先天性心脏病患儿心肺转流术后肠道损伤机制及治疗进展

刘晓旭 莫绪明

(南京医科大学附属儿童医院心胸外科,江苏 南京 210008)

先天性心脏病(congenital heart disease,CHD)是最常见的先天性畸形,其发病率居新生儿出生缺陷的首位[1]。随着心脏超声应用的普及以及国家对CHD筛查的重视,CHD的发病人群开始呈现出低体重以及低龄化的趋势。许多CHD患儿因为器官血流灌注不足以及“右向左分流”而出现缺氧表现,临床上,通常对心脏、大脑及肾脏等重要器官的缺氧比较重视,而容易忽略肠道组织的缺血缺氧。心肺转流术(cardiopulmonary bypass,CPB)是在心脏手术过程中通过人工装置暂时替代患者心肺功能的特殊技术,是许多复杂及重症CHD患儿手术矫正中必不可少的一环。有研究[2]发现其在CHD心内结构改变的基础上进一步重新分布全身血流,引起肠道低灌注,导致肠道屏障功能受损及菌群紊乱,增加了术后脓毒血症发生,最终影响预后。

1 肠道血流灌注

1.1 CHD患儿肠道血流灌注

患有CHD的婴儿其机体的各个器官没有发育完全,尤其在紫绀型CHD的患儿中,其多种代偿功能处在一种相对较弱的状态之下,加之心内结构改变,出现右向左分流,静脉血未得到充分氧合,造成肠道血流低灌注、肠道黏膜缺氧及基础代谢的改变,导致肠道微生物产物移位,肠道屏障的完整性被破坏,增加坏死性小肠结肠炎及全身炎症的风险[3]。

1.2 CPB过程中肠道血流灌注

有关CPB过程中器官的缺血缺氧,以往的研究多侧重于大脑、肾脏等重要脏器,而肠道作为人体最大的消化器官以及人体的“第二大脑”,其缺血缺氧往往被忽视[4]。但肠道对于缺血缺氧尤其敏感,CPB时血液的稀释及体温的降低会使腹腔脏器较大脑等重要脏器更早地出现血流量减少,导致胃肠道处于低灌注及低氧状态[5]。消化道溃疡、穿孔、出血、肠梗阻、肝坏死等为CPB下心脏直视手术后常见的消化系统并发症,肠缺血坏死等严重并发症发生率虽不高(0.5%～4.0%),但一旦发生,死亡率可为26%～75%[6]。CPB时肠道缺血缺氧及低温状态导致肠道细胞膜通透性发生改变,大量细胞被激活,形成微循环微栓,当其进入血管后会引起闭塞性肠系膜缺血,而手术应激状态下肾素-血管紧张素系统的激活,导致大量缩血管物质释放,同时也容易引起非闭塞性肠系膜缺血[7]。Sakamoto等[8]研究发现,接受心脏手术的患者一旦发生非闭塞性肠系膜缺血,其住院死亡率为77%,大多数幸存下来的患者其预后也很差。此外,因CPB血液稀释造成的缺血缺氧以及后续再灌注损伤使肠道微血管和肠黏膜屏障破坏,水和细菌渗漏,引发全身性炎症反应综合征[9]。

2 CHD患儿CPB肠黏膜屏障功能及其受损机制

2.1 肠黏膜屏障功能

肠黏膜屏障是指肠壁及其分泌的物质形成的抵御外界环境中有害物质和病原体随食物进入人体组织、器官及血液中的重要屏障[10]。肠黏膜屏障主要由4层屏障构成:机械屏障、免疫屏障、化学屏障及生物屏障。上皮细胞表面的黏液层及细胞间的紧密连接是肠道屏障防御的第一道防线,其主要发挥的是“门和栅栏”功能,防止肠腔中的内源性细菌及毒素穿透细胞间隙[11-12]。免疫屏障主要由肠道相关淋巴组织及其分泌的抗体组成,参与细胞免疫应答、防止外来病原体入侵,同时,发挥着监视、非特异性免疫及特异性免疫的重要作用[13-14]。化学屏障即细胞外屏障,主要由胃酸、胆汁、黏多糖、糖蛋白以及各种消化酶、溶菌酶等物质构成,具有抑制细菌在肠黏膜表面黏附的作用,有效降解内毒素分子,减少细菌及毒素对肠道的损伤。肠道菌群在黏膜上皮表面形成了一层抵御病原体的保护屏障即生物屏障,肠道菌群通过增加肠上皮细胞黏液分泌,诱导肠上皮细胞通过发育、更新、增殖和修复等方式抵御病原菌定植入侵,维持正常的肠黏膜屏障功能[15]。

2.2 肠黏膜屏障功能受损机制

肠黏膜屏障功能受多种条件影响,严重感染、烧伤、急性胰腺炎、营养不良、肠梗阻以及肠道缺血再灌注(ischemia reperfusion,IR)损伤等通过各种机制对肠黏膜4种屏障的主要功能造成损害(表1),导致毒物产生和细菌繁殖,出现坏死性小肠结肠炎,严重时诱发全身性炎症反应综合征和多器官功能障碍综合征,最终导致患儿死亡[16]。

