深低温停循环脑损伤与保护的研究进展

程伟伟(综述)，姚建民(审校)

(1.北京军区总医院，北京100700;2.山西医科大学，太原030001)

深低温停循环技术(deep hypothermia ardiac arrest，DHCA)1953年问世，1959年首次应用于心脏直视手术，之后逐渐得到广泛应用。鉴于DHCA可以增加术中视野，具有使手术在“无血”状态下进行、安全性好等明显优点，现已从治疗婴幼儿复杂先心病等心内直视手术扩展到其他非心脏外科复杂手术、移植、重症抢救和先天性畸形整形等方面。但由于DHCA期间提供的是一个缺血缺氧的环境，关于DHCA术后并发症的研究逐渐增多，中枢神经系统损伤更是DHCA技术在临床应用中的一个不可避免的并发症。现将对近年来DHCA脑损伤和脑保护的研究进展予以综述，并展望内皮祖细胞(endothelialprogenitorcells，EPCs)可能在这方面的应用。

1 DHCA脑损伤的机制

Jonas等［1］研究认为，直肠温度 18℃、停循环时间＞40 min，患者即出现神经系统并发症，近期表现(如手足徐动、短暂惊厥)，远期表现(如精神运动发育迟缓、认知障碍)的发生率明显增高。目前，关于DHCA脑损伤机制主要有以下学说。

1.1 能量代谢耗竭学说 深低温可通过降低代谢率而降低脑耗氧量，但并没有完全抑制脑代谢。Hoffman等［2］研究指出，直肠温度为20℃时脑氧需求为常温时(37℃)的15%，大脑代谢仍然以较慢速度进行。大脑是高能耗的器官，其90%能量来源于血液循环中的氧和从线粒体释放出来的ATP，而DHCA期间脑组织无血供，这必将会造成脑缺氧缺血，进而导致可逆或不可逆的脑损伤。加之再灌注时部分微循环再通障碍，即所谓“无再流损伤”，使脑再灌注时能量储备下降及结构损伤加重［3］。这是DHCA对脑损伤的基础。

1.2 神经元内钙超载学说 随着DHCA时间的延长，ATP等高能底物供应不足，而脑组织Na+-K+-ATP酶参与的Na+-K+交换约占细胞能耗的50%，此时Na+-K+-ATP酶活性下降，导致神经元内Na+增多，而Ca2+不能及时泵出细胞外，导致神经细胞膜离子梯度破坏及膜除极、膜通透性增加，顺浓度梯度内流，致细胞内Ca2+增多［4］。Ca2+超载可致细胞内酸中毒、加重组织微循环障碍、激活一氧化氮合酶及NO生成增加等，进而导致细胞水肿、脑组织水分增多［5］。

1.3 兴奋性氨基酸的毒性学说 该学说认为，兴奋性氨基酸(excitative amino acid，EAA)在DHCA脑损伤中起主要作用。EAA是神经传导介质，主要以谷氨酸、天冬氨酸及甘氨酸为主。在脑缺血缺氧时，氧和能量供应不足，致神经元和胶质细胞除极，突触前膜电压依赖性Ca2+通道开放，谷氨酸大量释放到突触间隙，而同时突触前膜对谷氨酸重摄取受到抑制，甚至运输方向发生逆转。大量EAA积聚可造成以Na+、Cl－、H2O内流，细胞水肿为特征的急性损伤过程;亦通过激活EAA受体，使细胞贮存Ca2+释放增加，细胞内钙超载造成迟发性神经元变性坏死的迟发性损伤过程［6］。

总之，DHCA脑损伤是多种因素的综合作用，各种毒性作用往往是协同作用的。

2 DHCA与脑保护

随着对DHCA技术致脑损伤的不断深入研究，出现各种在DHCA条件下的脑保护方法，目前研究最多的是DHCA时的灌注方法，主要包括经上腔静脉逆行脑灌注(retrograde cerebral perfusion，RCP)和选择性顺行脑灌注(selective antegrade cerebral perfusion，SACP)。另外，脑保护液、麻醉药物等也成为脑保护的研究发展方向。

2.1 RCP与脑保护 RCP脑保护技术是1980年Mills最先用来治疗和预防体外循环中气体栓塞的，之后该技术逐渐应用于各种手术中。Ye等［7］对猪行RCP后，灌注液10%经毛细血管回流到动脉系，发现该方法的优势是提供了一定的营养，保持大脑的低温状态，提高行为性和组织病理的保护;同时证实了低温状态下脑代谢仍在进行。RCP能有效地延长DHCA脑保护的安全时限，这对心脏手术者来说意义巨大。原新会等［8］认为，采用RCP方法至少可延长DHCA时间至90 min。最近的临床资料表明，RCP技术超过60 min，神经损害的危险性增加。真正有效的RCP技术要求相对高的灌注压或束闭下腔静脉，这些均增加了脑部并发症的发生。因此，在RCP技术应用中应注意掌握其适应证及预防其可能发生的危险。

