基于白蛋白透析的非生物型人工肝支持系统研究进展

蔡少如, 古明子, 张琳雅, 傅裕, 冯磊

(南方医科大学 珠江医院 肝胆二科,广东 广州 510282)

目前人工肝支持系统主要分为3大类,即:非生物型人工肝支持系统(non-biological artificial liver support system,NBALSS),生物型人工肝支持系统(bio-artificial liver support system,BALSS) 和混合型人工肝支持系统(hybrid artificial liver support system,HALSS)[2,5]。

NBALSS是指通过体外物理和化学方法构成的支持系统,能够部分替代肝脏的解毒功能,治疗模式主要包括血浆置换(plasma exchange,PE)、血液透析(hemodialysis,HD)、血浆灌流(plasma perfusion,PP)、血液滤过(hemofiltration,HF)、白蛋白透析等[2-3]。NBALSS是目前临床上ALF桥接治疗的主要手段,能有效净化肝衰竭病程中产生的白蛋白结合毒素和炎症因子等[6-7]。不同的NBALSS治疗模式净化不同分子量的物质的能力具有较大差异。现有研究表明,运用单一NBALSS模式并不能明显改善ALF或慢加急性肝衰竭(acute-on-chronic liver failure,ACLF)患者的预后。

BALSS具有全面代替肝脏解毒、代谢、生物合成等功能的特点,其最核心的构成部分是生物反应器和种子细胞[8]。理论上BALSS是最接近正常肝脏的人工肝支持系统,目前已报道的BALSS主要有HepatAssist、extracorporeal liver assist device(ELAD)、academic medical center bioartificial liver(AMC-BAL)、modular extracorporeal liver support(MELS)、bioartificial liver support system(BLSS)等[3]。尽管部分BALSS已开展了Ⅲ期临床试验,但都未达到预期效果。

HALSS结合了NBALSS和BALSS的优势,能更好地发挥代替肝脏解毒、代谢、生物合成等功能[9],具有巨大的治疗潜力。

白蛋白由肝脏合成分泌,它在血浆中的半衰期约为17 d,是血浆中最丰富的蛋白质,占血浆总蛋白质的50%。其能够维持血浆胶体渗透压,结合运输相关物质(胆红素、脂肪酸和药物等),降低氧化应激和炎症因子,调节免疫细胞信号传导[10]。ALF患者,由于肝脏功能受损,其白蛋白合成功能下降,结合毒素转运受阻,这会引起多器官功能异常。白蛋白透析通过透析膜两侧的白蛋白竞争性结合蛋白结合毒素,从而能有效地清除硫醇、γ-氨基丁酸、游离脂肪酸等毒素[11]。

近年来,通过组合单纯血浆滤过、灌流和白蛋白透析,非生物型人工肝支持系统变得更加丰富。这些组合根据系统中利用的白蛋白不同,又被分为内源性白蛋白透析系统和外源性白蛋白透析系统。内源性白蛋白透析系统是指通过成分血浆分离器分离血浆,利用内生性白蛋白清除蛋白结合毒素和/或水溶性毒素的系统(图1、表1),主要包括生物透析吸附血浆滤过治疗(biologic-detoxifier and plasma filter,biologic-DTPF)系统、成分血浆分离吸附联合血液透析(fractionated plasma separation and adsorption,FPSA,又称Promethus)系统、配对血浆滤过吸附(coupled plasma filtration adsorption, CPFA)系统、血浆滤过吸附透析(plasma filtration adsorption dialysis, PFAD)系统和李氏非生物型人工肝支持系统(Li’s artificial liver system, Li-ALS);外源性白蛋白透析系统是指利用外源性白蛋白通过透析膜竞争性结合蛋白结合毒素,去除蛋白结合毒素和水溶性毒素的系统(图2、表2),主要包括白蛋白分子吸附再循环系统(molecular adsorbents recirculating system,MARS)、单向白蛋白透析(single-pass albumin dialysis,SPAD)系统、连续白蛋白净化系统(continuous albumin purification system,CAPS)和高级器官支持系统(ADVanced organ support system,ADVOS)[5, 12]。这些组合系统的研发对血液净化技术与人工肝的发展具有巨大的推动作用。本研究主要综述白蛋白透析的非生物人工肝支持系统的研究进展,以期为人工肝的研发提供借鉴,并展望未来人工肝的发展方向。

