胰岛素治疗对体外循环手术患者心功能的作用

【摘要】  目的 探讨胰岛素对体外循环（extracorporeal circulation,ECC）心脏手术患者心功能的作用及其机制。方法 ECC下心脏手术患者按年龄（≥18岁为成人，<18岁为儿童）和是否接受胰岛素治疗分为4组：成人常规治疗组（ART，n=8），成人胰岛素治疗组（AIT，n=8），儿童常规治疗组（CRT，n=8），儿童胰岛素治疗组（CIT，n=8）。分别于术前、麻醉诱导、ECC开始后、ECC结束即刻及ECC结束4 h、12 h、24 h、48 h测定患者血浆胰岛素水平。ECC前和ECC后在右心耳切口缘取心肌，Western blot测定InsRβ、pP38-MAPK、pERK、pJNK、GLUT-4表达。ECC后24 h、48 h、72h经胸超声心动图检测心功能。结果 与ART组和CRT组相比，AIT组和CIT组在ECC术后的左室压力上升最大速率（dp/dtmax）、左心室射血分数（LVEF）和短轴缩短率（FS）明显增加（P<0.05），同时InsR表达、pP38-MAPK表达及GLUT-4表达也显著增加（P<0.05或P<0.01）。结论 胰岛素治疗对心肌有明显的正性变力作用。年龄增长是胰岛素抵抗的影响因素。ERK和pP38的活化受抑制是ECC后心肌胰岛素抵抗的重要环节。ECC刺激及胰岛素对心肌JNK的活化无明显影响。

【关键词】  体外循环 胰岛素治疗 心功 MAPK GLUT

    Abstract: OBJECTIVE   To investigate the effects of insulin therapy on heart function in patients undergoing cardiac surgery with extracorporeal circuation(ECC). METHODS  32 patients were randomly assigned to 4 groups according to the age (adult≥18y, child<18y) and whether recieving insulin therapy: adult routine therapy (ART) group, adult insulin therapy (AIT) group, child routine therapy (CRT) group and child insulin therapy (CIT) group. Levels of insulin in all the groups were respectively measured before surgical anesthesia, 0 h after the initiation of ECC,and 0,4  h,12  h，24  h，48 h after the termination of ECC.Used western blot analysis to examine InsRβ,pP38-MAPK,pERK,pJNK and GLUT-4 expression in cardiomyocytes pro- and post-ECC. RESULTS  Compared with ART and CRT groups,  dp/dtmax,LVEF and FS were higher in AIT and CIT groups (P＜0.05). After insulin therapy,InsRβ expression in cardiomyocytes was significantly higher post-ECC(compared with ART and CRT groups，P<0.05).Compared with ART and CRT groups,post-ECC pP38-MAPK expression levels were higher in AIT and CIT groups (P＜0.05).GLUT-4 expression in cardiomyocytes was increased post-ECC in AIT and CIT groups (compared with ART and CIT groups,P<0.05 or P<0.01). CONCLUSION  Insulin therapy has positive inotropic action on myocardial. Ageing is a reason of insulin resistance.ERK and p38  activation inhibition are the key of insulin resistance post-ECC.JNK activation is no association with insulin and ECC.

    Key words：  Extracorporeal circulation; Insulin therapy; Heart function; MAKP; GLUT

    应激性高血糖在体外循环（extracorporeal circulation,ECC）心脏手术后患者中十分普遍［1］。应激性高血糖的胰岛素治疗可明显降低危重患者临床相关并发症的发生率和病死率，改善患者预后［2-3］，其确切机制有待阐明。本实验从患者心脏手术开始即控制血糖水平直至术后转出ICU，观察胰岛素治疗对心功能的影响，及ECC后心肌细胞的胰岛素敏感性有无变化，如有，研究其机制。

    1  资料与方法

    1.1  一般资料  择期行ECC下心脏手术患者32例，所有患者既往无糖尿病史。排除标准包括：① 术前存在肝肾疾病及功能不全；② 术前凝血功能不全；③ 姑息手术或二次手术；④ 血糖控制未达标。按年龄（≥18岁为成人，<18岁为儿童）和是否接受胰岛素治疗分为4组：成人常规治疗组（ART组，n=8），成人胰岛素治疗组（AIT组，n=8），儿童常规治疗组（CRT组，n=8），儿童胰岛素治疗组（CIT组，n=8）,一般情况详见表1。

