体外循环管道表面改性的回顾与进展

罗鹏 杨剑 刘维永

(第四军医大学附属西京医院心血管外科，西安 710032)

引言

经过50多年的发展和逐步完善，体外循环(cadiopulmonary bypass，CPB)已经成为今天心脏直视手术的常规技术。然而，由于制备体外循环管道所使用的材料多为聚氯乙烯、聚氨酯和硅橡胶等人工合成材料，其生物相容性欠佳，当与血液接触时，可造成血液有形成分损伤，细胞释放一氧化氮(NO)、内皮素、细胞因子等血管活性物质，以及凝血、纤溶、补体系统激活而引起严重的全身炎症反应[1]，进而导致心肌功能障碍、呼吸衰竭、成人呼吸窘迫综合症、败血症、凝血功能障碍、肾功能不全、神经认知功能障碍和多器官功能衰竭等术后并发症[2]，严重影响患者术后的临床转归。针对这些问题，减轻异物表面反应的多种策略得到发展，包括体外循环管道的表面涂层、选用生物相容性更好的人工材料和药物介入抑制炎症反应等[1]。其中，体外循环管道表面改性一直是研究的热点。

文中对目前体外循环管道表面改性的几种主要方法及其临床应用做一回顾，并介绍了其最新研究进展。

1 生物活性表面

1.1 肝素涂层表面

肝素是一种带有大量负电荷的粘多糖硫酸酯，其主要由肥大细胞和嗜碱性粒细胞产生，在临床上被广泛用作抗凝剂。研究表明，微血管内皮细胞表面存在有肝素样分子和其他生物活性物质，从而防止局部血栓形成。1963年Gott等首次用石墨-苄烷铵肝素(graphite-benzalkonium heparin，GBH)浸渍法以离子结合方式将肝素与人工合成材料结合，以增加人工血管的抗血栓形成性能[3]。此后人们一直尝试应用肝素涂层来改善体外循环管道的生物相容性，以减轻心脏手术后的全身炎症反应。直到1983年Larm等才首次开发出商品化的肝素涂层技术[4]，此后研究人员相继开发出多种不同结合机制的肝素涂层技术，如代表离子键结合技术的Duraflo IITMsurface(Baxter Healthcare Corporation，USA)，代表共价键结合技术的CorlineTMHeparin Surface(CHS，Corline Systems AB，Sweden)和 AOThelTMheparin coating(Artificial Organ Technology，Bad Oeynhausen，Germany)，代表终点固定方式的Carmeda® Bioactive Surface(Medtronic，USA)和TrilliumTMBiosurface(Medtronic，USA)，以及代表共价键和离子键共同结合技术的BiolineTM(Jostra Cardiopulmonary，Germany)等。大量的体外实验和临床研究都表明肝素涂层除了能明显改善体外循环管道的生物相容性，通过抑制血小板、凝血纤溶系统和补体系统的激活而减轻CPB后的全身炎症反应外[5-6]，还能改善CPB术中和术后的血流动力学稳定性和重要器官的代谢，从而使部分心脏手术后患者的临床转归明显改善[7-8]。最近，Gunaydin等报道了以透明质酸为基础的肝素涂层方法，临床研究显示该涂层方法具有更好的效果和更轻的炎症反应，并能安全减少体外循环中全身肝素化的肝素用量[9]。肝素涂层表面是体外循环管道表面改性的一个里程碑，但由于肝素涂层未能完全阻止手术创面所介导的血液激活，所以肝素涂层体外循环管道在临床应用中仍有不少问题有待进一步解决。

1.2 双嘧达莫固定化表面

双嘧达莫是一种众所周知的血管扩张剂和血小板激活、聚集的强效抑制剂，而且几乎没有毒性。该药在临床上被广泛用于抗凝治疗，如冠脉腔内成形术的术前和术后用药。Aldenhoff等用光化学固定法将双嘧达莫共价结合于聚氨酯表面，发现双嘧达莫使聚氨酯表面的血栓形成性明显降低，并且能明显减少血小板的粘附，从而改善了聚氨酯的血液相容性[10]。目前固定化的双嘧达莫的确切作用机制仍然未知，可能是基于血小板-双嘧达莫的特异识别，或固定化的双嘧达莫能减少血浆蛋白的吸附从而抑制血小板的粘附。由于与肝素的抗凝机制不同，双嘧达莫主要通过抑制血小板的粘附和激活而发挥抗血栓形成作用，因而是否可尝试将其与肝素联合用于体外循环管道表面的改性还值得进一步研究。

