体外循环术中通气策略对血浆及支气管肺泡灌洗液中炎性反应因子的影响
作者：何庚戌 刘俊堂 李海英 周峰 刘颖 方万香 濮仁富
【摘要】 目的 探讨体外循环(CPB)中肺持续通气对CPB引起的炎性反应的影响。方法 60例CPB下进行冠状动脉旁路移植术(CABG)的患者随机分为持续通气组和非通气组。分别在麻醉后、主动脉开放后1 h、4 h和6 h测定血浆白介素(IL)-8、IL-10、基质金属蛋白酶(MMP)-9、组织金属蛋白酶抑制剂(TIMP)-1和血栓素B2(TXB2)的水平。并在术前和主动脉开放后4 h测定支气管肺泡灌洗液中上述细胞因子的水平。结果 血浆IL-8、IL-10和MMP-9水平在主动脉开放后1 h、4 h和6 h均明显升高。在主动脉开放后4 h非通气组IL-8水平明显高于持续通气组。MMP-9两组之间无明显差异;持续通气组血浆IL-10的水平在主动脉开放后1 h、4 h和6 h显著高于非通气组。TIMP-1的血浆水平在术后持续升高，在术后1 h和4 h持续通气组较非通气组明显增高。血浆中TXB2水平在主动脉开放后1 h、4 h和6 h明显高于术前水平，持续通气组较非通气组水平明显降低。支气管肺泡灌洗液中IL-8、IL-10、MMP-9和TXB2 水平在主动脉开放后4 h较术前明显升高。TIMP-1水平在主动脉开放后4 h同样显著升高，且持续通气组水平显著高于非通气组，而TXB2水平明显低于非通气组。结论 CPB下CABG中持续通气可明显降低全身炎症反应，对术后肺功能可起到保护作用。
【关键词】 体外循环;全身炎症反应;炎性因子;支气管肺泡灌洗
Impact of Continued Ventilation during Cardioulmonary Bypass onSerum and Bronchoalveolar Lavage Cytokine Response
Abstract: OBJECTIVE This study was designed to evaluate the effect of continuing ventilation during cardioulmonary bypass(CPB) on inflammatory reactions. METHODS Sixty patients undergoing coronary artery bypass graft using CPB were randomized to continuous ventilation and nonventilation groups. Plasma interleukin-8, interleukin-10, matrix metalloproteinase-1, tissue inhibitor metalloproteinase-1, and thromboxane B2 level were measured preoperatively, at 1 h, and 4 h,6 h after aortic clamping off. Levels of these mediators were also determined in brochoalveolar lavage preoperatively and four hours after clamping off. RESULTS Plasma levels of IL-8, IL-10, MMP-9 were higher at 1 h, 4 h and 6 h aortic dclamping off in continuous ventilation and the nonventilation group, and IL-8 level were significantly higher in nonventilation group compared with ventilation group, IL-10 levels were significantly higher in the ventilation group than nonventilation group after 1 h and 4 h, 6 h, TIMP-1 levels were significantly higher in the ventilation group than that in nonventilation group after 1 h and 4 h. Bronchoalveolar lavage levels of TIMP-1 were also higher in the continuous ventilation group 4 h after clamping off, while levels of TxB2 were significantly lower compared with ventilation group. CONCLUSION Continued ventilation during CPB in CABG could attenuate the inflammatory and proteolytic response and may protect pulmonary function .
