体外循环对血浆S100β蛋白和神经认知功能的影响
作者：刘晓明,龚庆成,王建刚,刘锋,李蔚然,缪娜,刘晓军
【摘要】 目的 研究体外循环（extracorporeal circulation，ECC）心脏术后血浆S100β蛋白的水平与神经认知功能变化的关系，以及影响两者的可能因素。方法 63例ECC下行心脏手术的成年患者，在术前和术后不同时间点采血测定血浆S100β蛋白浓度，并在术前和术后进行认知功能评分，观察术后神经精神并发症。结果 术后1天、2天、7天用标准化神经系统检查均无明显阳性体征。年龄大、ECC时间和阻断时间长、术后有神经精神症状的患者，ECC后1 h血浆S100β蛋白水平显著升高和神经认知功能评分显著降低。结论 血浆S100β蛋白水平变化对早期发现亚临床脑损伤具有重要意义。
【关键词】 体外循环；血浆S100β蛋白；神经认知功能
Abstract: OBJECTIVE To research the relationship between the post operative levels of serum S100β protein and the changes of the neurocognitive function,and their relative influencing factors in cardiac surgery with extracorporeal circulation (ECC). METHODS 63 adult patients underwent cardiac operation were studied. Patients' serum S100β protein levels were measured at different time, neurocognitive functions before and after operation were scored and neuropsychological complications were recorded. RESULTS ECC led to obvious elevating of the levels of serum S100β protein and obvious depression of the neurocognitive functions. The levels of serum S100β protein increased significantly one hour after operation in the patients with eld, long ECC time, long cross-clamp time and postoperative neuropsychological symptoms.The scores of the neurocognitive functions after operation significantly decreased in the patients with postoperative high level of serum S100β protein, long ECC time and long cross-clamp time. CONCLUSION Observing the changes of the levels of serum S100β protein is significant for detecting the sub-clinical cerebral injuries earlier.
Key words： Extracoporeal circulation;Serum S100β protein;Neurocognitive function
虽然心外科、体外循环（extracorporeal circulation，ECC）、手术技术及设备不断，ECC术后早期神经性及精神性损伤的发生率仍较高，尤其以认知功能减退更为常见［1-3］，在术后一周认知功能减退发生率可以达到60%，1/3的患者可以持续到6个月后［4-6］，导致患者住院时间延长，医疗费用增加，生活质量受到影响。降低ECC术后脑神经精神系统并发症，越来越受到重视。寻找一个敏感和高效的方法是研究这个问题的主要困难，神经损害的早期标记物可以对脑损伤的诊断和损害程度提供有价值的帮助。