1.3 释放或产生NO的聚合物涂层表面

NO是一种众所周知的血小板粘附和激活抑制剂，也是平滑肌细胞增殖的有效抑制剂。最近有研究人员合成出了一种与血液接触时能化学释放或局部生成 NO的聚合物[11]。该聚合物主要通过融合离散型的NO给予体分子或与NO给予体共价结合而制得。初步的体外和体内实验结果显示该聚合物涂层使体外循环管道的生物相容性有所提高。但其应用的最大局限性是聚合物中NO储备量有限，从而限制了该涂层应用的时效性[11]。释放或产生NO的聚合物涂层管道表面能否真正使病人临床获益还需要进一步验证。

1.4 赖氨酸固定化表面

纤溶酶原是一含有赖氨酸结合位点的血浆蛋白，它是人体血液纤溶系统的重要组分。最近的研究表明，促进纤溶酶原在人工材料表面结合能够改善其血液相容性。McClung等[12]利用光化学固定法将含赖氨酸和二苯甲酮的聚丙烯酰胺涂层共价固定于聚氨酯表面，体外实验发现该表面能够大量结合血浆中的纤溶酶原，并且结合的纤溶酶原能够被t-PA激活为纤溶酶，从而能够溶解血凝块。另外，研究还发现该表面结合的纤溶酶原能够与血浆中的纤溶酶原自我交换，从而具有持续再生的能力，能够长期保持促纤维蛋白溶解活性。与肝素涂层表面抗血栓形成不同，赖氨酸固定化表面通过结合纤溶酶原而促进纤维蛋白溶解，为体外循环管道的表面改性提供了一种新思路，但是其在血液流动状态下的性能还有待进一步观察。

2 生物惰性表面

2.1 白蛋白涂层表面

白蛋白是血浆中含量最丰富的蛋白质，具有高度的稳定性和水溶性。它的多肽链不会与血小板、白细胞或凝血系统中的酶受体发生相互作用，能够相对牢固地吸附于疏水性表面。基于白蛋白的上述特性，许多研究者进行了白蛋白涂层和增加人工材料表面对白蛋白亲和力的研究，并开发出了商品化的重组白蛋白涂层体外循环管道(safelinetreatment maquet)。但白蛋白涂层表面具有的最大缺陷就是结合的白蛋白会逐渐变性或被其它对人工材料具有更高亲和力的蛋白质所取代，因而限制了其在临床上的应用。

2.2 水凝胶涂层表面

水凝胶是一种专为生物学使用的亲水性聚合物，其具有交联的三维结构和强吸水性。聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl-pyrrolidone，PVP)就是其中的典型代表，它具有良好的生物相容性。Francois等将PVP涂覆于聚氨酯导管的表面，发现PVP涂层不仅能够增加聚氨酯表面的光滑性和亲水性，而且还能明显减少蛋白质吸附(纤维蛋白原)和蛋白质介导的细胞粘附，从而改善了聚氨酯的生物相容性[13]。水凝胶涂层技术简单，成本低廉，目前已广泛应用于医疗器械的表面改性，并取得了良好的临床效果，将来有望进一步扩展应用于体外循环管道的表面改性。

