体外循环过程中的炎性反应机制及治疗策略
【关键词】 炎性反应。
心脏手术体外循环过程中血液直接与心肺机的异物表面接触，体外循环本身的非生理灌注，手术创伤［1,2］，器官缺血再灌注致白细胞与内皮细胞激活、体温变化、肠道内毒素释放等均可引发全身炎症反应综合征［3］（SIRS），启动以炎性细胞因子、补体、中性粒细胞相继被激活的“炎性瀑布”［4］效应的发生，造成多器官功能的衰竭［5］(MOF)，如呼衰、肾衰、肝功能改变等，严重影响到患者的术后恢复。现将体外循环过程中的炎性反应机制及对其治疗策略做一综述如下:。
1.1 激肽—激肽释放酶旁路。
血液直接接触体外循环回路时，在高分子激肽原(HMWK)及激肽释放酶原的存在下而自动活化产生因子Ⅻa(ＦⅫa)，ＦⅫa又可激活Ⅺ ,于是放大内源性凝血级联反应,导致凝血酶的形成及激肽释放酶原转化为激肽释放酶,激肽释放酶可直接激活补体C5，中性粒细胞和纤溶系统，使纤溶酶原更易转化为纤溶酶［6,7］, 又可裂解表面结合的HMWK而释放缓激肽导致血管平滑肌舒张及血管通透性的升高［8］体外循环手术中常规使用的抗凝剂肝素能减慢FⅫa 及激肽释放酶的失活，注射肝素后血浆激肽释放酶原降低，而肝素化后体外循环开始时激肽释放酶的活性短暂而急剧的上升，体外循环结束时激肽释放酶的活性恢复正常［9］，这些过程均促进了炎性反应的发生。
1.2 纤溶旁路。
激肽—激肽释放酶旁路的许多产物能使纤溶酶水平上调，促进纤溶旁路的激活。 激肽释放酶能裂解纤溶酶原为纤溶酶［10］，在HMWK的存在下也能裂解尿激酶原产生尿激酶，导致纤溶酶形成增加。纤溶酶亦能直接激活FⅫ 而放大炎性反应，还可产生致炎的纤维蛋白裂解产物(FDP)，破坏内皮细胞的完整性，干扰纤维蛋白的形成，使血小板功能失调等。
1.3 补体的激活。
在体外循环期间补体通过经典途径(CP)及替代途径(AP)的级联反应而依次活化。循环血液经过体外循环装置时激活AP导致补体活性片段C3a与C5a的产生；而鱼精蛋白拮抗肝素时可激活CP，导致C4a和C3a水平的明显升高，循环中的内毒素释放可同时激活这两个途径。C3a及C5a刺激肥大细胞及嗜碱性粒细胞释放组胺及其他炎性介质，导致血管通透性增高及平滑肌收缩。C3a还能导致心动过速，冠脉血管收缩及抑制心肌收缩力。C5a是一种强效趋化因子，刺激中性粒细胞聚集及黏附于内皮细胞上，还能引发中性粒细胞释放溶酶体酶，氧自由基及白介素。其他的血浆蛋白酶系统成分也能促使补体激活，如纤溶酶直接裂解C3而激活补体，激肽释放酶作用于C5产生C5a,FⅫ 激活的FⅫf能裂解C1启动经典途径。多器官功能不全的病人与体外循环后C3a升高密切相关，而在非体外循环心脏手术过程中C3a水平无变化［11］。
中性粒细胞在许多介质参与(包括C3a、C5a、血小板激活因子、凝血酶、组胺、TNF—α、IL—1以及白三烯B4等)下，在毛细血管壁滚动,紧密黏附然后穿过毛细血管进入间质组织，激活的中性粒细胞脱颗粒释放毒性产物如细胞内颗粒蛋白酶、毒性氧基团和花生四烯酸代谢产物引起组织损伤.对中性粒细胞释放酶的正常调节机制为：抗蛋白酶可中和中性粒细胞蛋白酶活性。在抗蛋白酶抑制剂活性降低，蛋白酶和抗蛋白酶两者关系失调时，中性粒细胞释放酶引起组织损伤。其中颗粒蛋白酶包括乳酸铁蛋白溶解酶和弹力蛋白酶，它们具有极强的组织溶解能力并改变组织间中性内环境作用，导致体外循环术后病人出血倾向、组织水肿和缺血缺氧。