本项目为前瞻性研究，以北京安贞心脏外科心脏瓣膜置换术（VR）、冠状动脉旁路移植术（CABG）及先天性心脏病（CHD）手术成人患者为基本单位，随机选取符合条件的自愿者为研究对象。观察心脏手术后血浆S100β蛋白的升高与神经认知功能变化的关系，以及影响两者的可能因素。
1 资料与方法
1.1 临床资料 63例患者，年龄33～66（46.8±9.63）岁，男性38例，女性25例，二尖瓣或主动脉瓣膜置换术40例，二尖瓣并主动脉瓣置换术5例，瓣膜成形术7例，CABG 6例，CHD手术4例，冠脉搭桥并VR术1例。研究对象选取标准：术前心功能Ⅱ～Ⅲ级，无神经精神系统疾病、无高血压病史、无内分泌系统疾病、无肾功能不全、无颈动脉狭窄等、无家族遗传史、无头颅外伤史、无吸毒史。
1.2 麻醉及ECC方法 麻醉诱导采用静脉注射地西泮0.1～0.2mg/kg或哌库溴铵0.1～0.2 mg/kg，丙泊酚1～2 mg/kg，琥珀胆碱1～2 mg/kg。芬太尼维持麻醉，可追加咪唑安定或丙泊酚2.5～4.0 mg/kg，维持适当的麻醉深度。
使用Stockert和Jostra滚轴泵人工心肺机，8例使用鼓泡式氧合器，余均使用膜式氧合器，均用国产动脉滤器，术中灌注流量为2.2～2.6L/（m2·min）,中度血液稀释，稀释后红细胞压积在0.25左右，根据手术不同需要维持鼻温28℃～32℃，平均动脉压为60～80 mmHg(7.98～10.6kPa)。血气监测采用α稳态，所有患者常规进行心电图、桡动脉压、中心静脉压和血氧饱和度的监测。心内操作完成时，复温至鼻温36.5℃，血液动力学稳定后停ECC。
1.3 神经认知功能测定方法 分别于术前1～2天，术后1天、2天、7天进行标准化临床神经功能检查，术后出现神经系统阳性体征，即为神经功能损害阳性患者。术前1～2天，术后5～7天分别进行认知功能检查，患者要求受程度6年以上，采用中科院《基本认知能力测验》软件测试量表，包括以下7项分测验：①数字鉴别（反应时）－通过对数字识别的反应速度测查认知速度；②心算－通过对1位、2位数字的心算，记录速度及准确率，用于测查思维效率；③汉字旋转（正反字识别）－通过对判断旋转不同角度的正写或反写的简单汉字，记录正确率和完成时间，用于测查心理旋转效率，反应空间表象效率；④心算答案回忆（数字工作记忆）－通过对2个1位数加减的同时记住答案，并在完成数题后将各题答案按顺序回答出来。用于测查记忆能力；⑤双字词再认－通过对显示过的双字词的回忆确认，测查字词记忆能力；⑥三位数再认－通过对显示过的三位数的回忆确认，用于测查数字记忆能力；⑦无意义图形再认－通过对不规则图形的回忆确认，测查图形记忆能力。使用手术前、后总评分及每例手术前、后的差值进行统计分析。术后认知功能评分较术前下降为认知能力下降。
1.4 血浆S100β蛋白测定 分别于ECC开始前，开始后20 min，结束后1 h、6 h、24 h采动脉血5 ml，使用瑞典CanAg公司的人血浆S100β蛋白ELISA免疫试剂盒测定血浆S100β蛋白浓度，浓度根据血液稀释程度进行校正。
1.5 统计分析 对临床观察指标（年龄、ECC时间、阻断时间、除颤次数、清醒时间、拔管时间、ICU停留时间、使用氧合器类型）、各时点血浆S100β蛋白水平和手术前后认知功能评分进行对比分析。
所有数据用（±SD）表示。采用SPSS 11.5软件包进行统计学分析，包括单因素方差分析、t检验、配对t检验、符号等级检验和pearson线性相关分析，P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
63例患者手术过程顺利，无围术期死亡，年龄为33～66（46.8±9.63） 岁，ECC时间为44～212（95.3±40）min，阻断时间为27～126（60.9±26.9）min，清醒时间1～12（4.4±2.44）h，拔管时间4～24（14.5±4.9）h，ICU停留时间12～46（21.3±8.6）h（见表1）。术后1天、2天、7天用标准化神经系统检查均无明显阳性体征，其中2例（3%）患者醒后出现嗜睡，2天后恢复正常，8例（13%）患者醒后兴奋、躁动，1天后恢复正常，5例（7.9%）醒后表情淡漠、抑郁，其中2例5天后恢复，3例7天后恢复。