2.3 表面改性添加剂改性表面

表面改性添加剂(surface-modifying additive，SMA)是一种具有两亲性的三嵌段共聚物，其一般通式为聚已酸内酯-聚二甲硅氧烷-聚已酸内酯。当它与基材聚合物共混时，由于其电荷特性而迁移至基材聚合物的表面，形成一种静电荷为中性的稳定的微区样结构，从而减少血小板和白细胞的沉积[14]。 SMARxTTMsurface(COBE Cardiovascular，CO，USA)是其商品化的体外循环管道。体外和体内实验表明，这种经SMA改性的体外循环管道能够延迟接触激活，降低凝血活性，改善血小板相容性，并减少细胞、血浆蛋白系统的激活[14]。此后，Rubens等进行的一系列临床试验证实这种经SMA改性的体外循环管道与普通体外循环管道相比，能够增强血小板保护，减少纤维蛋白溶解和凝血酶生成，预防体外循环中不利的血流动力学改变，其生物相容性明显改善[14-15]。不过，最近 Newling等在体外研究中发现，由于SMA改变了聚氯乙烯管道的机械牵拉强度，经SMA改性的体外循环管道与普通体外循环管道相比，导致其在体外循环中断裂的危险性增加，从而降低了患者的手术安全性[16]。SMA改性体外循环管道主要通过影响蛋白质的吸附而改善体外循环管道的生物相容性，其体外实验和临床试验所获得的结果基本相符，但目前其临床应用的经验还有限，加上新近发现SMA改性体外循环管道的力学性能有所下降，故值得继续关注。

2.4 PMEA涂层表面

聚2-瞵酰甲氧乙基腺嘌呤(Poly-2-methoxyethylacrylate，PMEA)是一种人工合成的聚合物，其疏水性主链上带有轻度亲水性残基，但是没有功能性基团。将PMEA涂覆于聚合物表面，能形成具有两亲性的血液接触表面。X-coatingTM(PMEA，Terumo，Cardiovascular Systems，Japan)是其商品化的体外循环管道。目前PMEA涂层体外循环管道已安全应用于小儿和成人心脏手术，具有良好的血液相容性，并且能够减轻围术期的炎症反应，改善患者的临床转归[17-19]。PMEA涂层体外循环管道与SMA改性体外循环管道类似，是通过抑制血浆蛋白的吸附而改善体外循环管道的生物相容性，其减轻CPB不良影响与肝素涂层体外循环管道相当，但是能否使患者临床获益仍有待进一步验证。

3 生物模仿表面

磷酸胆碱(phosphorylcholine，PC)基团是组成细胞膜基本单元卵磷脂的亲水端基团，是细胞外膜的外层功能基团。日本学者Nakabayashi等最早提出了仿细胞膜结构的概念，并设计合成了含PC基团的甲基丙烯酸酯单体(methacryloylphosphorylcholine，MPC)及其与憎水单体的共聚物。随后，Campbell等成功合成出具有生物膜结构表面的聚合物用于人工材料的表面改性[20]。体外实验表明MPC涂层表面能够减少蛋白质的吸附(特别是纤维蛋白原)，从而减少血小板沉积。另外也有证据表明该表面能够减少凝血因子Ⅻ的激活。最后，当该涂层溶解时，MPC还能够通过一种仍未知的机制抑制凝血酶。De Somer等的研究表明MPC涂层CPB管道与普通体外循环管道相比，其血小板激活明显减少，表现为血栓素 X2和 bTG的水平下降[21]。最近Pappalardo和Schulze等的临床研究表明PC涂层体外循环管道能够限制高危心脏手术中的凝血酶生成[22]，改善血小板保护和减少促炎细胞因子的表达[23]，但另外也有研究表明 PC涂层体外循环管道不能减轻婴幼儿心脏手术后的炎症反应[24-25]。PC涂层作为一种全新的体外循环管道表面改性方法，使体外循环管道的生物相容性有所提高，但是并没有明显改善患者术后的临床转归。

4 其它表面改性方法

以往的研究发现，肝素的抗凝血活性与肝素分子链上的带负荷电的磺酸基及羧基有关，且主要与磺酸基有关。基于此，Liu等用SO2/O2混合气体等离子体技术在医用聚氯乙烯膜上引入磺酸基，显著提高了聚氯乙烯膜的抗凝血性能[26]。另外，有证据表明，体外循环管道中的聚氯乙烯管中所使用的增塑剂在炎症反应中发挥一定作用，将增塑剂从聚氯乙烯管表面去除，可以上调中性白细胞表面的CD11 b，从而改善其生物相容性，其减轻体外循环所引起的炎症反应的作用与肝素涂层相似[27]。

