体外循环相关肺损伤的发生机制与对策.

1、体外循环相关肺损伤的发生机制与对策毕业论文早年体外循环( cardiopulmonary bypass,CPB )成为心内直视手术的 有用方法时，人们主要关注的只是它的机械辅助作用。直至50 年代后期，人们才逐渐认识到体外循环对机体的影响。在 80 年代早期， Kirklin 提出 1 个全新 的概念体外循环诱发的全身性炎症反应综合征( systemic inflammatory responsesyndrome,SIRS )，类似创伤部位的局部炎症。体外循环心肺转流术 由于手术创伤，血液与体外循环管道的接触以及停止循环后的缺血再灌注损伤 可以引起复杂的全身炎症反应，表现为发热、白细胞增多、毛

2、细血管通透性增 加、组织间隙液体的积聚等，严重时导致多器官功能不全，CPB 介导的全身炎症反应可涉及各个器官，是肺损伤的关键。由于 CPB 是 1 种非生理性的循环方式，血液与异物表面接触及由此触发 CPB 相关的炎症反应普遍存在，虽对肺的 损伤作用仅表现为 1 些亚临床性损伤， 1 般并不引起严重的后果，但有些病情 发展呈急进性且难以预测，在病理和临床上类似急性呼吸窘迫综合症( acute respiratory distresssyndrome,ARDS),发生率高达 15%-30% 因此 CPB 相关的急性肺损伤逐渐引起人们的重视。 1 机制 1 1 体外循环中体液介质的变化 与肺损伤

3、1.1.1 补体系统(Complement System) CPB 时最早受到影响的是 补体系统。CPB主要通过补体的旁路途径激活补体，产生过敏毒素 C3a 和 C5a ，旁路途径主要发生于补体被非生物材料的激活，因为它的激活不需要特 异抗体。而经典途径是由 C1 与抗原抗体复合物相互作用所诱发，在 1 些情况 下也可以与其它的激活因子相互作用，包括细菌及病毒表面及肝素鱼精蛋白 复合体等，少量的 C3a 也可以由纤溶蛋白酶和激肽释放酶诱导而产生，同时手 术本身也可以激活补体。CPB 开始后 C3a 迅速升高，于 CPB 吉束时达到高峰，术后 48hr，C3a 恢复到 CPB 前的水平，术后心肺

4、功能不全、肾衰和出血倾向都 与 CPB 后 C3a 的水平有关。补体引起肺损伤是通过刺激肥大细胞和嗜碱性粒 细胞释放组胺，收缩肺血管平滑肌，并使毛细血管通透性增加，使肺部白细 胞聚集，刺激中性粒细胞趋化脱颗粒，并在细胞表面表达粘附分子CD11b/CD18 这些粘附分子可以和内皮细胞表面的 ICAM-1 结合，激活内皮细 胞，造成可怕的细胞损伤，使内皮细胞表面表达选择素P,促使中性粒细胞粘附，激活中性粒细胞释放多种细胞因子和炎性介质，激活血小板和单核 细胞系统。临床研究发现，CPE 时间长短和 C3a 升高的水平与 CPB 后肺功能失 调密切相关，因此 C3a 和 C5a 在 CPB 相关的 A

5、LI 中起重要作用，不同类型的氧 合器对补体系统的影响目前尚无定论。 1 . 1. 2 凝血、纤溶和激肽系统( Coagulation , Fibrinolysis and Kinin system) 由于血液与体外循环管道的接触而激活因子 XII ，发动内源性凝血途径。同时，由于低氧、细胞因 子、补体C5a 和内毒素使内皮细胞活化并表达组织因子而发动外源性凝血途 径，产生凝血酶( thrombin )。 XIIa 因子可以刺激中性粒细胞聚集和释放弹力 酶，并产生激肽释放酶诱导中性粒细胞趋化、聚积和脱颗粒，同时激肽释放酶 可以通过正反馈使 XIIa 诱导产生缓激肽， 引起血管扩张和增加血管的通