2.1 血浆S100β蛋白水平变化及影响因素
2.1.1 与术前相比，ECC后不同时间点血浆S100β蛋白浓度明显升高（P<0.01）（图1），ECC开始前患者血浆S100β蛋白平均水平在正常范围（0.17±0.12μg/L），ECC开始后20 min时达到（0.59±0.19）μg/L，ECC后1h达到峰值（1.27±0.45）μg/L，之后较快下降，ECC后24 h下降到（0.36±0.15）μg/L。
图1 血浆S100β蛋白水平变化（略）
注：与转前相比P<0.01
2.1.2 ECC后1h血浆 S100β蛋白浓度与年龄相关，P<0.05；与ECC时间和阻断时间显著相关，P<0.01，见表1。
表1 影响ECC后1h 血浆S100β蛋白的因素（略）
注：* 与ECC后1h 血浆 S100β蛋白比较有相关性；**与ECC后1h 血浆 S100β蛋白比较有显著相关性
2.1.3 术后神经精神症状明显的15例患者ECC后1 h、6 h、24 h血浆 S100β蛋白与术前的差值较48例无精神症状患者的差值相比明显升高，P≤0.001（表2）。随着ECC后时间的延长，两组的差值均呈下降趋势，术后24 h点，48例无神经精神症状的患者S100β蛋白平均水平已降至正常水平（0.14±0.15μg/L），而15例有神经精神症状的患者S100β蛋白平均水平仍高于正常水平（0.48±0.18μg/L）。
表2 有、无神经症状的病例S100β蛋白ECC术后各时间点与术前差值比较（略）
注：* 与无神经精神症状组相比 P≤0.001
2.2 手术前、后认知功能评分的检测及影响因素
2.2.1 手术前、后神经认知功能检测各参数结果见（表3），全组63例术后认知功能总评分（61.3±8.23）比术前总评分（68.7±8.61）明显降低（P≤0.001），每例认知功能总评分状况见图2。
图2 63例患者手术前、后神经认知功能总评分的差别（略）
表3 神经认知检测评分结果（略）
注：* ECC后与术前相比差别有显著性
2.2.2 15例术后有神经精神症状的患者手术前、后认知功能总评分差值（12.4±5.1）比48例没有神经精神症状的患者手术前、后认知功能总评分差值（5.8±7）明显增加，(P≤0.001)。
2.2.3 研究发现血浆S100β蛋白的分泌高峰即ECC后1h S100β蛋白值与手术前、后认知功能总评分差值呈正相关（r=0.254，P<0.05）。ECC后6 h、24 h S100β蛋白值与手术前、后认知功能总评分差值则显著相关（r＝0.398，P≤0.01；r＝0.582，P≤0.01）。
2.2.4 15例有神经症状患者的ECC时间和阻断时间明显高于无神经症状者，分别为(144.13±34.53)min和(90±32)min，而48例无神经症状患者为(80±27.5)min和(52±17.5)min，相应数值差异显著（P≤0.001）。功能总评分差值显著相关（r=0.460,P<0.01;r=0.497,P<0.01）（表4）。将患者按60岁、ECC时间60 min及阻断时间60 min为界限对手术前、后认知功能总评分差值划分为两组。ECC时间<60 min的14例患者与≥60 min的49例患者相比手术前后认知功能总评分差值分别为(1.64±4.8)、(9.04±6.9)，差异显著（P<0.001）；阻断时间<60 min的32例患者与≥60 min的31例患者相比手术前后认知功能总评分差值分别为(4.09±6.43)、(11.03±6.17)，差异显著（P<0.001）；年龄＜60岁的15例患者与年龄≥60岁的48例患者相比手术前后认知功能总评分差值分别为(9±8.7)、(6.9±6.6)，差异无统计学意义（P=0.325）。心脏复跳的除颤次数、术后清醒时间、拔除气管插管时间，ICU停留时间与手术前后认知功能总评分差值之间无明显相关关系。见表4。
表4 影响手术前、后神经认知功能总评分差值的因素（略）
注：* 相关系数有显著统计学意义
3 讨论