表1 肠黏膜屏障功能及受损机制

2.2.1 机械屏障的破坏

CPB时肠黏膜血流量骤降,大量活性氧产生并堆积于肠上皮,破坏肠黏膜表面生物活性物质,导致细胞线粒体损伤、DNA破坏,同时下调紧密连接蛋白表达,影响细胞间紧密连接形成,改变肠黏膜通透性[17]。而CPB手术过程中的心脏复跳也极易引发急性小肠IR损伤[18]。Jin等[19]通过对肠IR损伤肠组织进行观察,发现其绒毛尖上皮细胞和黏膜固有层明显脱落和崩解,紧密相连的结构和腺体明显受损。Deng等[20]基于Tax4Fun分析得出,肠IR会导致一些通路的基因组丰度显著降低,影响代谢产物的生物合成,破坏肠道细胞正常生理功能。肠通透性的改变也使肠道内细菌滞留,无氧酵解产生乳酸等大量酸性物质,破坏肠道表面黏液层,同时使肠腔内的有害细菌、毒素等物质穿透肠黏膜进入血液、组织及器官,引起肠源性感染[21-22]。

2.2.2 免疫屏障的破坏

CPB时肠系膜血管血流及氧气含量减少导致肠道通透性改变,肠腔内的细菌及病毒进入肠道组织,激活肠道固有免疫系统细胞上的基底外侧模式识别受体,从而激活核因子-κB 信号通路,触发炎症级联反应,释放大量炎症因子如肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)、白细胞介素(interleukin,IL)和氧自由基等,引起肠道炎症性疾病并进一步加重肠道缺氧,造成恶性循环[23]。同时在CPB过程中,血液成分与CPB装置 (如导管、充氧器、储液器和动脉滤过器)的非生理表面的相互作用诱导了多种病理生理反应,包括纤维蛋白溶解、补体激活、炎症细胞因子释放、凝血酶和缓激肽释放以及白细胞、血小板和内皮细胞活化,由此引起的全身炎症反应,最终导致肠屏障功能受损,诱发脓毒血症[24]。

2.2.3 化学屏障的破坏

CPB时,体温降低导致肠道内病原体发生变化,大量病原体通过产生一种丝氨酸蛋白酶破坏糖蛋白,穿透黏液屏障,并且通过激活TNF-α和IL-1β参与炎症性疾病,促进黏蛋白的形成。CD4+辅助细胞亚型之一的Th2细胞因子通过与IL-4受体结合上调黏液蛋白MUC2和黏液蛋白MUC5AC的黏蛋白基因表达,使杯状细胞的内质网应激产生未成熟的黏蛋白,成熟的黏蛋白产生减少,保护功能减退[25]。同时肠道炎症环境引起杯状细胞数量减少、分泌功能减弱,黏液层的化学屏障功能进而减弱。微生物也参与了保护黏液层稳态,当微生物群受到破坏时,黏液蛋白MUC2发生改变,使黏液蛋白MUC5AC的保护功能减弱,黏液层变薄,病毒及其他病原体容易进入,导致肠道炎症的产生[26]。

2.2.4 生物屏障的破坏

CHD患儿原本肠道菌群环境不平稳,加之手术中降温及CPB时IR的影响,正常菌群的数量进一步减少,导致短链脂肪酸的生成减少,不可消化的碳水化合物增多,影响结肠上皮细胞生长和分化[27]。Salomon等[3]研究发现CPB术后肠道菌群的丰富度和alpha多样性下降,促炎细菌如变形菌门属(proteobacteria)较术前明显增加,对肠道有益细菌例如拟杆菌(bacteroidetes)及厚壁菌(firmicutes)明显减少。由于CPB手术创伤大,术后广谱抗生素的应用也是导致肠道生物屏障破坏的原因之一,术后长时间抗生素的使用促进耐药致病菌的产生,导致菌群失调。有研究[28]发现,心脏手术后某些真菌感染可产生降解IgA的蛋白酶,降低肠道免疫功能,破坏正常菌群与宿主间的生态平衡,细菌出现易位,使得正常菌群中某些细菌成为机会性致病菌,形成生态失调而导致疾病的发生。