6、透性。凝血酶在使血小板及内皮细胞释放 VonWillebrands 因子和选择素 P 的同时还使内皮细胞释放组织纤溶酶原激活剂( t-PA ) , 激活纤溶系统。纤维蛋白纤维 蛋白原降解产物可以破坏纤维蛋白的合成和血小板的功能，裂解单层内皮细 胞。总之，这些因素可以导致毛细血管的损伤、血管内液体的外渗和止血功能 的紊乱。但凝血、纤溶和激肽系统的激活对 CPB 相关肺损伤的直接作用尚未证 实。 1 13 内毒素( Endotoxin )和细胞因子( Cytokines ) 内毒素和细胞 因子在 ARDS 勺发生机制上占重要地位。内毒素是革兰氏阴性细菌细胞壁上的脂 多糖，它能激活凝血和补体系统，诱

7、导中性粒细胞内呼吸爆发，增加血管内皮 细胞的粘附性。CPB 寸，血液中出现内毒素可能是 CPB 管道或静脉输液系统的 液体被污染，但主要是因体外循环机的非波动性血流造成内脏的低灌注和缺 血，肠粘膜通透性增高，肠道内细菌移位的结果，尤其当主动脉开放后，血中 内毒素可明显升高。细胞因子在 ARDS 勺发病机制中起重要作用。大多数细胞因子是促进炎症反应的，另 1 些细胞因子是抑制炎症反映的，存在着 1 个复杂 的反馈系统来限制炎症反应的程度和范围，如果细胞因子的水平过高，可能引 起过度的全身炎症反映，导致机体的继发损伤。CPB 开始时细胞因子的释放就开始增加，并随 CPB 和主动脉阻断时间的延长不断

8、升高。释放细胞因子是单核 细胞、巨噬细胞及血管内皮细胞等对补体激活、缺血再灌注损伤、内毒素释 放的 1 种反应。心脏 CPB 手术所致的全身炎症反应过程中释放的多种细胞因子 可激活内皮细胞，增加粘附分子的表达，促进内皮细胞与活化的中性粒细胞间 的粘附作用，从而导致 CPB 术后多种并发症的发生。目前 CPB 中能检测到的主 要有 TNF-a、IL-1 , IL-6, IL-8, IL-10等。 肿瘤坏死因子a(Tumor Necrosis Factora, TNF-a)是巨噬细胞和其它促炎细胞激活后释放的最早 在血流中检测到的细胞因子，在炎症中起重要作用。 TNF-B由淋巴细胞产生并刺激中性粒

9、细胞巨噬化。TNF 是 CPB 诱发炎症反应和肺损伤的重要因素，起引 导者的作用。它可以引起机体内 1 系列病理反应，包括：诱导中性粒细胞呼 吸爆发，表达粘附分子，促进其在血管内皮上粘附，导致内皮细胞功能减 退，增加血管通透性，降低循环阻力，增加巨噬细胞的吞噬功能，抑制心 肌细胞，刺激多种其他细胞因子的生成和释放，诱导肝急性期蛋白的合 成。 白细胞介素家族类( Interleukins ，ILs )是另外 1 类细胞因子，能易化 白细胞之间 / 之内的信号传递，并具有控制机体炎症反应的类似调节蛋白的功 能，在炎症反应中较为重要。 IL-1 在白细胞介素中具有中心地位，是感染和多 系统器官衰竭的

10、重要因子。 IL-1 的作用与 TNF-a相似，使中性粒细胞粘附于 血管内皮，激活中性粒细胞释放弹性蛋白酶和氧自由基等，造成组织和器官损 伤。 IL-1 还能诱导单核细胞产生 IL-6 。 IL-6 是组织损伤的早期敏感指标，由单核细胞、内皮细胞、巨噬细胞、淋巴细胞、成纤维细胞、角化细胞和平滑肌 细胞受到 TNF-a、内毒素，特别是 IL-1 的刺激后产生。血浆 IL-6 水平与手术 和体外循环炎症反应导致的组织损伤的严重程度有密切关系，还与室壁运动异 常和术后心肌缺血具有相关关系。 IL-8 由单核细胞、内皮细胞、肺泡巨噬细胞 和成纤维细胞产生，同样是这些细胞受到 TNF-a、 IL-1 和