2.2 SACP与脑保护 Bachet等［9］从1986年开始将SACP法应用于主动脉弓手术。Okita等［10］研究了主动脉弓置换术中两种不同脑保护方法的效果，认为两种脑保护方法病死率均是可接受的水平，而SACP组的暂时性脑功能紊乱患者明显低于RCP组。SACP虽然可降低主动脉弓置换术中的中枢神经系统并发症，但发生率仍在 2.5%～3.8%［11］。影响此并发症的因素除患者本身状态、手术操作、围术期血流动力学稳定和停循环时间外，SACP中缺少有效的灌注监测指标也是导致中枢神经系统并发症差异的重要原因。

3 深低温间断停循环与脑保护

深低温间断停循环(interrupted-DHCA，I-DHCA)是停循环与再循环相结合的一种新方法。Langley等［12］在研究发现，用I-DHCA技术(停循环60 min，每停15 min转流1 min)脑矢状窦氧饱和度、酸中毒程度较DHCA组有明显的改善，且脑超微结构未见细胞基底膜增厚，神经原、星形胶质细胞及血管内皮细胞形态正常，有别于DHCA组脑超微结构的明显微循环床改变，脑血管内皮细胞严重水肿。目前认为I-DHCA可延长总的停循环许可时间，并在一定程度上减轻脑水肿。I-DHCA技术的关键是建立最佳的停循环和再循环时间，避免大脑的长时间缺氧。

深低温停循环再灌注脑损伤的机制是复杂的，深低温停循环中不同的辅助灌注方式及脑保护措施直接或间接地影响到这些机制，并由此对脑组织产生正面或负面的影响。随着研究的进一步深入，综合应用各种脑保护措施，将可以获得更为有效的脑保护效果。

4 DHCA脑损伤与血管内皮细胞和内皮祖细胞的关系

血脑屏障是机体维持中枢神经系统内环境稳定的结构基础。在脑内，脑血管内皮细胞紧密连接行使着血脑屏障的主要功能，是血脑屏障功能的重要结构基础。而在DHCA时，脑血管内皮细胞亦受到不同程度的损伤。陈纲等［13］研究发现，常温体外循环即可引起内皮细胞相关性脑血管功能障碍，深低温时对脑血管功能的损害更为严重，并且认为DHCA对内皮功能的更大损害可能与低温对内皮细胞的损伤作用及更为严重的低灌注状态和缺血/再灌注损伤相关。黄海波等［14］也在研究中发现，深低温停循环的状态下机体循环中异常的炎症环境对脑血管内皮紧密连接蛋白有损伤和破坏作用，使血脑屏障通透性异常增高，并认为Occludin表达改变在血脑屏障破坏中起重要作用。因此，脑血管内皮细胞损伤可能对DHCA术后中枢神经系统损伤产生重要作用。

EPCs是一类能够分化为成熟内皮细胞的前体细胞，具有高增殖潜能。EPCs不仅参与胚胎血管生成，在出生后的血管新生和内皮损伤后的修复中起着重要作用，也可迁移到其他缺血、炎症及肿瘤组织中，形成新生血管。有研究［15-17］发现，组织缺血、炎症、药物等均可促进EPCs从骨髓动员入血。随着研究的深入，国内外关于EPCs应用的动物实验和临床试验报道越来越多。Kalka等［18］通过外周血获取EPC，在体外扩增后移植给模型动物治疗后肢缺血性病变，可修复损伤的血管，明显改善患肢症状，促进侧支循环的建立。Losordo等［19］采用外周血干细胞心肌内注射的方法治疗难治性心绞痛患者，取得较好疗效。王世宏等［20］在此基础上，改为冠状动脉内注射干细胞，并进行临床对照研究，发现干细胞治疗组患者心肌灌注缺损面积明显小于对照组。Yidan等［21］在野百合碱诱导的肺动脉高压动物模型中，骨髓或脐血来源的EPC移植治疗能使肺动脉阻力明显下降，右心室肥厚改善，动物存活率增高，肺组织中有大量侧支循环形成。Mitsuru等［22］则使用外周血来源的EPC，经体外扩增后直接注射到野百合碱所致肺动脉高压模型动物肺组织中，观察到可有效降低平均肺动脉压，增加心排血量和降低肺血管阻抗，组织学检查提示肺小动脉中膜厚度变薄，并有新生血管形成。马彩艳等［23］进一步探讨了临床上应用EPC移植治疗儿童原发性肺动脉高压的可行性，发现经EPC治疗的患者6 min步行距离、平均肺动脉压、心排血量、肺血管阻力等观察指标均有明显改善，且未发现与EPC移植有关的不良反应。Zhang等［24］研究发现，循环EPCs可参与脑卒中后的血管新生过程，使得脑供血得以显著改善。以上关于EPCs的动物实验研究和临床研究的结果为利用EPCs防治DHCA血管内皮损伤及中枢神经系统损伤提供了一定依据，但是仍需要大量的动物实验和临床试验加以证实。相信，随着DHCA脑保护研究的不断深入，EPCs定会发挥其在这一领域的重要作用。

［1］Jonas RA.Hypothermia，circulatory arrest，and the pediatric brain［J］.Cardio Thorac Vasc Anesth，1996，10(1):66-74.

