细胞产生多种生物活性因子，对炎症反应产生反馈作用从而放大并加速炎症反应进程，这也是ECC可以增加的全身炎症反应的因素之一。故与平流灌注比较，使用可携带更多额外附加能量的搏动灌注血流模式，可通过抑制炎症反应来调节内皮细胞结构功能，改善微循环和脏器灌注。

2.5 流体剪切力 关于ECC过程的非生理性的平流灌注理论上产生的是一种层流剪切力，生理水平的层流剪切力对冠脉内皮有保护作用；而剪切力（SS）是一种平行于血管长轴的血流与内皮层之间形成的摩擦力，SS主要作用于内皮细胞，作用于血管内皮细胞的流体剪切力调节着细胞的内稳态，而血流动力学的改变被认为是内皮功能障碍的始动因素。血流动力学的改变可以调节内皮细胞中微核糖核酸（miRNAs）的表达，可将胞外的机械信号转化为胞内的化学信号，通过激活一系列的信号通路和转录因子，调节各种基因的表达，从而诱导内皮细胞的生物学功能改变。EG作为一种机械传感器，参与介导流体剪切力的变化，生理水平的SS对EG具有保护作用，SS通过调节内皮上的机械应力感受分子miRNAs的表达，激活内皮一氧化氮合酶（eNOS）使血管舒张因子NO的产生增加，从而保护血管的舒张功能，SS降低会导致内皮细胞功能失调，SS增加则会导致炎症反应形成[10]。这些结果可为ECC期间EG的保护提供策略。目前有关ECC过程非生理性的平流灌注对内皮细胞生物学功能的影响，还没有进行深入研究，这一机械转导过程中的诸多机制尚未明确。

2.6 纯氧 ECC会导致肺损伤，心脏手术后肺功能障碍仍然是术后死亡的主要原因之一。在ECC期间进行静态膨肺可降低ECC后肺损伤，其原因是静态膨肺提高了膨胀肺泡气体氧浓度，提高肺组织供氧，进而减轻了肺组织缺氧状态，维持肺泡细胞在缺血时的有氧代谢，减轻组织细胞结构的破坏[11]。但是，长时间吸入高浓度氧气后，会导致多种炎症介质表达增加，进而导致肺部炎症反应，引起EG脱落与降解，导致肺部微血管内皮细胞损伤，加重肺组织损伤，进一步导致术后肺功能减退。

3 ECC导致EG降解的机制

3.1 ECC引发EG降解的研究分析 ECC期间，因病理、生理损伤的共同作用，导致EG降解。发生降解的血管内皮层变得稀疏，允许血浆蛋白、液体穿过血管壁，进而形成组织水肿。这种降解促EG成分可快速释放到血浆中，而且可从血浆中检测EG降解成分进行判断。

3.2 炎症诱导的因子参与EG降解的分析 临床研究表明，炎性细胞因子介入与EG降解生物标记物之间存在相关性[12]。实施ECC心脏手术患者，白细胞介素-1（IL-1）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）可与启动炎性级联过程相关，促炎细胞因子白细胞介素-6（IL-6）、白细胞介素-8（IL-8）与抗炎细胞因子白细胞介素-10（IL-10）与EG降解相关。这种降解是因乙酰肝素酶激活介导，因肺微血管内皮细胞中TNF-α提高了乙酰肝素酶翻译后激活与硫酸乙酰肝素活性。TNF-α可激活白细胞释放可降解EG成分的自由基，还可激活内皮衍生自由基或表面结合蛋白酶，自EG中释放甘氨酸聚糖。一旦激活，白细胞会从其微绒毛尖端表达选择素，并被其内皮上配体所捕获。而且血管生成素2（Ang-2）被认为是糖萼发生降解的关键介质。其为内皮细胞在炎症刺激下分泌的蛋白质，可阻断经Ang-1激活其受体激酶抑制剂（Tie2）诱导的抗炎信号。

3.3 过度液体灌注对EG降解的影响 研究表明，过度液体灌注会影响EG降解。高容量血症与ECC中EG降解相关[13]。高容量血症诱导心房释放心房钠尿肽与响应机械壁应力，反过来可能降解EG。体积负荷会导致透明质酸与黏结合蛋白多糖-1平均水平升高。但关于心房钠尿肽与EG脱落之间因果关系临床未达到证实。

4 抑制EG脱落降解的研究进展

4.1 白蛋白 随着人们对白蛋白与EG之间关系认识的不断深入，研究发现白蛋白不仅仅是EG的组成成分，且带有正电荷的白蛋白在生理上可以与带有负电荷的EG层紧密结合，形成天然屏障，抵抗ECC围术期EG层的损伤脱落降解，有助于维持EG的完整性和正常的毛细血管通透性，预充时不单用人工胶体，加用白蛋白不仅可以提高胶体渗透压，同时其对内皮细胞的保护作用大于人工胶体[14]。此外，白蛋白转运作为自由基清除剂的鞘氨醇-1-磷酸（S1P），具有免疫调节和抗炎作用。

