体外循环后肺损伤和肺保护的研究进展
【关键词】 体外循环；肺损伤；肺保护;炎性反应;缺血再灌注
体外循环（extracorporeal circulation,ECC）下心脏手术可诱发全身非感染性炎性反应，称ECC后“全身炎性反应综合征”(systemic inflammatory response syndrome，SIRS)。SIRS的早、中期主要病理生理改变为急性肺损伤，亦称为ECC诱发的肺损伤。随着ECC技术的进步和对其基础及临床研究的不断深入，ECC术后病人肺部并发症的发生率得到很大程度降低；然而ECC术后肺功能障碍仍然是一个最常见的临床问题，尤其是在先天性心脏病合并肺高压的婴幼儿身上，严重者可导致呼吸窘迫综合征（ARDS)和死亡，因此，ECC中的肺损伤，一直受到人们的密切关注。如何避免ECC术后肺损伤一直是实验和临床研究的热点。现就ECC后肺损伤的发病机制、临床表现及肺保护措施进行综述。
1 发病原因
ECC后肺损伤是全身炎性反应的一部分，因此，凡能引起或增强ECC下心脏手术炎性反应的因素均是促进ECC后肺损伤发生的原因。主要包括：①ECC时血液成分与ECC人工管道的接触；②鱼精蛋白拮抗肝素，形成肝素-鱼精蛋白复合物可引起炎性反应；③缺血-再灌注(I/R)损伤，除了心脏I/R外，在ECC期间，肺实质的氧合血完全由支气管动脉供应，也易引起不同程度的肺缺血；④内毒素血症，由于ECC期间为非搏动性灌注，肠黏膜供血不足或缺血而发生肠黏膜功能衰竭、渗透性增加，引起内毒素血症；⑤手术创伤应激；其他等。
术前左心室功能差、呼吸困难、急症手术、手术期间发生菌血症或低血压或肺缺血，均是ECC后促发ARDS的高危因素。单纯ECC这一因素很少引起较严重的肺损伤，只有合并其他肺损伤的高危险因素，才会引起严重肺损伤。因此ECC后肺损伤常常是多原因素的。
2 发病机制
ECC后肺损伤主要涉及到两个病理生理过程：①ECC引起的非感染性的SIRS；②肺I/R损伤。近年研究显示ECC后肺损伤的发生与补体激活、细胞因子释放、白细胞隔离激活并释放自由基、I/R、血小板激活、微栓形成、一氧化氮等的激活密切相关。下面分述其在ECC后肺损伤中的机制。
2.1 补体激活作用 补体激活是导致ECC后肺损伤的始动因素。ECC期间，血液成分与ECC管道接触、肝素-鱼精蛋白反应、预充液、麻醉等多种因素使补体通过经典或旁路途径激活。Ⅻ凝血因子的接触激活也可激活补体。激活的补体C3a、C5a具有化学趋化作用，使中性白细胞等在肺部聚集，并激活中性白细胞，尤其增加内皮细胞黏附分子P-选择素的表达，使中性白细胞与内皮细胞黏附；促进组胺释放、导致血管通透性增高和收缩平滑肌作用；激发氧自由基的形成和释放，从而引起肺损伤。C5a的直接作用和膜攻击复合物C5b-C9对肺内皮细胞、中性白细胞及单核细胞的攻击作用可引起肺损伤。C3a可以介导中性白细胞激活，但不是ECC后炎性肺损伤的必须因素。