11、内毒素的刺激后产生 的。 IL-8 是典型的炎症介质，是中性粒细胞的主要趋化因子，具有有力的化学 吸引能力，可导致中性粒细胞粘附与内皮细胞所必需的中性粒细胞粘附分子 CD11b/CD18 勺表达上调，并刺激中性粒细胞脱颗粒释放蛋白溶解酶和产生有害 的氧自由基，导致内皮细胞和周围组织的损伤。 IL-10由淋巴细胞、单核细 胞、肿瘤 B 细胞和枯否氏细胞产生，是近年来发现的 1 种抗炎白细胞介素，可 调节多种细胞的功能。 IL-10 对血液中单核细胞和结缔组织细胞具有调节功能，它可刺激 T 细胞产生 IL-1 受体拮抗物和抑制 IL-6 和 IL-8 的合成, 抑制细 胞间粘附分子的表达，减少白细

12、胞内皮粘附，减轻肺的再灌注损伤。CPB 中,血浆 IL-10 水平几乎与 TNF-a、IL-6 和 IL-8 的水平平行或略滞后出现，表现 出机体自身对炎症反应的自我调控。这几种细胞因子相互作用，在CPB 相关的肺损伤中起作用。 $False$1. 1. 4 蛋白酶(Protease ) 蛋白酶在 ARDS 勺发病机制中的作用正 逐渐被重识， 与 CPB 有关的主要是弹性蛋白酶， 它来源于中性粒细胞和巨噬细 胞的裂解释放，血浆中的弹性蛋白酶在 CPB 开始后逐渐升高，术后达到高峰。 在肺的再灌注期间，左房血中的测定值比右房高，提示在肺缺血期内肺内中性 粒细胞的聚集和弹性蛋白酶的释放增多，进而引

13、起肺损伤。 1 . 2 体外循环时 中性粒细胞、血小板及内皮细胞与肺损伤 1 . 2. 1 中性粒细胞( Neutrophil ) 中性粒细胞激活后在肺微循环内扣留、聚集，继之与血管内皮细胞粘附，通过 释放炎症因子和产生氧自由基而引起 ALI。中性粒细胞的激活是炎性诱导损伤 的中心环节。生理状态下，大约 1 半的中性粒细胞粘附在血管壁上，在 CPB 下 这些细胞被活化的补体、内毒素和某些细胞因子迅速被激活，进入血液循环。 这样活化的中性粒细胞可以与内皮细胞相互作用，经过粘附分子家族中的选择 素、粘合素及免疫球蛋白超家族的作用，增强了中性粒细胞与血管内皮细胞的 粘附和导致中性粒细胞在肺内的隔离。

14、此外，粘附的中性粒细胞可被细胞因子 如 IL-8 进1 步活化，穿过内皮细胞，释放蛋白酶(弹性蛋白酶和金属蛋白 酶)、组织蛋白酶 G 溶菌酶和髓过氧化物酶等，同时， TNF-a、IL-1 和干扰 素丫可改变蛋白溶解酶和内皮细胞产生的抗蛋白溶解酶的平衡，促使基底膜蛋 白的降解，使得中性粒细胞能够穿过内皮细胞基底膜，接近血管外空间，损伤 内皮细胞和内皮下基质导致肺组织损伤。另外由于心肺等器官的缺血-再灌注损伤，再灌注的组织重新获得氧供应，激活的中性粒细胞耗氧量显著增加，产生 大量氧自由基如超氧阴离子、羟自由基等，使细胞膜产生脂质过氧化反应，引 起膜的结构破坏 42 和通透性增加，导致术后肺水肿，影