其特点是随体外循环期间肺内大量白细胞“扣压”对肺间质及肺血管内皮的损害而诱发术后呼吸窘迫综合征。中性粒细胞与血管内皮细胞的黏附由黏附分子介导，目前发现了三类有关的黏附分子家族：选择素、整合素家族、免疫球蛋白超家族。中性粒细胞黏附于内皮细胞分两步：第一步，循环中的白细胞减速沿内皮细胞表面滚动；第二步，整合素能紧密的介导黏附滚动的中性粒细胞至毛细血管壁直至外渗出毛细血管。体外循环对白细胞功能有显著的影响，体外循环导致中性粒细胞激活并被扣押与微循环(如肺循环)以及黏附于体外循环管道是导致白细胞计数变化的重要原因。体外循环开始时是由于血液稀释及白细胞吸附于体外循环管道导致白细胞数急剧下降［12］；开放主动脉后约50%循环中性粒细胞聚集后肺毛细血管床，这可能与内皮细胞及肺泡Ⅱ型细胞损伤有关。由于黏附分子表达后中性粒细胞激活与肺损伤及心肌缺血再灌注损伤有很强的相关性，故防止白细胞的黏附有着重要的意义。
1.5 细胞因子。
体外循环期间血液内细胞成分与人工材料的持续性接触能使T淋巴细胞、巨噬细胞、血管内皮细胞、纤维母细胞等受内源性刺激产生旁分泌（paracrine）和自分泌(autocrine)，分泌出的小分子(80kD)糖蛋白即细胞因子，在体液内浓度仅为pg/ml~ng/ml，有很强的生物活性，对细胞的增殖，分化或其他细胞功能有明显的作用。产生细胞因子的细胞归纳有三类：①活化的免疫细胞,包括淋巴细胞、单核细胞、中性粒细胞、肥大细胞等；②基质细胞，包括血管内皮细胞、成纤维细胞、上皮细胞等；③某些肿瘤细胞。细胞因子对体外循环起作用的主要有白介素和肿瘤坏死因子等，细胞因子的反应程度与体外循环时间及主动脉阻断时间长短有关，是受侵袭的机体一连串反应的中心环节。可分为两类：
1.5.1 促炎性细胞因子。
包括肿瘤坏死因子(TNF—α)、白细胞介素—1β(IL—1β)、白细胞介素—6(IL—6)、白细胞介素—8(IL—8)以及单核细胞趋化激活因子(MCAF)等。IL—6的升高可致内源性介质的释放诱导急性期炎症反应的发生［13］。诱导了其他免疫因子和内分泌因子的广泛释放，所以体外循环术后的IL—6水平明显升高，可看作“急性时相反应”的一种表现。IL—6是肝细胞合成急性期蛋白的强力诱导剂，是调节急性反应蛋白合成的主要物质。IL—6浓度在体外循环和手术结束时明显增高是由于手术打击和体外循环本身造成的侵袭，导致血管活性物质的释放、肠壁血管收缩、肠道通透性增加、肠道内毒素转移至血中所致。IL—6水平的升高与体外循环后的心衰有关。IL—8是一潜在的中性粒细胞化学趋向剂并与白细胞浸润所致的肺损害有关。缺血缺氧时血管内皮细胞被激活，释放大量的IL—8导致中性粒细胞的激活并促使中性粒细胞进入炎性区域。再灌注时大量聚集在缺血区域的激活中性粒细胞产生呼吸爆发，形成大量的自由基，造成组织脏器的功能损害。TNF—α可能导致血管内皮功能失调、全身血管阻力下降、发热、低血压、血液浓缩、代谢性酸中毒和循环休克并与术后毛细血管渗漏综合征有关。IL—1β和TNF—α可以激活中性粒细胞,释放弹性蛋白酶和氧自由基等。MCAF可吸引和激活单核细胞，增加体外循环时间长的病人发生栓塞的危险性。
1.5.2 抗炎性细胞因子。
体外循环期间的抗炎细胞因子IL—10的释放可抑制促炎细胞因子的释放而起到保护作用，IL—10能抑制单核细胞与巨噬细胞的活性并抑制TNF—α和IL—6的合成［14］。故体外循环过程中IL—10的表达可能是机体的一种自身保护机制。抗炎和促炎细胞因子间的平衡对于炎性反应程度与临床预后有重要的意义［15］。