表1 内源性白蛋白透析系统相关原理、特点等的比较Table 1 Comparison of the relevant principle and characteristic of endogenous albumin dialysis system

表2 外源性白蛋白透析系统相关原理、特点等的比较Table 2 Comparison of the relevant principles and characteristics of exogenous albumin dialysis system

A:生物透析吸附血浆滤过治疗系统;B:普罗米修斯系统;C:配对血浆滤过吸附系统;D:血浆滤过吸附透析系统;E:李氏非生物型人工肝支持系统。A: Biologic-DTPF system;B:Prometheus system;C: Coupled plasma filtration adsorption system; D: Plasma filtration adsorption dialysis system; E: Li’s artificial liver system.图1 内源性白蛋白透析系统模式图Figure 1 Schematic of the endogenous albumin dialysis system

A:分子吸附再循环系统;B:单向白蛋白透析系统;C:连续白蛋白净化系统;D:高级器官支持系统。A: Molecular adsorbents recirculating system; B: Single-pass albumin dialysis system; C: Continuous albumin purification system; D: ADVanced organ support system.图2 外源性白蛋白透析系统模式图Figure 2 Schematic of the exogenous albumin dialysis system

1 内源性白蛋白透析系统

1.1 生物透析吸附血浆滤过治疗(biologic-DTPF)系统

biologic-DTPF系统是biologic-DT系统联合血浆分离(再吸附)的改良系统,清除蛋白结合毒素的能力较强。biologic-DTPF系统由Steczko等[13]开发,是最早应用于临床的具有不同净化模式的NBALSS。biologic-DTPF系统可通过透析作用和吸附剂过滤清除大部分的毒性物质,其最重要的一个特点是吸附剂呈悬液状,这极大提高了吸附表面积,因此具有显著的吸附能力。但在biologic-DTPF系统治疗过程中,吸附剂可能激活血小板,导致凝血功能异常,目前极少应用于临床。

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1.2 成分血浆分离吸附联合血液透析(Prometheus)系统

Prometheus系统主要由聚砜膜透析器(截留相对分子量250 000～300 000)、吸附系统和常规血液透析系统组成,该聚砜透析膜可以将血液中90%的白蛋白分离出来,分离出来的成分血浆首先通过吸附系统以净化蛋白结合毒素(大分子物质),然后通过高通量血液透析系统以清除水溶性毒素[14]。Prometheus系统利用的是患者的内源性白蛋白,而不是MARS系统所用的外源性白蛋白,这会导致患者自身的白蛋白水平下降;Prometheus系统的另一个缺点是其将高通量透析器与患者的血液一起放置在白蛋白循环中,成分血浆经过吸附柱时进行的是非选择性吸附,即在清除毒素的同时也会清除血浆中的正常蛋白,如C蛋白,从而会导致体外循环凝血的风险增加。

Grodzicki等[15]对114例患者进行了278次Prometheus系统透析治疗,每次治疗持续约6 h,发现Prometheus系统能够降低相关细胞炎症因子水平,对ALF患者的肝功能具有显著改善作用,并且其允许对患者的体温进行调节,这在其他人工肝系统中是无法实现的。Kribben等[16]进行了一项多中心随机对照研究,发现在患者28 d和90 d存活率方面,Prometheus系统并未产生统计学影响,但分层分析结果显示,其可显著提高MELD评分>30分的患者的90 d存活率。关于SPAD系统和Prometheus救治酒精性肝硬化/酒精性肝炎的回顾性研究系统显示,对于修正的MELD UNOS评分在18～30分的继发于酒精性肝硬化/酒精性肝炎的患者,这两个系统均具有显著的效果[17]。

1.3 配对血浆滤过吸附(CPFA)系统

CPFA系统是一种血浆过滤吸附与血液透析相结合的解毒系统,系统的第1部分可以被认为是一个“闭环”,闭环中的树脂吸附柱对许多细胞因子、介质和毒素具有高亲和力,血浆过滤器分离的血浆通过树脂吸附柱后形成的纯化血浆被再返回至患者体内;系统的第2部分,即血液过滤器,其主要功能为滤除未被树脂吸附的剩余毒素或调控血容量[18]。

Tetta等[19]首次使用CPFA系统治疗脓毒症动物模型,发现CPFA系统能吸附过滤大量炎症因子,从而显著改善动物模型的生存率。另一项研究将CPFA系统用于救治腹膜炎导致内毒素血症的实验猪,结果显示CPFA系统并不能改善其内毒素血症的症状,尤其是微循环、内皮损伤等[20]。Garbero等[21]开展了一项多中心随机对照临床研究,发现单次CPFA系统治疗并不能改善感染性休克患者的生存率,但使用CPFA系统进行多次治疗则有助于提高生存率。