2.2 中性粒细胞（PMN）在肺内的聚集与激活 PMN在肺内的聚集与激活是ECC后肺损伤发生机制的中心环节。PMN通过补体及补体非依赖机制激活，激活后增加了与激活的内皮细胞的相互作用，从而增强PMN-内皮细胞的黏附和PMN的聚集及坏死。选择素(selection)黏附分子家族介导PMN粘着于内皮细胞的起始，继之整合素（integrin）黏附分子家族（CD11b/CD18）与免疫蛋白相互作用，使其易与被激活的内皮细胞形成牢固的结合。黏附的PMN通过细胞因子（如TNF-а、IL-6、IL-8）的作用进一步激活，而产生氧自由基、弹性蛋白酶（elastase）、金属蛋白酶(metalloproteinase)和髓过氧化酶等，加重内皮细胞、内皮下基质的损伤，从而诱发组织损伤，导致肺通透性改变和肺水增加。除补体外，内毒素、某些细胞因子及I/R也能激活PMN，并使PMN向肺部聚集而诱发肺损伤。在ECC后肺损伤，内毒素血症可与I/R和补体激活共同存在。
可见，PMN在ECC后肺损伤的发病机制中具有重要作用，PMN激活、黏附分子上调、PMN黏附于肺血管内皮细胞，通过蛋白酶及髓过氧化酶造成内皮损伤是ECC后肺损伤的重要病理生理步骤。
2.3 细胞因子和炎性介质的作用 与ECC后肺损伤有关的细胞因子主要有IL-1（IL-1β）、IL-6、IL-8以及TNF-α。单核细胞从肺血管移出至肺组织间隙和肺泡腔，在炎性反应期，这些移出的单核细胞转变成肺巨噬细胞。肺泡巨噬细胞在急性肺炎性损伤的早期被激活［1］，分泌吸引中性白细胞的化学趋化物炎性蛋白-2和吸引单核细胞的特异性化学趋化物炎性蛋白-1。在鼠，肿瘤坏死因子а（TNF-а）、IL-1、内毒素和I/R均可诱发炎性蛋白-1的mRNA的表达。在人体，ECC期间，血浆单核细胞化学趋化蛋白-1的水平明显升高。ECC期间或之后，可存在内毒素血症和I/R，也可激活肺巨噬细胞分泌单核细胞和中性白细胞化学趋化因子。IL-1是一种内源性的致热源，可激活内皮细胞，诱导一种促凝状态；IL-6是急性期反应的一种标识因子，可反映内皮细胞急性炎症的程度；IL-8是最强的多形核白细胞和T-淋巴细胞趋化因子，可引起多形核白细胞黏附血管内皮并与细胞外基质蛋白结合，增强血管壁的通透性；TNF-а作为炎性反应的启动因子，是一种由单核细胞产生的有效力的多肽类细胞因子，是炎性反应中释放最早、最重要的致炎细胞因子，通过激活巨噬细胞和PMN产生氧自由基直接对组织细胞产生破坏，也可通过刺激内皮细胞表达黏附分子或趋化分子，介导PMN引起的炎性损害。正是单核细胞移出肺组织产生的毒性效应，或转变成新的巨噬细胞而引起肺损伤［2］。此外，这种损伤效应可被激活的血液中单核细胞和内皮细胞进一步加强。反之，ECC期间激活单核细胞分泌的细胞因子如TNF-а和IL-1，又可激活内皮细胞、中性白细胞和巨噬细胞，从而形成恶性循环，进一步加重肺损伤。
2.4 血小板聚集 ECC使血小板聚集功能激活，形成血小板聚合物，此物与纤维蛋白吸附，形成微血栓［3］；另外转流后期血小板在肺部滞留，与白细胞聚集在一起，阻断肺微循环。血小板聚集后可释放出5-HT、PG、TXA2、ADP、血小板β-球蛋白和血小板因子-4等血管活性物质，直接损伤肺毛细血管膜。其中血小板活化因子（PAF）是一个有效的PMN黏附因子表达上调剂。