4.2 SIP 血浆中的S1P可以调节血管EG的合成和降解，白蛋白不仅可以激活红细胞S1P储存库释放S1P，而且还可将S1P与血管内皮细胞上的S1P受体结合，在应激过程中，激活的S1P受体可以抑制基质活化金属蛋白酶（MMP）9和基质金属蛋白酶13（MMP13），从而抑制EG的重要组成部分syndecan-1蛋白外域脱落，进而抑制EG降解[15]。

4.3 肝素 肝素是从肥大细胞和嗜碱性细胞中分泌释放出来的，进入间质间隙起到抗凝作用，血小板与肝素接触后，表达出血小板因子4（PF4）及糖蛋白Ib和糖蛋白IIb/IIIa；硫酸肝素和肝素不同，是由正常内皮细胞不断产生并通过附着在蛋白质骨架上与内皮细胞表面相连，硫酸乙酰肝素是一种直接的凝血酶抑制剂；ECC后，PF4通过循环血小板和白细胞为受伤内皮细胞释放的硫酸乙酰肝素提供天然防御，糖蛋白Ib和糖蛋白IIb/IIIa结合硫酸乙酰肝素和肝素，清除抗凝血。非分馏肝素（UFH）是从肥大细胞中分离出的多分散、相对不纯的多糖组合，也为糖胺聚糖（GAGs）。UFH与硫酸肝素非常相似，保护内皮表面免受炎症攻击，并作为血管剪切的机械传导器。已有研究表明，肝素生物相容性涂层可以显著防止循环syndecan-1水平的升高，意味着EG降解脱落可以得到抑制[16]。

4.4 TNF-α信号抑制剂 TNF-α作为常见的炎性细胞因子，可介导炎症反应直接导致EG损伤脱落。研究表明，临床上通过使用TNF-α信号传导抑制剂，使内毒素引起的EG成分脱落、功能性血管功能紊乱等被显著抑制。另外，蛋白酶抑制剂也可以起到抗炎和保护器官的效果，乌司他丁可有效抑制乙酰肝素酶的活性，减少硫酸乙酰肝素的降解来抑制EG的脱落降解。

4.5 糖皮质激素 糖皮质激素具有一定的抗炎作用，如氢化可的松可阻止炎症细胞在血管中的粘附和迁移，稳定肥大细胞，抑制有害物质（如蛋白酶、裂解酶或组胺）的释放，防止炎症细胞从循环系统迁移到组织。此外，糖皮质激素通常被用于预防间质水肿和肿胀。研究发现，氢化可的松可以降低血管通透性、组织水肿和白细胞黏附，预防EG由于缺血再灌注后导致的炎症，从而抑制EG降解脱落[17]。另外，ECC期间小儿的皮质醇水平高于成人，这种差异可能与不同年龄应激反应程度不同、地塞米松用量、ECC时间、术后吸机使用时间、手术后镇静药使用种类及方法等因素有关。因此小儿在ECC期间EG的保护方面优于成人。

4.6 NO NO介导血管扩张，并充当自由基清除剂，以帮助保持EG的完整性，其低水平可减少氧化细胞损伤。研究发现，在没有酶促反应破坏EG时，再灌注期间施用NO对EG具有保护作用[18]。另外，NO亦可以同时降低ECC和延长术后急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）的发生率[19]。

4.7 麻醉药 缺血再灌注后，内皮屏障及其相关带负电荷的EG层被破坏导致血管渗漏。麻醉药的使用，可以减轻外科手术导致的炎症反应，继而抑制EG脱落降解，减少术后并发症。

5 结论与展望

EG具有调节血管通透性、在内皮细胞表面提供抗凝和抗黏附、转导剪切力、调节白细胞与内皮的相互作用等作用，是内皮细胞与血液的天然屏障。因此，维持EG正常生理结构功能尤为关键[20]。了解EG的生理和病理生理学功能及其结构损伤、脱落降解与ECC的关系，有助于ECC的安全开展，防止心脏手术期间EG进一步损伤或退化[21]。EG的脱落降解因素复杂，机制尚未完全阐明，这就意味着对EG的保护不能从单一角度入手，对EG的补充、抑制其脱落降解及对基础疾病的治疗是未来的发展趋势。所以，寻求EG的多元化保护及修复方法，抑制EG在ECC期间脱落降解，减少在ECC下实施心脏手术患者的并发症，对提高患者生存率，减少ICU住院时间，改善患者临床预后，具有一定的临床意义，可为临床上ECC后提高患者的生存率带来新的思考。