    1.2  血糖控制方法  四组患者均以生理盐水配液，AIT组和CIT组患者术中血糖控制在4.4 ～10.0 mmol/L，术后控制在4.4 ～ 6.1mmol/L；对ART组和CRT组血糖水平< 16.7 mmol/L的患者均不作任何处理。我科血糖控制方案如下： ① 麻醉诱导后开始以微量泵从中心静脉以4 U/h［儿童0.2 U/（kg·h）］速度泵入胰岛素；② 开胸后改为10 U/h［儿童0.5 U/(kg·h）］；③ ECC开始后为1 ～1.5 U/（kg·h）［儿童1.5～2 U/（kg·h）］，期间每15 min测血糖1次，据实测血糖值依以下方案进一步调整胰岛素输注速度：血糖水平在8.3～8.9mmol/L时在原胰岛素用量基础之上加6 U/h；8.9～9.4 mmol/L时加8 U/h［儿童0.2 U/（kg· h）］；9.4～10.0 mmol/L时加12 U/h［儿童0.4 U/（kg·h）］；10.0 mmol/L以上时加16 U/h［儿童0.6 U·／kg·h）］；在3.3～3.9 mmol/L时减去8 U/h（儿童0.2 U/(kg·h）；2.8 ～ 3.3 mmol/L时减去16 U/h［儿童0.5 U／kg·h）］；2.8 mmol/L以下停用胰岛素，并静推20%葡萄糖50 ml（儿童20%葡萄糖10 ml）；④ 开始复温即停用胰岛素；⑤ 术后血糖水平根据波特兰方案［4］［（儿童换算为U/kg·h）］进行调整。

    1.3  胰岛素、血糖水平的测定方法  分别于麻醉前、ECC开始时以及ECC结束后即刻，4 h，12 h，24h，48 h采血并制备血浆，分别用胰岛素检测试剂盒和血糖仪测定患者血浆中胰岛素和全血血糖水平。

    1.4  Western blot 印迹  分别于ECC前和ECC后在右心耳切口缘取心肌约0.5 g，立即置入液氮备用。用Heidolph DIA900组织匀浆器匀浆，离心后提取组织蛋白。BCA蛋白定量试剂盒（Pierce）定量蛋白浓度。SDS/PGEA电泳分离蛋白，半干电转法转移到PVDF。5%脱脂乳封闭背景，以抗InsRβ、抗pP38-MAPK、抗pERK、抗pJNK、抗GLUT-4抗体4℃过夜，洗膜后以相应二抗室温孵育1h，免疫检测试剂盒进行荧光检测（Pierce）。再将pP38-MAPK或pERK印迹膜50℃，30 min复印迹，置于洗脱缓冲液中进行原一抗解离，用PBST漂洗并重新封闭印迹膜行P38-MAPK、ERK的检测。

    1.5  心功能检测方法  分别于ECC结束后24 h，48 h，72 h行经胸超声心动图检查，其包括：（1）等容收缩期指标：左室压力上升最大速率（dp/dtmax) ；（2）射血期指标：①左心室射血分数（LVEF）值 ②短轴缩短率（FS）。 表1    患者一般情况注： RT: 常规治疗组；IT: 胰岛素治疗组；VSD：室间隔缺损；ASD：房间隔缺损；TOF：法洛四联症；MI：二尖瓣关闭不全：MS：二尖瓣狭窄

    1.6  统计学方法  应用SPSS 11.0统计软件进行统计分析，计量资料以均数±标准差(±s )表示，组内比较采用单因素方差分析，组间比较采用t检验，P＜0.05为有显著性差异。

    2  结  果

    2.1  血糖和胰岛素水平变化   ART组和CRT组的血糖水平在麻醉诱导期间平稳过渡，ECC开始后上升显著，于ECC结束时达高峰，随后开始下降，ECC结束后12 h时再次升高，继而持续下降，至ECC结束后48 h时仍未恢复术前水平；而AIT组和CIT组的血糖始终维持在4.4～8.3 mmol/L水平。

    各分组中胰岛素水平在麻醉诱导期间平稳过渡，ECC开始后上升显著，于ECC结束时达高峰，随后开始下降，ECC结束后12 h时再次升高，继而持续下降，至ECC结束后48 h时趋于术前水平；而AIT组和CIT组胰岛素水平ECC开始后高于ART组和CRT组（P＜0.05，P＜0.01)直到ECC结束后48 h趋于正常；AIT组胰岛素水平ECC结束后明显高于CIT组（P＜0.05），表明成人组对胰岛素敏感性降低。见图1。 注：AIT组与ART组相比、CIT组与CRT组相比*P＜0.05，**P＜0.01；AIT组与CIT组相比△ P＜0.05

    2.2  术后心功能的变化  各组中胰岛素治疗后dp/dt max、LVEF、FS均明显增加（P<0.05），表明胰岛素对心肌有明显的正性变力作用。ECC后72h，AIT组 dp/dt max、LVEF、FS低于CIT组(P＜0.05)，见表2。

    2.3  心肌InsRβ、pJNK、ERK、P38-MAPK、GLUT-1、GLUT-4表达的变化  为进一步研究胰岛素敏感性降低的机制，我们检测了胰岛素转导通道蛋白表达的变化。ECC后各组InsRβ表达、pP38-MAPK表达及GLUT-4表达与ECC前相比均显著增加（P<0.05或P<0.01），ECC后ART组与AIT组相比、CRT与CIT组相比，InsRβ表达、pP38-MAPK表达及GLUT-4表达均增加（P<0.05）。表明胰岛素刺激心肌InsRβ上调，同时可上调P38-MAPK和GLUT-4的表达。见图2、图3及图4。