Key words： Caridiopulmonary bypass;Systemic inflammatory response syndrome;Inflammatory cytokine
由于体外循环(caridiopulmonary bypass，CPB)激活多型核白细胞，诱导细胞因子产生、释放，从而引起复杂的全身炎症反应，炎性因子和抗炎性因子之间的失衡，可能是导致手术后心肺功能损伤的重要机制[1-3]。
CPB中肺的通气模式对炎性反应和心血管肺功能方面影响的研究并不是很多。有些研究证明CPB中低通气量通气伴随微小肺不张、液体肺水肿、肺顺应性降低、以及术后肺部感染发病率增高等[4]。CPB中由于缺少肺动脉灌注、肺泡通气以及支气管动脉的低灌注会导致一定程度的肺缺血[5]。肺缺血可能通过内皮细胞释放肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素(IL)-8而诱导炎性反应。另外肺炎性反应的生化标记物血栓素B2(TXB2)等在支气管肺泡灌洗液中明显增加[5]。有些学者认为手术中维持机械通气可能会通过减轻微小肺不张和肺脏的缺血再灌注损伤而减轻术后肺部损伤[6]。本试验旨在用炎性因子水平变化来评价持续通气和非持续通气对肺的影响。
1 资料与方法
1.1 临床资料 经伦理委员会同意，我们对2006年8月至2008年6月在我院进行CPB下冠状动脉旁路移植术的60例患者进行了随机对照实验。每个患者均签署了知情同意书。急诊手术、术前合并肺部感染、6周内心肌梗死、或左室射血分数(LVEF)≤30%、术前肝肾功能不全、术前使用类固醇激素的患者排除。术前随机将患者分为通气组和非通气组，只有麻醉医师和外科医生知道患者分组情况，进行细胞因子检测的医师不知道患者分组情况。
1.2 麻醉 在麻醉诱导过程中预防性应用抗生素，头孢唑啉钠1.5 g。所有患者采用相同的麻醉方案。患者吸入纯氧，通过使用咪达唑伦、芬太尼、异丙酚、万可松和异氟烷进行麻醉诱导。CPB中镇痛和麻醉维持使用芬太尼和咪唑安定，CPB后改为异丙酚。术中高血压用异氟烷吸入、硝酸甘油或芬太尼控制。低血压时使用麻黄素提高血压。术前、术中、术后均不使用激素。
1.3 CPB和手术 正中开胸，两组均在打开左侧胸膜的情况下采集左侧胸廓内动脉。常规静脉内肝素(3 mg/kg) 维持ACT达到500s以上，升主动脉插入CPB灌注管，右心房内插入腔房管引流。常温下CPB(允许降温到35℃)。CPB系统包括滚轴泵(Sarns7000，3M公司)和膜式氧和器(Jostora)。泵流量设置在2.4 L/(min·m2)，以维持动脉血压在60～70 mmHg。所有患者心肌保护方式一样，采用4℃冷血停跳液顺行灌注。所有的远端吻合口完成后开放升主动脉。停CPB后，使用鱼精蛋白中和肝素。所有患者使用静脉滴注硝酸甘油控制血压。
1.4 通气策略 在CPB开始之前和结束之后，所有患者均采用50%的氧气进行辅助呼吸。潮气量8 ml/kg，呼吸频率10～12次/min。调整潮气量和呼吸频率使动脉血二氧化碳维持在35～45 mmHg之间。在持续通气组CPB期间给予呼吸频率5次/min，潮气量5 ml/kg，50%氧浓度的通气。非通气组在CPB期间停止通气，给予静态膨肺5 cmH2O。术后所有患者在监护室进行容量控制通气，直到体温正常，循环稳定，呼吸功能恢复后脱离呼吸机。
1.5 标本采集和测定 在麻醉诱导后和主动脉开放后1 h、4 h和6 h，经由桡动脉采集血液标本。枸橼酸和EDTA抗凝血迅速进行离心(3000 rpm/h,10 min)，分离血浆并在-70℃保存以备进行批量分析。
支气管肺泡灌洗在麻醉诱导后和主动脉开放后4 h进行。将纤维支气管镜前端嵌入右肺中叶支气管开口，经纤维支气管镜吸引管推注生理盐水25 ml，随即负压吸引(负压25～40 mmHg),将灌洗液吸引到无菌管内。共灌洗4次。将灌洗液迅速离心(1500 rpm/min，3 min)。将上清液收集并保存在-80℃。
血浆和支气管肺泡灌洗液的IL-8、IL-10、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)-9、组织金属蛋白酶抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP)-1和TXB2的浓度通过酶联免疫吸附试验测定(ELISA)。
1.6 统计分析 应用SPSS 11.0统计软件进行统计分析，所有数据用平均值±标准差(±s)表示。两组间的临床指标通过非配对t检验或卡方检验;通过方差分析比较两组之间血浆和支气管肺泡灌洗液的细胞因子水平比较，P<0.05有显著性差异。
2 结 果
2.1 一般资料 两组患者临床资料基本一致，见表1。所有的患者进行了完全再血管化。在持续通气组有4例患者由于心脏较大，在进行回旋支远端吻合时，暂停通气5～7 min以利于吻合。所有患者术后恢复顺利，没有再次开胸止血、肺部并发症以及死亡。
2.2 血浆细胞因子水平变化 血浆IL-8水平在非通气组主动脉开放后1 h、4 h和6 h明显升高，在持续通气组主动脉开放后4 h和6 h明显升高。在主动脉开放后4 h非通气组IL-8水平明显高于持续通气组。其他的促炎性因子也明显升高：MMP-9在主动脉开放后1 h、4 h和6 h均较术前明显升高;TXB2水平在通气组主动脉开放后4 h和6 h均高于基础水平，非通气组在主动脉开放后6 h高于基础水平。MMP-9水平在两组之间无明显差异。见表2。