3 CPB患儿肠道功能损伤的预防及治疗

3.1 肠黏膜IR防治

合理有效地使用血管活性药物,减少其长时间大剂量使用,避免肠道血管过度收缩引起肠道缺血缺氧是改善肠道缺血的关键[29]。此外,缩短手术时间、CPB及主动脉阻断时间,可有效降低术中和术后输血的需求,降低二次手术率,减少不良事件发生[30]。Lin等[31]研究发现,安五脂素等植物制剂可改善IR诱导的大鼠空肠组织损伤,其机制可能与激活磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B通路,进而调控核转录因子红系2相关因子2/抗氧化反应元件信号通路及凋亡相关蛋白的表达以及发挥抗氧化和抗凋亡作用有关,其可显著提高肠系膜血液微循环流速,明显改善肠IR损伤。有研究[32]发现,富氢生理盐水通过维持肠黏膜屏障紧密连接蛋白的表达及调节抗菌肽α-防御素和溶菌酶的分泌减轻大鼠小肠IR损伤。小肠发生IR时细胞内ATP生成不足,可引发能量代谢障碍,肌酸是磷酸肌酸的前体,可保护肠道在CPB期间免受低氧及缺血造成的损伤,补充肌酸可为肠道补充一定的ATP,保护肠道上皮,维持肠屏障的完整性[33]。同时,加强患儿术前凝血功能、心电图等检查,采用合理的抗凝策略及严格的手术和CPB转机操作可有效预防血栓的形成和栓塞的发生,减少术后由微栓导致的闭塞性肠系膜缺血。一旦发现肠道微循环栓塞形成,应立即行对症治疗,严重时行剖腹探查[29]。对确诊有低灌注引起的急性非闭塞性肠系膜缺血的患者应尽可能纠正根本病因,并改善肠系膜灌注,尽快使用罂粟碱及前列腺素减轻肠系膜血管痉挛,有效改善组织灌注并增加肠道存活率,当发现肠道出现坏死应及时手术切除[34]。

3.2 抑制肠道炎症反应

麻醉药物如瑞芬太尼、乌司他丁、右美托咪定等,可通过多种机制减少大量炎症因子及氧自由基的释放,从而保护肠屏障功能。瑞芬太尼可能通过激活p38MAPK通路,增强蛋白二硫化物异构酶A3介导的抗氧化和抗内质网应激来减少相关细胞凋亡,减少炎症因子的释放,保护小肠免受肠IR损伤[35]。Li等[36]研究发现,脓毒症大鼠小肠黏膜屏障功能障碍、黏膜通透性增加,紧密连接蛋白表达减弱,核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)炎症小体表达增加,上游分子核因子-κB p65被活化,通过乌司他丁干预后肠道病理Chiu评分及血清TNF-α、IL-1β和肠型脂肪酸结合蛋白水平明显降低,组织损伤得到明显缓解。Zhang等[37]研究发现,右美托咪定通过抑制NLRP3炎症小体途径降低脂多糖诱导的小鼠肠道炎症指标及氧化应激指标,从而减轻小鼠肠道屏障损伤。有研究[38]发现,人参、黄芪、柴胡等草本植物中的主要成分皂苷可通过Wnt/β-catenin信号通路抑制肠道炎症,降低小肠结肠炎的发生率。

3.3 肠道菌群调节

益生菌在当前的临床实践中应用十分广泛,尤其对于儿童胃肠疾病,益生菌可有效改善肠道菌群分布,降低炎症反应,修复受损细胞[39]。肠道有益细菌例如双歧杆菌、乳杆菌等可通过模式识别受体上调细胞因子胸腺基质淋巴生成素、转化生长因子-β和IL-25等,调节肠上皮细胞IgA和抗菌肽的分泌,以维持肠道内环境稳态[40]。研究人员[41]通过对C57小鼠进行肠IR造模后将其分为肠缺血敏感组(Sen)和肠缺血耐受组(Res),Res组鼠乳杆菌在物种水平上的相对丰度显著高于Sen组,其ZO-1、Occludin的 mRNA和蛋白水平显著升高,肠道通透性降低,并且通过Toll样受体2促进巨噬细胞释放IL-10以减轻肠道IR损伤,保护肠黏膜屏障。研究[15,42]发现,粪菌移植可增加C57小鼠脓毒症后肠黏液层厚度,并可增加肠MUC2蛋白的表达水平,粪菌移植后肠道Occludin和ZO-1蛋白表达也相对较高。

CHD手术治疗中大多会使用抗生素,其在治疗炎症的同时也破坏了原有肠道菌群,肠道微生物群的数量和多样性减少,短链脂肪酸的生成减少,进一步导致肠黏膜损伤,造成营养物质吸收障碍,引起抗生素相关性腹泻[43]。 双歧杆菌治疗抗生素相关性小儿腹泻的临床疗效可观,其可显著提高超氧化物歧化酶水平,进而对氧自由基进行有效清除,实现抗氧化应激的效果,对肠道黏膜功能进行有效保护,使肠道菌群更稳定,有效缩短患儿腹泻持续时间和住院时间,明显改善患儿免疫功能[44-45]。

4 小结

综上所述,部分CHD患儿由于本身的血流分布异常以及CPB的低灌注,使其肠道处于缺血缺氧状态,通过影响肠道黏膜相关蛋白、肠道相关淋巴组织、肠道黏液构成及肠道菌群组成破坏肠道屏障,造成术后肠道不良反应,同时使内毒素及细菌通过肠道屏障进入血液中,增加了脓毒血症的发生,引起全身性炎症反应综合征,最终影响患儿预后。因此,需特别关注患儿CPB围手术期肠道功能变化,通过合理使用血管活性药物、减少CPB时间、抑制炎症反应、调节肠道菌群及减少抗生素使用等措施保护肠黏膜及减少氧化应激反应,促进肠黏膜屏障功能恢复,减少肠道功能紊乱的发生,促进CHD患儿的术后恢复。