    ECC后各组pJNK表达及pERK表达与ECC前相比均无显著差别（P>0.05），ECC后ART组与AIT组相比、CRT与CIT组相比pJNK表达及pERK表达亦无显著差别（P>0.05）。表明ECC刺激及胰岛素对JNK和ERK的活化无明显影响。表2  各组患者术后心脏dp/dtmax、LVEF、FS的变化 注：AIT组与ART组相比、CIT组与CRT组相比，△P＜0.05；AIT组与CIT组相比，*P＜0.05

    3  讨  论

    诸多研究均已证实胰岛素可改善危重疾病尤其是心血管病的预后［2-3，5］，但其对心功能影响的研究较少。我们的动物试验证明胰岛素对心肌细胞具有直接的正性肌力作用［6-7］，且本实验显示胰岛素治疗后心脏dp/dtmax、LVEF、FS较常规治疗后明显增加（P<0.05），证明胰岛素对心肌有明显的正性变力作用。

    年龄增长导致心血管疾病发病率增高被认为与心肌收缩舒张功能下降、平均血压升高和左室与体重比值下降相关［8］。我们的研究发现，成人与儿童相比，维持同样血糖水平血浆胰岛素水平明显较高（P<0.05）。证明年龄增长导致糖摄取能力下降，即胰岛素敏感性下降，出现胰岛素抵抗。而且成人胰岛素治疗组ECC后心脏dp/dtmax、LVEF、FS显著低于儿童胰岛素治疗组。但由于其影响因素较多，并不确定为胰岛素敏感性降低导致。

    鉴于以上结果，我们进一步研究了胰岛素治疗对ECC后心肌胰岛素信号转导通道的影响。胰岛素的作用是由胰岛素与靶细胞膜胰岛素受体结合启动，其受体后信号通过两条主要的转导通道完成：一是Ras-丝裂原激活蛋白（MAPK）途径，可促使靶细胞基因表达、导致细胞生长、增殖及分化等。二是磷酸肌醇-3激酶（PI3K）-蛋白激酶B（Akt/PKB）途径，可调节葡萄糖摄取、抗凋亡等。

    实验发现ECC后InsR表达与其相应ECC前相比显著增加（P<0.05或P<0.01），胰岛素治疗ECC后InsR表达较无胰岛素ECC后增加（P<0.05）。证明胰岛素刺激心肌InsR上调。Ren等人［9］也曾报道病理条件下心肌胰岛素受体敏感性可发生变化，或胰岛素受体发生上调，进而增强受体介导的信号转导途径的级联放大效应。

    MAPK信号通道包括三部分，细胞外信号调节激酶ERK，JNK和p38激酶途径。JNK是MAP激酶家族中的一种［10］，可以被TNF-α和IL-1β激活。JNK磷酸化胰岛素受体底物（ITS）与胰岛素信号通路失调有关，而且是胰岛素作用中的负反馈因子［11］。ECC后pJNK表达与其相应ECC前相比均无显著差别（P>0.05），胰岛素治疗ECC后pJNK表达较无胰岛素治疗亦无显著差别（P>0.05）。证明ECC刺激及胰岛素对心肌JNK的活化无明显影响。

    胰岛素可激活ERK信号通路,与细胞的生长有关。各组胰岛素治疗ECC后pERK表达与无胰岛素治疗比较无明显差别（P>0.05）。证明胰岛素对心肌ERK的活化无明显影响。

    胰岛素通过Ras-MAPK传递途径可激活p38，促使靶细胞基因表达，导致细胞生长，及相关细胞因子的释放［12］。 无胰岛素治疗时，ECC后pP38-MAPK表达与ECC前相比无显著差别（P>0.05），而胰岛素治疗ECC后pP38-MAPK表达明显增加（P<0.05）。证明胰岛素可上调心肌P38-MAPK的活化。

    现已明确，GLUT-4从细胞内转运到细胞表面，胰岛素作用下的p38在其中起到重要作用［13］。胰岛素治疗ECC后GLUT-4表达较其无胰岛素ECC后增加（P<0.05或P<0.01）。证明胰岛素可上调GLUT-4的转运。ECC后儿童胰岛素治疗组和儿童常规治疗组GLUT-4表达均显著增加（P<0.05或P<0.01），而成人常规治疗组ECC前后GLUT-4表达无差别（P>0.05），进一步证明年龄增长导致胰岛素敏感性下降，出现胰岛素抵抗，GLUT-4转运障碍即是其中的关键环节。

    本实验结果说明，胰岛素治疗对心肌有明显的正性变力作用，机体随年龄增长导致糖摄取能力下降，即胰岛素敏感性下降，出现胰岛素抵抗，GLUT-4转运障碍即是其中的关键环节。ECC后心肌胰岛素抵抗的一个重要环节是ERK和p38的活化受到抑制从而阻碍了胰岛素的相关作用。ECC刺激及胰岛素对心肌JNK的活化无明显影响。

    对于ECC后心肌ERK和p38的活化受抑制的具体机制，我们将在今后的体外试验中继续予以研究。

【】
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