所有患者IL-10的水平在主动脉开放后1 h、4 h和6 h均明显高于术前，且持续通气组显著高于非通气组。TIMP-1的血浆水平在术后持续升高，在术后1 h和4 h持续通气组较非通气组明显增高。见表2。
血浆中TXB2水平在主动脉开放后4 h、6 h明显高于术前水平，且持续通气组较非通气组水平明显降低。 见表2。
2.3 支气管肺泡灌洗液中细胞因子水平变化 支气管肺泡灌洗液中IL-8、IL-10、MMP-9和TXB2 的水平在主动脉开放后4 h较术前明显升高，但是在持续通气组和非通气组之间没有显著差异。TIMP-1水平在主动脉开放后4 h同样显著升高，且持续通气组水平显著高于非通气组。TXB2在CPB后4 h明显升高，在持续通气组水平较非通气组明显降低。见表3。
3 讨 论
我们在研究中发现相对于传统的CPB中的通气策略，CPB中持续通气会明显降低手术后早期细胞炎性因子IL-8，提高抗炎性因子IL-10和组织金属蛋白酶抑制因子TIMP-1的水平，减少支气管肺泡灌洗液中TXB2的水平，增加TIMP-1的水平，从而减轻炎性反应因子对心肺功能的损害。
IL-8可以趋化并激活中性粒细胞以及T淋巴细胞，同时控制着细胞的运输[6]。临床研究表明，明显缺血后心肌是IL-8的主要来源[7-8]。循环中IL-8的水平与术后心肌的损伤程度和左心室壁运动障碍的密切相关[9]。再灌注可通过肺泡巨噬细胞促进IL-8的释放，导致血浆IL-8水平的升高。有趣的是支气管肺泡灌洗液和循环中IL-8的水平受到其在肺组织内消耗和清除的影响。我们发现在两组之间缺血时间、CPB时间、或心脏功能(心指数、搏出量)没有明显区别，说明持续通气组IL-8水平降低可能与肺缺血再灌注损伤较轻，从而提高了IL-8通过肺脏代谢和清除的结果，而不是降低心肌组织内的释放引起的。我们认为持续通气会减轻肺组织的缺血再灌注损伤，以及肺泡巨噬细胞的激活，因而减轻了IL-8的释放入血。在持续通气组IL-8的降低支持了以往CPB使用双肺通气会使全身炎症反应减轻的研究，在CPB中双肺通气不使用氧合器，保持肺的持续通气和肺动脉的血液灌注[2]。持续通气组IL-8水平可以进一步解释以往研究中发现的持续通气会减少多型核白细胞在肺内聚积和激活[10]。
IL-10可以直接抑制炎性因子的释放，或通过激发IL-1受体抑制剂和肿瘤坏死因子可溶性受体1和2的释放而间接发挥抗炎作用。以往的研究中发现无论CPB或非CPB下冠状动脉旁路移植手术，IL-10的释放与IL-8水平成比例，从而维持促炎性反应与抑制炎性反应的平衡[11]。尽管确切的机制不明确，CPB术后IL-10 水平的升高与术后心脏 表1 非通气组与持续通气组患者临床资料比较表2 非通气组与持续通气组细胞因子在手术不同时间的血浆浓度水平表3 非通气组与持续通气组支气管肺泡灌洗液细胞因子浓度水平
指数和肺气体交换的改善有着密切联系[12]。IL-10 可以通过降低血浆中纤维蛋白溶酶原激活抑制因子和组织性纤维蛋白溶酶原激活物活性之间的平衡，使肺脏避免缺血再灌注后微血管内纤维蛋白聚集和血栓形成，从而保护肺脏功能[13]。在我们的研究中发现CPB中持续通气组相对于传统手术组更利于抗炎性因子IL-10的水平升高，而IL-8水平明显降低。手术中肺持续通气影响IL-10的确切机制尚不清楚。最近有资料表明CPB术后早期肺脏可以释放IL-10，而CPB中肝脏则是IL-10的主要来源[14]。
CPB致中性粒细胞的激活可以导致MMP-9释放入体循环和肺脏组织内，从而引起MMP-9的水平明显升高[15-17]。MMP-9可以通过破坏肺脏的微结构，尤其是肺泡基底膜的Ⅳ型胶原、增加肺脏内中性粒细胞的聚集、增加毛细血管的通透性和内皮细胞的损伤、肺水肿和蛋白在肺组织内的积聚，还可以使中性粒细胞弹性蛋白酶释放，损伤肺脏的超微结构。金属蛋白酶(MMPs)还可以通过破坏心肌细胞外基质而导致心功能不全。TIMP-1是由包括肺脏在内的几个器官产生的MMP-9的抑制因子，帮助维持肺组织结构。我们的实验中发现CPB术后4 h和6 h血浆TIMP明显增高，而且持续通气组水平明显高于非通气组。由于CPB中持续通气引起的IL-8血浆水平的降低，中性粒细胞激活减少，可能会使支气管肺泡灌洗液中的MMP-9 水平有降低的趋势。肺组织内蛋白水解酶的减少可能会减轻CPB术后心肺功能的损伤。
血浆和支气管肺泡灌洗液中TXB2水平的升高，会导致肺动脉高压、肺泡毛细血管通透性增加、中性粒细胞的聚集，从而引起更加严重的肺损伤，动物实验中TXB2的肺损伤可被其抑制剂所减轻[17]。以往的研究认为肺脏是TXB2的主要来源[2，18]。我们的研究中发现CPB术后4 h和6 h血浆TXB2的水平明显升高，术后4 h支气管肺泡灌洗液中的水平也明显升高，而持续通气组的水平明显低于非通气组。表明CPB术中持续通气能减少肺组织TXB2的释放，对肺脏有保护性作用。
通过我们的实验发现CPB手术中持续通气可明显降低IL-8、MMP-9和TXB2的释放，增加抗炎性因子IL-10和TIMP-1的水平，因此对肺功能能够起到良好的保护作用。
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[1] Wan S, LeClerc JL, Vincent JL. Inflammatory response to cardiopulmonary bypass: mechanisms involved and possible therapeutic strategies [J]. Chest,1997,112(3):676-692.