目前CPFA系统已经成功应用于肝功能衰竭、脓毒血症、全身炎症综合征等的治疗[21-22]。虽然大量体外试验证实了CPFA系统的安全性与有效性,但其能否改善脓毒血症患者的生存率尚需进一步的研究探讨。并且,该系统中血浆吸附与血浆透析串联,会受限于分浆速率,导致透析效率显著较低。

1.4 血浆滤过吸附透析(PFAD)系统

PFAD 技术基于一种新的净化原理,利用三室透析器通过滤过、吸附及透析3种连续技术的组合来净化患者的血液[23]。这种特殊设计可以去除细胞因子等大分子物质,适用于败血症、ALF、多器官功能障碍综合征(multiple organ dysfunction syndrome,MODS)等疾病的治疗。

PFAD系统首先利用滤过和吸附以清除血浆中的可溶性小分子物质,然后通过白蛋白的净化介质作用来清除蛋白结合毒素和大分子疏水物质,患者的血浆白蛋白既可作为一种介质,又可作为净化的基质。该系统可清除因急性肝功能衰竭产生的大量炎症介质和细胞因子,从而治疗患者的临床症状,提高生存率[24]。但是因该系统结构复杂,操作困难,故尚未见相关临床研究报道。

1.5 李氏非生物型人工肝支持系统(Li-ALS)

Li-ALS是由低流量血浆置换联合血浆循环吸附滤过组合而成的新型NBALSS系统。治疗过程中,血液先经过血浆分离器(OP-02W)进行1 h的低流量血浆置换,再以置换出来的废弃血浆为循环介质,依次经过血浆滤过(BLS-812滤器)、离子交换树脂和活性炭吸附剂,进行5 h的置换,经过处理后的废弃血浆与血液混合再一起返回患者体内。该NBALSS系统能明显降低谷丙转氨酶(alanine aminotrasferase,ALT)、谷草转氨酶(aspartate aminotrasferase,AST)、胆汁酸和血氨水平,促进肝衰竭肝细胞再生,改善肝衰模型猪的生存率[25]。该系统在临床应用时可节省血浆用量,但操作复杂,可能会增加血浆污染的风险。该系统尚未见相关临床应用报道,尚需进一步验证其结果。

2 外源性白蛋白透析系统

2.1 分子吸附再循环系统(MARS)

MARS是由Stange[26]于1999年研发的一种白蛋白分子循环吸附透析系统,主要包含3个循环,即血液循环(流速为150～250 mL/min)、白蛋白分子净化再生循环(质量分数为20%的白蛋白600 mL, 流速为150 mL/min)和透析循环(碳酸氢盐缓冲液,流速为500 mL/min)。

白蛋白分子净化再生循环包括两个循环,一个循环中应用的是不透白蛋白的MARS FLUX透析器,另一个循环中预注有白蛋白溶液。患者血液通过MARS FLUX透析器时,血浆中结合毒素的白蛋白会被透析液吸收分离清除出来。由于膜的孔径大小,相对分子量超过50 000的物质不会被清除。通过第2个循环在持续静脉-静脉血液透析中不断为第1个循环补充净化后的白蛋白。因此,MARS与其他治疗方法相比,其成本更高。患者对MARS的耐受性通常良好,但其也可能会引起血小板和凝血因子下降等现象,这提示弥散性血管内凝血(disseminated intravascular coagulation,DIC)患者或早期DIC患者应禁止使用此系统[27]。

MARS是目前临床应用最广泛的以白蛋白透析为基础的NBALSS系统,但其构造复杂,使用费用高,操作复杂,毒素清除效果受限于活性炭和树脂吸附能力及循环白蛋白溶液[28]。大量多中心随机临床研究证实,MARS治疗能够明显降低患者胆红素和血氨水平,缓解肝性脑病症状,还能够清除肌酐,改善肾功能,从而防止MODS的发生[29-30]。

2.2 单向白蛋白透析系统(SPAD)