体外循环过程中多种细胞因子表达升高可能与以下几种因素有关：①补体的激活；②细菌内毒素细胞（脂多糖）的作用；③各种细胞因子之间的相互作用。各种细胞因子并非孤立存在，它们相互联系，相互作用，形成一个复杂的体系。
1.6 血小板激活因子（PAF）及血小板。
PAF是由许多细胞合成的磷脂化合物，除具有血小板聚集及激活功能外，也是一种广泛存在于人体各种组织并在体内起着激素样作用的生物活性物质，参与各种生理病理过程,如调节血管动力(负性)、促进纤维蛋白原和纤维蛋白沉积、增强血管通透性、促进炎性细胞的功能和激活补体、促进花生四烯酸的代谢和钙离子内流等。PAF作为一种炎性介质在体外循环心脏手术后对肺、心肌、脑和肾均有严重的损害，在心肌缺血再灌注损伤中也起了关键的作用。故抑制PAF可降低体外循环后病人的死亡率。血小板可释放纤溶酶原及纤维蛋白原等促使炎性反应，激活的血小板黏附于毛细血管内皮细胞表面分泌IL—8、MCP—1等趋化因子,使中性粒细胞及单核细胞积聚。
1.7 氧自由基。
白细胞激活导致了大量氧自由基的释放，一方面其中的超氧阴离子、过氧化氢、羟基和单态氧可使细胞膜通透性增强，降低心肺功能；另一方面氧自由基破坏对NO的利用，加速缺血后再灌注心肌小血管痉挛及微血栓形成。
1.8 一氧化氮(NO)。
NO是一种被血管内皮摄取后产生舒张作用的活性因子。正常情况下通过NO合成酶(NOS)L—精氨酸转化成L—瓜氨酸而来；而另一来源途径是通过钙非依赖性同工酶作用于巨噬细胞产生。NOS可分为两种：原生型和诱生型。分别为钙离子依赖性和钙离子非依赖性同工酶。体外循环时产生大量的NO，主要调节血管舒缩及血流，还可抑制血小板聚集、阻止白细胞与血管内皮的黏附、防止血栓形成，对缺血再灌注损伤具有保护作用并能改善心脏及肠的功能。
1.9 内皮素。
内皮素作用于血管内皮，其活性集团是内皮素—1，是目前所发现的作用最强，作用时间最长且唯一能作用于50mm毛细血管的缩血管物质。它能引起冠状动脉的强烈持久收缩导致再灌注后整个冠脉血流量的降低，增强心肌耗氧，明显降低心输出量，加重肺小血管收缩,引起术后ARDS及肺高压。内皮素还可增加细胞和线粒体钙离子浓度，增强心肌脂质过氧化与氧自由基的浓度引起严重的心律失常以及促使心肌胞浆酶和肌红蛋白大量漏出。因此内皮素至少是参与心肌再灌注损伤的重要因素。肾脏对该物质的敏感性较其他器官高10倍且与体外循环期间的尿量呈负相关，故内皮素还与体外循环后的肾衰有关。体外循环时内皮素水平的升高与内毒素的升高是一致的［16］，内皮素的缩血管作用可引起肠的低灌注，使得内毒素释放入循环，而这又可以刺激内皮细胞分泌更多的内皮素。
1.10 花生四烯酸代谢产物。
由前列腺素类化合物和白三烯组成。最重要的前列腺素类化合物是血栓素A2(TXA2)和前列腺素。来源有两个：中性粒细胞膜和体外循环时的胸腔积液。TXA2为一强的血管收缩剂且促血小板聚集；前列腺素如前列腺素E1(PGE1)，PGE2，前列腺环素(PGI2)的释放增加则有血管舒张及抗血小板聚集、包括平衡由TXA2引起的缩血管与血小板聚集作用，故对心肌和肺产生保护作用。白三烯是一潜在的化学趋向剂，可增加血管的通透性。体外循环期间白三烯释放增加的程度与术后住院的时间长短相关［17］。白三烯的产生在ARDS和MOF的发生发展方面有重要作用。