2.5 一氧化氮（nitric oxide,NO） NO具有双重作用的特性，可以造成肺损伤［4］，也可能对肺损伤有保护作用，主要取决于NO合成酶（nitric oxide synthase,NOS）的类型、NO释放的动力学及靶细胞对NO的生化应答反应。NO是一个结构简单、不稳定、有潜在毒性，可自由通过细胞膜弥散的气体自由基。半衰期很短，仅3～50s。由左旋精氨酸（l-arginine,1-arg）在NOS作用下合成。NO作为一种生物活性介质，参与肺损伤的病理过程：内毒素诱导的肺损伤；氧化剂诱导的肺损伤；免疫性肺损伤。NO引起肺损伤的机制：激活肺内的巨噬细胞、PMN，可合成大量的NO，在有氧或超氧阴离子的条件下，生成具有细胞毒性的产物导致肺损伤。NO又能选择性作用于肺循环，扩张肺动脉，降低肺动脉压，提高氧合。
2.6 微栓的形成 ECC期间血流中微颗粒（15～80μm）形成的主要原因为：①预充液中加入库血，储存3d后其微颗粒增加4倍以上；②因心内吸引系统破坏而产生的微颗粒是其它部位的2.8～5.1倍；③鼓泡型氧合器产生的微颗粒为膜肺的3.2倍；④肺超微结构损害与微颗粒的数量、大小和微循环堵塞时间长短有关。
2.7 肺I/R损伤 肺脏的I/R损伤是引起ECC相关性肺损伤的始动因素。ECC过程中，肺循环处于停滞状态，此时肺脏主要由支气管动脉供血，肺组织处于相对缺血状态。心脏复跳后，肺循环开放，肺组织得到再灌注，此时肺组织就存在I/R损伤的病理生理过程：I/R导致内皮细胞释放氧自由基→激活PMN、补体、诱导细胞因子合成，PMN通过CD11b/CD18与内皮细胞紧密连接，释放氧自由基，使毛细血管内皮细胞肿胀，管腔变窄，甚至阻塞；白细胞和血小板聚集，释放炎症活性物质，使细胞内线粒体、内质网水肿，细胞代谢失调，导致细胞膜破裂，细胞死亡，导致组织损伤［5-6］。表现为肺血管通透性增加、肺血管阻力增加和肺动脉高压等。
3 临床表现
肺血管屏障损害是急性肺损伤的最早表现之一［7］。ECC后肺损伤程度变异很大，从轻微肺损伤，到严重的ARDS：肺组织间隙和肺泡水肿、大量中性白细胞浸润、上皮损害，迅速发生肺纤维化，导致气体交换障碍和进行性低氧血症。
4 预防和
ECC心脏手术后肺损伤与机体对ECC的全身炎性反应有关。这种炎性反应的强度和持续时间受预防性抗炎药物应用、预充液成份、氧合器种类、机械过滤、ECC期间温度、灌注流量［8］以及补体激活诸多因素影响。因此，合理的预防和治疗方法是通过抑制各种不同炎性介质的分泌和功能，以降低肺损伤程度；通过选择性地抑制或增强其功能，来调控炎性反应过程。
4.1 缺血预处理和肺灌注 缺血预处理是指预先短暂I/R后提高组织对随后持续缺血的耐受性。缺血预处理的保护作用在时间上呈两个不连续的时相变化，即早期保护和延迟保护。腺苷受体、α1受体激活使G蛋白活化是启动早期保护作用的首要环节。预处理后约24 h出现延迟保护，与影响基因表达及合成抗氧化酶、NOS、热休克蛋白等新的蛋白质有关。ECC中的肺灌注是目前实验和临床研究的热点，ECC中含氧血持续肺动脉灌注可减轻肺损伤，此方法避免肺I/R损伤而达到肺保护的目的［6,9］。
4.2 ECC装置的改进 由于血液与异物表面接触可导致ECC后的SIRS。因此改进ECC 中的氧合器及管道的材料，增加其生物相容性应当是一种行之有效的预防方法。由于鼓泡式氧合器气血直接接触会引起更严重的补体激活和肺部白细胞积聚，所以目前一般主张使用膜式氧合器代替鼓泡式氧合器。随着生物医学工程技术的发展，已能对氧合器和管道内壁作肝素化涂层处理，这类材料可增高环路的组织相容性,减弱机体炎症反应，减轻其对凝血功能的影响，减轻ECC促发的粘附分子变化，减少补体激活，降低细胞因子水平，减弱循环中白细胞及血小板下降程度。肝素涂抹ECC管道，可明显改善肺功能，增加动脉血氧分压，降低肺血管阻力和增加肺顺应性［10］。