ECC手术后的神经精神异常是心脏直视手术后的常见并发症之一，病因复杂，它可受多种因素的影响，如年龄、病情的轻重、ECC时间、术中灌注流量、栓子等。术后早期及时发现脑损伤越来越受到重视，由于麻醉等多种因素影响，术后早期发现脑损伤存在困难，CT和MRI等检查又难以进行，术后智力测验也不能在早期进行。因此，寻找一种能早期检测脑损伤的特异性生化标记物具有重要的价值。
S100蛋白是一个酸性的由α、β亚单位组成二聚体，包括三种异构体：αα、αβ和ββ，其中ββ主要存在于神经胶质细胞及雪旺氏细胞中，被认为是神经胶质的标记蛋白，因此，S100β蛋白对脑损伤的检测有特异性，其在正常人血清中小于0.2μg/L，由肾脏排泄，生物半衰期为2h左右［7］。研究表明S100β蛋白可做为早期判断患者术后脑神经损伤的指标［8］。脑损伤时，结构上受损的神经胶质细胞会释放S100β蛋白进入脑脊液，透过血脑屏障入血。血浆浓度高于0.5μg/L被认为是病理水平［9］。
研究表明血浆S100β蛋白峰值水平在ECC结束时或结束后30 min［10］，本组患者ECC开始后血浆S100β蛋白逐渐升高，ECC后1h达到峰值，ECC后6 h仍维持在较高水平，与其它研究结果基本一致。血浆S100β蛋白的半衰期只有2 h左右，表明ECC开始后S100β蛋白可能持续向血浆中释放，神经胶质细胞受到不同程度的损伤，血脑屏障通透性增加。本研究数据显示随着停止ECC时间的延长，S100β蛋白水平的升高程度呈下降趋势，进一步证明了ECC过程是影响血浆S100β蛋白浓度变化的主要因素之一。我们研究发现年龄、ECC时间和阻断时间与ECC后1h 血浆S100β蛋白的水平显著相关。因此，对于高危患者（如术前存在脑血管疾病）我们更要注意脑保护，同时尽量减少转机和阻断时间来减少ECC对患者的脑损伤。
研究发现ECC后1 h血浆 S100β蛋白水平与手术前后认知功能总评分差值相关，说明术后认知功能受损的程度与血浆S100β蛋白的水平成正相关，而ECC后6 h和24 h 血浆S100β蛋白水平与手术前后认知功能总评分差值也有显著相关关系。因此S100β蛋白可以做为脑损伤的特异性检测指标［11-12］。血浆S100β蛋白浓度变化可敏感反映轻微脑损伤，同时可预测ECC心脏术后早期神经心理和精神异常的发生。
另外，通过比较术后有神经精神症状患者组与无神经精神症状患者组的ECC后1 h血浆 S100β蛋白水平的升高及手术前后神经认知功能评分的差别，发现均有显著性差异。表明S100β蛋白与术后神经精神症状的轻重和认知功能评分的变化显著相关，S100β蛋白水平的升高可以预测术后神经精神症状的发生。
我们采用中科院认知能力测验软件测试量表对患者手术前、后进行认知功能评分，研究结果表明术后大部分患者认知功能明显下降。
通过研究年龄、ECC时间、阻断时间、除颤次数、清醒时间、拔管时间及ICU停留时间与神经认知功能的关系，发现ECC时间、阻断时间与手术前、后神经认知功能评分的差值显著相关。进一步说明了ECC与术后患者神经认知功能变化有关，ECC时间≥60 min、阻断时间≥60 min的患者手术前、后认知功能总评分的差值显著增加，表明ECC时间与阻断时间越长，患者术后较术前认知功能下降越明显。ECC时间和阻断时间延长是心脏术后早期认知功能减退的危险因素。本研究未发现年龄与术后认知功能变化及发生神经精神症状的相关性，可能与多种因素有关。本研究也对鼓泡式氧合器组（8例）和膜式氧合器组（55例）进行统计学分析，然而未发现统计学差异，其原因可能是鼓泡式氧合器组转机时间较膜式氧合器组短有关。
总之，ECC后1 h血浆S100β蛋白水平的升高、ECC时间和阻断时间的长短与术后认知功能评分及术后有否神经精神症状有关。ECC时间及阻断时间越长则术后脑损伤越明显，而ECC后1 h血浆S100β蛋白水平的升高与ECC时间、阻断时间、手术前后认知功能评分变化及有否神经精神症状均显著相关。说明其可早期预测术后认知功能的损害及神经精神症状的发生。为高危患者术后及时诊断脑损伤及采取脑保护措施提供有力依据。随着对S100β蛋白在临床上的深入研究，其可以做为早期发现亚临床脑损伤诊断和预测术后神经精神并发症发生的特异性生化标记物，具有良好的应用前景。
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