[2] Ng CS, Wan S, Yim AP, et al. Pulmonary dysfunction after cardiac surgery [J]. Chest ,2002,121(4): 1269-1277.
[3] Wan S, Izzat MB, Lee TW, et al. Avoiding cardiopulmonary bypass in multivessel CABG reduces cytokine response and myocardial injury [J]. Ann Thorac Surg,1999,68(1):52-57.
[4] Magnusson L, Zemgulis V, Tenling A, et al. Use of a vital capacity maneuver to prevent atelectasis after cardiopulmonary bypass: an experimental study [J]. Anesthesiology,1998,88 (1):134-142.
[5] Ng CS, Wan S, Ariff AA, et al. Inflammatory response to pulmonary ischemia-reperfusion injury [J]. Surg Today,2006,36(3):205-214.
[6] de Perrot M, Liu M, Waddell TK, et al. Ischemic-reperfsion-induced lung injury [J]. Am J Respir Crit Care Med,2003,167(4):490-511.
[7] Wan S, Marchant A, DeSmet JM, et al. Human cytokine response to cardiac transplantation and coronary artery bypass grafting [J]. J Thorac Cardiovasc Surg,1996,111(2):469-477.
[8] 李晓红，黄元云.体外循环后肺损伤和肺保护的研究进展 [J].体外循环杂志，2008,6(1)：58-61.
[9] Hennein HA, Ebba H, Rodriquez JL, et al. Relationship of the proinflammatory cytokines to myocardial ischemia and dysfunction after uncomplicated coronary revascularization [J].J Thorac Cardiovasc Surg,1994,108(4):626-635.
[10] Ng CS, Arifi AA, Wan S, et al. Ventilation during cardiopulmonary bypass: impact on cytokine response and cardiopulmonary function[J]. Ann Thorac Surg, 2008,85(1):154-162.
[11] Wan S, Yim AP. Cytokines in myocardial injury: impact on cardiac surgical approach [J]. Eur J Cardiothorac Surg,1999,16 Suppl 1:S107-111.
[12] Giomarelli P, Scolletta S, Borrelli E, et al. Myocardial and lung injury after cardiopulmonary bypass: role of interlukin(IL)-10 [J]. Ann Thorac Surg,2003,76(1):117-123.
[13] Okada K, Fujita T, Minamoto K, et al. Potentiation of endogenous fibrinolysis and rescue from lung ischemia/reperfusion injury in interleukin (IL)-10-reconstituted IL-10 null mice [J] J Biol Chem,2000,275(28):21468-21476 .
[14] Massoudy P, Zahler S, Becker BF, et al. Evidence for inflammatory response of the lungs during coronary artery bypass grafting with cardiopulmonary bypass [J]. Chest,2001, 119(1): 31-36 .
[15] Mayers I, Hurst T, Puttagunta L, et al. Cardiac surgery increase the activity of matrix metalloproteinases and nitric oxide synthase in human hearts [J]. J Thorac Cardiovasc Surg,2001,122(4):746-752.
[16] Gallery HF, Macaulay GD, Webster NR, et al. Matrix metalloproteinase-9, tissue inhibitor of metalloproteinase and tumor necrosis factor α release during cardiopulmonary bypass [J]. Anaesthesia,2002,57(7):659-662.
[17] 陶开宇，安琪，杜磊.体外循环中白细胞释放调控机制与急性肺损伤 [J].中国体外循环杂志,2008,6(1)：55-57.
[18] Friedman M, Sellke FW, Wang SY, et al. Parameter of pulmonary injury after total or partial cardiopulmonary bypass [J]. Circulation ,1994,90(5 Pt 2):II262-268.