4.3 抗白细胞疗法 ECC期除去白细胞有益于肺功能［11-12］。尽管有些矛盾的研究结果，但大多数研究均证实，在动物和人ECC期间除去白细胞可改善术后早期肺功能。然而白细胞具有重要的免疫功能，在人体ECC时除去白细胞，易引发感染，从而限制其在临床上的应用。
4.4 蛋白酶抑制剂 激活的中性白细胞释放硬性蛋白酶、基质金属蛋白酶，是造成肺组织破坏的重要介质。抑肽酶(aprotinin)是一种非特异性丝氨酸蛋白酶抑制剂，具有保护血小板、减少ECC术中及术后出血以及抑制某些炎性细胞因子（如TNF、IL等）的作用，可拮抗包括激肽释放酶、纤溶酶等多种体内蛋白酶，减少炎性细胞因子的释放、PMN黏附受体的上调、激肽释放酶和补体诱发的PMN激活及弹性蛋白酶从活化PMN的释放,减少与ECC相关的炎性反应，并有减少术后出血的作用［13］。
乌司他丁（Ulinastatin）是一种酸性糖蛋白，属Kunitz型广谱高效的蛋白酶抑制剂。通过抑制β－葡萄糖醛酸酶活性和粒细胞弹性蛋白酶（Gel）含量的升高以及纤维连接蛋白（Fn）含量的下降达到在ECC期间对病人机体的一定的保护作用。具有稳定溶酶体膜、抑制溶酶体酶及炎性介质的释放等作用；抑制TNF-α的产生，降低血清中TNF-α的浓度，可以防止隔离于肺脏的PMN激活，以免产生弹性蛋白酶，造成肺组织的损伤；可提高SOD的活性，提高其清除氧自由基的能力［14］。
4.5 应用抑制炎性反应的药物 介质抑制剂；抗黏附分子抗体；己酮可可碱（pentoxfylline）；自由基清除剂；非类固醇抗炎药物（NSAIDS）可抑制环氧合酶，减少TXA2、PGI2的合成，进而减少血小板聚积、白细胞溶酶体酶和氧自由基的产生［15］。
糖皮质激素：具有①抑制补体激活；②抑制补体诱导的中性粒细胞聚积；③抑制巨噬细胞产生TNF；④抑制游离脂肪酸的产生等功能。体外循环预充糖皮质激素，能降低IL-6、IL-8、TNF-α、CD-HB、白三烯β4等炎症介质的释放［1,16］。
肺表面活性物质（pulmonary surfactant ,PS）由肺泡Ⅱ型细胞合成分泌的脂质蛋白质复合物。参与肺泡表面活性物质的形成和代谢，维持磷脂单分子层的稳定；阻止血浆蛋白进入肺泡腔；调节局部免疫和炎症反应，在肺脏抗感染中起到重要作用。但使用外源性肺表面活性物质ECC术后肺损伤目前仍处于临床试验阶段。
NO是一种内皮起源的自由基性质的气体，无论体内生成或外源性NO的效应和代谢主要在肺内进行。NO能抑制白细胞对内皮细胞的黏附，降低血管紧张性。ECC术中持续应用40ppm的NO可明显抑制术中PMN的呼吸爆发功能，减少PMN在外周组织的集聚，增加循环血中PMN计数，达到减轻ECC术后肺损伤的目的。
前列腺素E1（PGE1）和I2（prostaglandin I2 ,PGI2）具有扩张血管、抑制白细胞和血小板聚集、细胞保护（稳定细胞膜；清除自由基；增加局部血流）作用，改善红细胞变形性及减少ECC全身炎性反应等作用；可降低肺动脉压，升高CI、PvO2，明显改善右室功能，但PGI2也可致低血压和出血。