［2］Hoffman WE，Charbel FT，Munoz L，et al.Comparison of brain tissue metabolic changes during ischemia at 35 degrees and 18 degrees C［J］.Surg Neurol，1998，49(1):85-89.

［3］Schultz S，Creed J，Schears G，et al.Comparison of low-flow cardiopulmonary bypass and circulatory arrest on brain oxygen and metabolism［J］.Ann Thorac Surg，2004，77(6):2138-2143.

［4］Kondratiev TV，Wold RM，Aasum E，et al.Myocardial mechanical dysfunction and calcium overload following rewarming from experimental hypothermia in vlvo［J］.Cryobiology，2008，56(1):15-21.

［5］Gwak M，Park P，Kim K，et al.The effects of dantrolene on hypoxic-ischemic injury in the neonatal rat brain［J］.Anesth Analg，2008，106(1):227-233.

［6］Tseng EE，Brock MV，Kwon CC，et al.Increased intracerebral excitatory amino acids and nitric oxide after hypothermic circulatory arrest［J］.Ann Thorac Surg，1999，67(2):371-376.

［7］Ye J，Ynag C，Delbigol MR，et al.Neuronal damage after hypothermic circulatory arrest and retrograde cerebral perfusion in the pigs［J］.Ann Thorac Surg，1996，61(4):1316-1322.

［8］原新会，侯生才，王敬弘，等.深低温停循环与逆行脑灌注的脑保护实验研究［J］.中华胸心血管外科杂志，1999，15(2):119-120.

［9］Bachet J，Guilmet D.Brain Protection during surgery of the aortic arch［J］.Card Surg，2002，17(2):115-124.

［10］Okita Y，Minatoya K，Tagusari O，et al.Prospective comparative study of brain protection in total aoric arch replacement:deep hypothermic circulatory arrest with retrogaed cerebral perfusion or selective antegrade celebral perfusion［J］.Ann Thorac Surg，2001，72(1):72-79.

［11］Ueda T，Shimizu H，Ito T，et al.Cerebral complication associated with selective perfusion of the arch vessels［J］.Ann Thorac Surg，2000，70(1):1472-1477.

［12］Langley SM，Chai PJ，Miller SE，et al.Intermittent perfusion protects the brian during deep hypothemic circulatory arrest［J］.Ann Thorac Surg，1999，106(1):116-126.

［13］陈纲，贾兵，刘晔，等.体外循环对大鼠脑血管内皮细胞功能的影响［J］.中华胸心血管外科杂志，2009，25(5):350-353.

［14］黄海波，田川.深低温停循环后家兔脑血管内皮细胞紧密连接蛋白Occludin表达变化的实验研究［J］.中国分子心脏病学杂志，2009，9(3):155-157.

［15］Werner N，PriIler J，Laufs U，et al.Bone marrow-derived progenitor cells modulate vascular reendothelialization and neointimal formation:effect of 3-hydroxy-3-methylgltaryl coenzyme a reductase inhibition［J］.Arterioscler Thromb Vasc Biol，2002，22(10):1567-1572.

［16］Vasa M，Fichtlscherer S，Adler K，et al.Increase in circulating endothelial progenitor cells by statin therapy in patients with stable coronary artery disease［J］.Circulation，2001，24(103):2885-2890.

［17］Denburg JA，Van eedden SF.Bone marrow progenitors in inflammation and repair:new vistas in respiratory biology and pathophysiology［J］.Eur Respir，2006，27(3):441-445.

［18］Kalka C，Masnuda H，Takahashi T，et al.Transplatation of ex vivo expanded endothelial progenitor cells for the therapeutic neovascularization［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2000，97(7):3422-3427.

［19］Losordo DW，Schatz RA，White CJ，et al.Intramyocardial transplantation of autologous CD34+stem cells for intractable angina:a phase I/IIa double-blind，randomized controlled trial［J］.Circulation，2007，115(25):3165-3172.

［20］王世宏，王显，崔俊玉，等.冠状动脉自体骨髓 CD34+干细胞移植治疗心绞痛:随机对照临床分析［J］.中国组织工程研究与临床康复，2009，13(14):2623-2626.

［21］Yidan DZ，David W，Yupu D，et al.Rescue of monocrotaline-induced pulmonary arterial hypertension using bone marrow-derived endothelial-like progenitor cells:efficacy of combined cell and eNOS gene therapy in established disease［J］.Circ Res，2005，96(4):442-450.

［22］Mitsuru T，Tatsuo N，Tonshinari T，et al.Transplantation of endothelial progenitor cells into the lung to alleviate pulmonary hypertension in dogs［J］.Tissue Eng，2004，10(5):771-779.

［23］马彩艳，陈君柱.内皮祖细胞移植治疗儿童原发性肺动脉高压的初步探讨［J］.浙江医学，2006，28(7):526-531.

［24］Zhang ZG，Zhang L，Jiang Q，et al.Bone marrow-derived endothelial progenitor cells participate in cerebral neovascularization after focal cerebral ischemia in the adult mouse［J］.Circ Res，2002，90(3):284-288.