1.11 内毒素。
内毒素为一强烈的炎症级联反应激活剂。体外循环时内毒素有许多来源，肠腔可能是其重要来源之一。体外循环时内脏血管收缩灌注量下降49%［18］，可导致肠黏膜缺血，使其通透性增加；体外循环还可引起肠道酸中毒，低灌注，缺氧与再灌注损伤等［19］，最终导致毒素释放入血液循环。内毒素可通过替代途径激活补体并可增加包括肿瘤坏死因子—α(TNF—α)在内的细胞因子释放。
1.12 磷脂酶A2(PLA2)。
作为一组对炎症反应过程起重要作用的酶家族，它在细胞膜信号的传递，生物膜的稳衡过程，脂质介质的激活以及白细胞内皮细胞黏附级联的形成过程中起了重要作用。体外循环期间由纤溶系统合成释放的组织血浆素原激活因子(t—PA)和血浆素原激活纤溶系统产生的FDP；补体激活后协同诱导产生的大量白细胞化因子LTB4、LTC4、LTD4及肠道内毒素；体外循环中活化的凝血因子Ⅷ等；体外循环后期肺的再灌注激活大量的白细胞释放的活性氧代谢产物均可激活PLA2。另外体外循环血浆中PLA2活性的改变与肝素浓度的变化密切相关，使用鱼精对抗肝素后可一定程度降低PLA2的活性。PLA2通过水解膜磷脂造成细胞损伤、启动炎性介质的产生从不同的方面参与炎症损伤过程、造成受体的损伤［20］、介导白细胞—内皮细胞黏附级联的形成和中性粒细胞的活化等途径参与炎症反应。
2 药物治疗策略。
2.1 皮质类固醇的应用。
类固醇可降低体外循环期间的补体激活，抑制促炎细胞因子包括TNF—α、IL—1β、IL—6、IL—8的升高，也可明显增强抗炎细胞因子IL—10的水平；其他作用还有：降低体外循环期间血管张力、增强血管灌注血流、增加心脏指数、稳定细胞内溶酶体膜、防止细胞分解死亡、抑制细胞磷酸脂酶活性和膜的流动性保护心肌等。给药的理想时间是在体外循环开始前，即类固醇预处理可防止内皮细胞对中性粒细胞的过多黏附，在抑制体外循环炎症反应的同时也能降低缺血再灌注损伤。但因其在体内并不抑制补体的激活所引起的内毒素水平的升高和细胞防御机制的损害,故临床未做常规使用。
2.2 抑肽酶。
抑肽酶能有效的抑制体外循环术中IL—6、IL—8和TNF—α释放，增强体外循环中IL—10的血浆水平，降低体外循环术后炎性反应的程度。对促进患者术后恢复、降低术后并发症具有重要的意义。由于抑肽酶是丝氨酸蛋白酶抑制剂，故还可通过抑制一系列酶的反应抑制内源性凝血级联反应、白细胞激活、和由PAF引起的呈剂量依赖关系的炎症反应、保护血小板从而降低失血缓解炎性反应。另外，应用抑肽酶后无内皮细胞的继续损害，机制为：①抑制血小板的活化，抑制血小板与白细胞相互结合并沉积于内皮细胞；②通过抑制多种丝氨酸蛋白酶的释放，降低黏附分子的释放及补体激活从而抑制中性粒细胞与内皮细胞的黏附。
2.3 抗氧化剂。
用含血心停搏液代替晶体停搏液进行心肌再灌注可降低心肌的缺血再灌注损伤。因其中的红细胞含有内源性氧自由基清除剂。而外源性氧自由基清除剂则是指一组有利于清除、中和、抑制体内产生氧自由基的药物，包括维生素C、维生素E、别嘌呤醇、辅酶Q10、超氧自由基清除剂鳌合剂、去铁胺等，可降低心肌损伤和手术期间并发症，对血流动力学不稳定的CABG患者则更加明显。
2.4 预防性应用抗生素。
消化道细菌是体外循环病人血中内毒素的主要来源，体外循环术前口服抗生素可降低肠道内细菌，使体外循环后内毒素和IL—6水平明显降低。