溶栓剂（thrombolytics）:组织纤溶酶无激活物和尿激酶；Almitrine是一种胡椒嗪衍生物，它可提高阻塞性肺疾病患者的PaO2 ,降低PaCO2；腺苷是一种内源性血管扩张剂，可选择性扩张肺血管，降低肺损伤的发生率。
4.6 麻醉药的选择 异丙酚（propofol）是自由基清除剂，具有类似维生素E的膜巯基保护作用。可抑制TNF-α、IL-8的合成，减少PMN在肺内的浸润及活化［17］；增加SOD的活性；具有抗氧化作用，可抑制PMN呼吸爆发，降低活性氧产量，抑制PMN的超化和吞噬作用。并可迅速蓄积在生物膜上，能增强抗氧化的组织防御，降低组织耗氧，抑制脂质过氧化反应。
尼卡地平是一种二羟吡啶类的钙通道阻断剂，具有抗缺血，防止细胞内钙超载以及抗氧自由基损伤的作用。其抗炎作用可能是继发于其抗缺血作用。ECC前给予尼卡地平（0.02 mg/kg），可有效防止腔静脉开放后5min PMN在肺内的滞留，防止了由于缺血而导致的肺血管内皮细胞表面黏附分子的表达以及抑制细胞内黄嘌呤还原酶（XD）向黄嘌呤氧化酶（XOD）的转化，达到预防ECC下肺I/R损伤所致的肺功能损害。
4.7 通气方式的选择 间断肺通气可通过减少白细胞与血管内皮的黏附，减少肺部炎性反应、内皮细胞损伤等，对ECC所致的肺损伤有保护作用。使用PEEP和增大FiO2［18］。PEEP增加FRC、使血管外肺水再分布并改善肺顺应性。当PEEP从0.25kPa增至0.98kPa(10cmH2O)时，肺泡压呈线性增高，当PEEP大于1.47kPa(15 cmH2O)时，肺泡压增高而肺泡径不再增大。PEEP并不使血管外肺水总量减少，而只是把肺水从肺泡向肺泡外间质再分布。最小的PEEP是指在相对无毒性FiO2下，仅足以纠正危机生命的低氧血症的PEEP水平。
近年研究提出了液体通气。有部分液体通气（PLV）和全液体通气（TLV）两种方式。部分液体通气（partial liquid ventilation,PLV）以氟碳化合物（PFC）为媒介的，可明显改善肺气体交换，增加肺的顺应性，有效降低肺内分流，升高PaO2,改善肺氧合。PFC是一种具有高氧和高二氧化碳溶解量的低张力、高密度的脂溶性液体，可减少肺损伤时中性粒细胞、巨噬细胞在肺内的聚集，减少它们释放的炎性细胞因子。
4.8 血液稀释 可降低血液粘度，改善微循环的淤滞状态，冲走蓄积在肺组织内的自由基和嵌塞在缺血局部毛细血管内聚集的白细胞，儿茶酚胺及其它代谢产物，使血管内皮细胞的微循环得以改善。缺血前稀释血液不仅可使再灌注后肺血流量及局部代谢环境得以改善，也能改善缺血时的肺局部代谢环境，防止和缓解了再灌注后氧自由基等有害代谢物的大量产生，从而保护了肺功能。但注意，应该严格掌握血液稀释的程度，警惕过度稀释引起肺水增多。
4.9 特异性拮抗炎性介质 近来,随着分子生物学的和应用，利用抗细胞因子和内毒素的单克隆抗体、补体系统抑制剂、特异的白细胞和内皮细胞粘附分子的抗体等以减少 ECC 后的细胞因子、弹性蛋白酶和氧自由基等物质的释放，从而减轻细胞和组织的损伤，是一种新的具有诱惑力的治疗方案。
综上所述，ECC后肺损伤的严重程度及正确有效的处理与病人术后的恢复有密切的联系。随着材料科技的发展，实验室和临床上的动态研究，一定能探索出更加满意的预防和治疗措施。
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