SPAD系统最早是由Kreymann等[31]设计的,主要用于清除Wilson病的铜离子,其主要由HF80透析器和白蛋白透析液(白蛋白质量浓度为44 g/L)组成,其原理类似于持续静脉透析滤过。其后,Chawla等[32]将其用于救治高胆红素血症患者,发现SPAD系统能显著降低患者胆红素和血清蛋白结合毒素水平,并且高质量分数蛋白透析液(5%)的效果优于低质量分数的蛋白透析液(1.85%)。

透析液的白蛋白质量分数和流速对SPAD系统的透析效率具有明显影响。有研究对比了SPAD系统在不同质量分数(1%,2%,3%和4%)白蛋白透析液和不同透析液流速下的治疗效果,得出了结论:SPAD系统透析液的最佳白蛋白质量分数为3%,最佳流速为700～1 000 mL/h[33]。

与MARS系统相比,SPAD系统构造更加简单,费用低且操作简便,毒素清除效果不受限于活性炭和胆红素吸附能力及循环白蛋白溶液,可以定量测定清除毒素的量。目前SPAD系统多应用于散在病例,如Wilson病[34]、急性乙肝感染[35]等。最近一项针对MARS系统和SPAD系统的前瞻性、对照、交叉研究显示,MARS系统和SPAD系统均可以降低血浆胆红素水平,但均不能显著改变细胞因子(IL-6和IL-8)水平和肝性脑病症状,另外,SPAD系统还不能明显降低胆汁酸、肌酐和尿素水平[36]。

2.3 连续白蛋白净化系统(CAPS)

CAPS系统是Abe等[37]率先开展的一种与MARS系统工作原理几乎一样的外源性白蛋白透析系统,主要包括血液循环(流速为100 mL/min)、白蛋白分子净化再生循环(质量分数为5%的白蛋白, 流速为100 mL/min)和透析循环(碳酸氢盐缓冲液,流速为500 mL/min),该系统最大的优势是能长时间持续治疗,不受限于胆红素和活性炭吸附柱的吸附能力[12]。CAPS系统在24 h内可以清除包括白蛋白结合毒素在内的许多有毒物质,对脑、肝、肾和心血管功能具有保护作用,且副作用较小。Zhang等[38]利用血浆置换联合连续血浆过滤吸附术挽救了肝移植前肝豆状核变性严重的急性肝衰竭患者,证实了该系统的安全性及有效性,但仍需进行大样本临床研究,以验证其有效性及安全性。

2.4 高级器官支持系统(ADVOS)

ADVOS系统的原型是Hepa Wash系统,其主要包括3个循环:血液循环(流速为225～250 mL/min)、白蛋白透析液循环(质量分数为2%～3%的白蛋白,流速为1 200 mL/min)和蛋白透析液清洗循环(流速为2 L/h)。血液经过透析器时与白蛋白透析液竞争蛋白结合毒素,混有毒素的白蛋白透析液分别进入两个通道,一个通道通过酸化破坏毒素与白蛋白的结合键,从而使毒素释放,然后通过透析清除游离毒素;另一个通道通过碱化破坏毒素与白蛋白的结合键,从而使毒素释放,然后通过透析清除游离毒素;经过酸化和碱化透析的白蛋白透析液最终被混合在一起,酸碱性中和,净化后的白蛋白透析液再次与血液中白蛋白进行竞争性结合毒素,如此重复,可实现白蛋白的重复利用,增强血液净化的效果[39]。

动物实验显示,该系统能明显清除动物体内的水溶性毒素和蛋白结合毒素,但并不能提高其生存率[39]。Al-Chalabi等[40]研究显示,该系统能改善败血症引起的多器官功能障碍动物模型的生存率,明显改善心肺和肝肾功能。初步临床试验显示,该系统具有一定可行性和安全性[41-43],但尚未见多中心随机对照临床试验研究。

3 小结与展望

近几年随着组织材料工程、生物医学工程、类器官技术等多学科的交叉融合,各式新型人工肝支持系统和新方法被构建出来。从单一的非生物或生物模式治疗转变为多种模式联合治疗是目前的研究热点。构建一个能够完全代替肝脏合成、解毒、生物转化、免疫调节的新型组合型生物人工肝是未来人工肝支持系统的发展方向。

作者贡献声明

蔡少如:提出研究思路,整理文献,撰写论文;古明子、张琳雅:文献检索、文献整理;傅裕:文献整理、修改论文;冯磊:提出研究框架及论文框架、作图和修改论文。

利益冲突声明

本研究未受到企业、公司等第三方资助,不存在潜在利益冲突。