经过20多年的发展，目前的体外循环管道生物相容性已明显改善，但还远未达到理想程度。最理想的生物相容性表面莫过于血管内皮细胞层，通过在人工材料表面接种内皮细胞，可以获得生物相容性优越的生物材料，然而由于体外循环管道多为一次性使用产品，故这种技术难度大、成本高的表面改性方法并不适用。生物活性表面和生物模仿表面仍是最有前途的体外循环管道表面改性方法。1997年Chan等基于非酶糖基化反应合成出了一种新型抗凝血酶-肝素共价复合物(antithrombinheparin covalent complex，ATH)，并对 ATH进行了一系列研究，发现ATH具有直接和间接抑制凝血酶的活性，对血浆蛋白和内皮细胞的吸附较普通肝素明显减少[28]，在人工材料表面的结合密度大且结合稳定[29]，特别是 ATH还能抑制纤维蛋白结合的凝血酶活性和使结合有凝血酶的纤维蛋白血栓具有抗凝血活性[30]，从而能有效的抑制手术创面所介导的血液激活，因此ATH是一种较理想的可用于体外循环管道表面改性的生物活性物质。但是，目前ATH的合成和纯化都较困难，且成本很高，暂不适用于体外循环管道的表面改性。随着基因工程合成人源性重组抗凝血酶的成功和ATH制备纯化工艺的改进，我们可以期待将来开发出生物相容性更为优越的ATH涂层体外循环管道。

[1]Li S，Price R，Phiroz D，et al.Systemic inflammatory response during cardiopulmonary bypass and strategies.[J].J Extra Corpor Technol，2005，37(2)： 180-188.

[2]Levy JH，Tanaka KA.Inflammatory response to cardiopulmonary bypass.[J].Ann Thorac Surg，2003，75(2)： S715-S720.

[3]Gott VL，Whiffen JD，Dutton RC.Heparin bonding on colloidal graphite surfaces.[J].Science，1963，142： 1297-1298.

[4]Larm O，Larsson R，Olsson P.A new non-thrombogenic surface prepared by selective covalent binding of heparin via a modified reducing terminal residue.[J].Biomater Med Devices Artif Organs，1983，11(2-3)： 161-173.

[5]Vocelka C，Lindley G.Improving cardiopulmonary bypass：heparin-coated circuits.[J].J Extra Corpor Technol，2003，35(4)： 312-316.

[6]Zhang Kailun，Hu Zhiwei，Yang Yunhai，et al.Protective effect of heparin-coated circuits on the platelets during cardiopulmonary bypass.[J].J Huazhong Univ Sci Technolog Med Sci，2003，23(4)：403-406.

[7]De Vroege R，Huybregts R，Van Oeveren W，et al.The impact of heparin-coated circuits on hemodynamics during and after cardiopulmonary bypass.[J].Artif Organs，2005，29(6)： 490-497.

[8]De Vroege R，Stooker W，Van Oeveren W，et al.The impact of heparin coated circuits upon metabolism in vital organs：effect upon cerebral and renal function during and after cardiopulmonary bypass.[J].ASAIO J，2005，51(1)： 103-109.

[9]Gunaydin S，Farsak B，Mccusker K，et al.Clinical and biomaterial evaluation of hyaluronan-based heparin-bonded extracorporeal circuits with reduced versus full systemic anticoagulation in reoperation for coronary revascularization.[J].J Cardiovasc Med(Hagerstown)，2009，10(2)：135-142.

[10]Aldenhoff YB， Koole LH. Platelet adhesion studies on dipyridamole coated polyurethane surfaces.[J].Eur Cell Mater，2003，5：61-67.

[11]Frost MC， Reynolds MM， Meyerhoff ME. Polymers incorporating nitric oxide releasing/generating substances for improved biocompatibility of blood-contacting medical devices.[J].Biomaterials，2005，26(14)： 1685-1693.

[12]Mcclung WG，Clapper DL，Hu SP，et al.Lysine-derivatized polyurethane as a clot lysing surface：conversion of adsorbed plasminogen to plasmin and clot lysis in vitro.[J].Biomaterials，2001，22(13)： 1919-1924.