15、响肺氧合功能。清除 循环中的白细胞可明显减轻术后肺损伤 45 。 1 . 2. 2 血小板( Platelet ) CPB 时血小板被激活，其变化规律与中性粒细胞相似，在CPB 开始后血小板数迅速下降，并逐渐在肺内聚集，血小板聚集可释放血栓素等介质造成肺损伤。 CPB 中血小板可以沉积在肺毛细血管中，Ste in berg 等发现在严重的肺损伤的病 人中，肺部毛细血管可以发现血小板的隔离现象，这些血小板可以引起内皮细 胞的损伤和通过分泌细胞毒素来引起肺组织水肿。 Fessatidis 等给狗行体外循 环时，用血小板聚集抑制剂前列环素可以保持血小板的数量，减轻血小板的聚 集，减少因纤维蛋白、白细

16、胞及血小板微聚引起的肺小动脉的阻塞。但是，在 CPB 中血小板聚集对肺损伤的精确病理生理的重要性目前还不太清楚。1. 2. 3 内皮细胞( Endothelial Cell ) 体外循环中在补体、细胞因子、内毒 素、缺血再灌注和中性粒细胞的刺激下，处于稳定状态的内皮细胞被激活， 这些炎症介质结合在血管内皮细胞的特异受体上，通过多种第 2 信使系统激活 细胞核内特定的基因，途径核因子 -kappa B (Nuclear Factor-kappa B ， NF-KB)发挥作用，合成和分泌各种血浆分子。内皮细胞损伤的标记物一血浆中Von Willebrand 因子，在行心脏手术的病人中升高。激活的单

17、核细胞和内皮细 胞产生的 IL-8 水平在 CPB 后也显著升高。另外，活化的内皮细胞分泌的花生4烯酸代谢产物血栓素，引起血管收缩，抑制血栓素的合成可以减轻因CPB 引起的肺损伤。最近，关于肺损伤可能的标记物 1 氧化氮( Nitrogen monoxide ，NO 已引起人们的关注，内皮细胞通过分泌 NO 可以发挥保护性作用，抑制白细 胞内皮细胞的粘附，减少血管的张力，同时又有自由基清除作用。在再灌注 损伤的早期NO 释放减少，用 NO 气体吸入可以减轻动物缺血一再灌注损伤模型 中中性粒细胞的渗透作用，Rich 等给病人吸入 NO 可以改善体外循环术后的肺 功能。 1 3 体外循环中氧自由基

18、的改变与肺缺血 -再灌注损伤 肺缺血再灌 注可导致肺血管损伤、肺微血管通透性增加。研究发现，在开放升主动脉后能 测出血浆中脂质过氧化物的增加，CPB吉束时也可测出过氧化氢的浓度升高， 提示 CPB 过程中有氧自由基产生。CPE 期间，在缺血状态下，咼能嘌呤核苷酸 形成次黄嘌呤，到再灌注期，聚集的次黄嘌呤在有氧条件下通过肺内皮中的黄 嘌呤氧化酶的作用而形成有毒性的氧自由基。生成的自由基可促进钙超载，胞 浆内游离的钙增加又加速自由基的产生，引起细胞内线粒体、内质网水肿，细 胞代谢失调，氧自由基能直接破坏组织细胞的脂质和核酸，使细胞表面蛋白质 产生变形，从而导致 ALI。1 . 4 核因子-Kapp

19、a B (NF-KB)与肺损伤 NF-KB是 1 种重要的转录因子复合体，普遍存在于细胞内，进入细胞核与同源DNA吉合区作用，通过激活细胞因子级链式反应，启动许多具组织营养功能的前炎 性基因的转录。通常抑制性分子-KB (IKB)在细胞中与 NF-KB 组成异 2 聚 体，抑制基因的转录，当细胞因子、脂多糖或低氧刺激，使NF-KB IKB 复合体磷酸化，1 旦裂解，IKB 迅速降解，同时，NF-KB 在核内聚集，导致活化基 因转录的开始，合成并释放 TNF 粒细胞集落刺激因子(G-CSF、白介素家 族、干扰素B(INF-B)、粘附分子(E-选择素等)等，引起内皮和组织的损 伤。近年研究发现与