[13]Francois P， Vaudaux P， Nurdin N， et al. Physical and biological effects of a surface coating procedure on polyurethane catheters.[J].Biomaterials，1996，17(7)： 667-678.

[14]Rubens FD，Labow RS， Lavallee GR，et al.Hematologic evaluation of cardiopulmonary bypass circuits prepared with a novel block copolymer.[J].Ann Thorac Surg，1999，67(3)：689-696，696-698.

[15]Rubens F D，Ruel M，Lavallee G，et al.Circuits with surface modifying additive alter the haemodynamic response to cardiopulmonary bypass.[J].Eur J Cardiothorac Surg，1999，15(3)：353-358.

[16]Newling R，Morris R.SMART tubing presents an increased risk of disconnection during extracorporeal circulation.[J].J Extra Corpor Technol，2005，37(4)： 400-401.

[17]Deptula J，Glogowski K，Merrigan K，et al.Evaluation of biocompatible cardiopulmonary bypass circuit use during pediatric open heart surgery.[J].J Extra Corpor Technol，2006，38(1)：22-26.

[18]Suzuki Y， Daitoku K， Minakawa M， et al. Poly-2-methoxyethylacrylate-coated bypass circuits reduce activation of coagulation system and inflammatory response in congenital cardiac surgery.[J].J Artif Organs，2008，11(3)： 111-116.

[19]Vang SN，Brady CP，Christensen KA，et al.Clinical evaluation of poly(2-methoxyethylacrylate) in primary coronary artery bypass grafting.[J].J Extra Corpor Technol，2005，37(1)： 23-31.

[20]Campbell E J，O＇Byrne V，Stratford P W，et al.Biocompatible surfaces using methacryloylphosphorylcholine laurylmethacrylate copolymer.[J].ASAIO J，1994，40(3)： M853-M857.

[21]De Somer F， Francois K， Van Oeveren W， et al.Phosphorylcholine coating of extracorporeal circuits provides natural protection against blood activation by the material surface.[J].Eur J Cardiothorac Surg，2000，18(5)： 602-606.

[22]Pappalardo F，Della VP，Crescenzi G，et al.Phosphorylcholine coating may limit thrombin formation during high-risk cardiac surgery： a randomized controlled trial.[J].Ann Thorac Surg，2006，81(3)：886-891.

[23]Schulze CJ，Han L，Ghorpade N，et al.Phosphorylcholinecoated circuits improve preservation of platelet count and reduce expression of proinflammatory cytokines in CABG：a prospective randomized trial.[J].J Card Surg，2009，24(4)： 363-368.

[24]Draaisma AM， Hazekamp MG， Anes N， et al.Phosphorylcholine coating of bypass systems used for young infants does not attenuate the inflammatory response.[J].Ann Thorac Surg，2006，81(4)：1455-1459.

[25]Hoel TN，Thiara AS，Videm V，et al.In vitro evaluation of PHISIO-coated sets for pediatric cardiac surgery.[J].Scand Cardiovasc J，2009，43(2)： 129-135.

[26]Liu Peng， Chen Yashao. Surface sulfonation of polyvinyl chloride by plasma for antithrombogenicity.[J].Plasma Sci.Tech.，2004，6(3)：2328-2332.

[27]Gourlay T.Biomaterial development for cardiopulmonary bypass.[J].Perfusion，2001，16(5)：381-390.

[28]Chan AK，Paredes N，Thong B，et al.Binding of heparin to plasma proteins and endothelial surfaces is inhibited by covalent linkage to antithrombin.[J].Thromb Haemost，2004，91(5)：1009-1018.

[29]Klement P， Du Y， Berry L， et al. Blood-compatible biomaterials by surface coating with a novel antithrombin-heparin covalent complex.[J].Biomaterials，2002，23(2)： 527-535.

[30]Smith LJ，Mewhort-Buist TA，Berry LR，et al.An antithrombinheparin complex increases the anticoagulant activity of fibrin clots[J].Research Letters in Biochemistry，2008，2008： 1-4.