20、CPB 相关的肺损伤中，CPB 组肺巨噬细胞及肺组织内 NF-KB 的活性明显增强，表明NF-KB 的活化与 CPB 市损伤有关。NF-KB 活化在 CPB 肺损伤中的作用可能为：CPB 时补体激活，产生前炎因子 TNF-a，激活 NF-kB。活化的NF-KB 可促进炎症因子的过度表达，导致最初炎症信号的进1 步扩大，从而损伤肺组织。至于抑制NF-KB 的活化是否有助于减轻 CPB 相关的肺 损伤，尚待进 1 步研究。2 防治进展 目前对 CPB 相关急性肺损伤的发病机制 已取得了 1 定的了解，但由于 CPB 中引起急性肺损伤的机制极其复杂，是多因 素、多环节的，不存在引起肺血管损伤，通透性

21、增加的共同通路，所以目前尚 无特效的治疗方案，仅根据其发病机制提出 1 些预防和治疗措施。 2 1 体外 循环系统的改进与肺保护 211体外循环管道的肝素化 (Heparin - coated circuit) 肝素吉合的体外循环管路能改善其与血液的生物相容性，减少血液与 异物表面引起的炎症反应。 War 等发现，在接受心脏或心肺移植的病人，在主 动脉阻断 1 小时后，使用肝素吉合的体外循环管路比不使用者，其血浆 IL-6 、 IL-8 及 IL-10 水平明显降低。 Rarucci 等进行的临床研究揭示，术前肺功能正 常的冠脉搭桥病人，使用肝素吉合的体外循环管道比不使用者，其术后肺内分 流、

22、呼吸指数都明显降低。但是也有研究表明肝素化的管道对补体系统以及细 胞因子的产生没有影响 46 。 212 白细胞滤器 (Neutrophil Filter) 白 细胞在 CPB相关的肺损伤中起重要作用，用白细胞滤器去除血液中的白细胞从 理论上讲应对体外循环中的肺保护有益。动物实验发现应用白细胞滤器能减少 CPB 中自由基的产生，改善术后肺功能。 Gu 等在 CPB 中用白细胞滤器将体外循 环机剩下的白细胞滤出，可以明显改善肺的气体交换功能，同时对易感染者是 安全的。但有人报道 1 旦停用滤除器 ,循环内的白细胞数量在很短的时间内恢复 , 因此白细胞滤器的临床效果尚不肯定。213 膜肺( Mem

23、brare oxygeratior ) 膜式氧合器比鼓泡式氧合器 生物相容性高，体内激活作用轻微 , 能减少体外循环中微粒形成和血液破坏， 对CPB 相关的肺部并发症有 1 定的预防作用。 Gillinov 等比较了两种氧合器对 粘附分子的影响，发现使用膜式氧合器组循环中可溶性细胞间粘附分子 1（ICAM-1）几乎没有明显变化，而鼓泡式氧合器组 CPB 后可溶性 ICAM-1 明显升 高，但是 CD11b/CD18 表达、补体激活及弹性蛋白酶在两组间差别无显著性。故 目前很多临床研究没能证实膜肺对肺保护有明显的优点。 2. 2 体外循环技术 的改进与肺保护 最近， Mendler 等在体外循环动物模型中不使用人工氧合器而 用双心室转流自体肺氧合的方法与加用膜肺的传统的心肺转流术相比较，结果 发现其术后肺血管阻力、肺血管外水、肺顺应性等肺功能参数指标都明显改 善，提示此方法对术后肺功能有较好的保护作用， Richter 等在临床上也证实 了此点。 Suzuki 等在体外循环中加用肺动脉插管用氧合血对肺进行持续灌注， 结果发现，与对照组相比，灌注组病人术后氧合指数明显增高而术后气管插管 置管时间明显缩短，肺内皮中性粒细胞聚集也明显减少，说明对肺有保护作 用。另外运用缺血