体外循环条件下心肌损伤保护策略的研究进展

屈 林，王志斌，龚鱼湄，杨新卫

体外循环(cardiopulmonary bypass，CPB)的发明促进了心脏外科手术的发展。由于体外循环手术过程中心脏与循环脱离，不可避免地导致了心肌的缺血缺氧。此外，缺血再灌注也可加重组织损伤和器官功能障碍的程度。随着体外循环装置、外科手术技能等的不断改进，体外循环心内直视手术的发展，病人术后并发症及死亡率大幅度下降。但是，体外循环介导下的心肌缺血再灌注损伤及相应的心肌保护策略仍然是当今心血管外科研究的热点话题。本研究将对此领域的研究进展进行综述。

1 体外循环下心肌损伤基本机制

除了手术时的机械性损伤，体外循环与主动脉阻断是体外循环心肌受损的主要原因[1]。体外循环时血液成分暴露于氧合器、硅胶管道等非生理性管道，诱发系统强烈的级联式炎症反应损伤心肌细胞；除此之外，当心脏停搏、脱离体循环时可引起心肌缺血、缺氧，再灌注时血液重新回到体内进一步增加了心肌损伤，诱发心律失常、心肌可逆收缩功能障碍(心肌顿抑)、内皮细胞功能失调、心肌细胞死亡等更为严重的心肌缺血后功能障碍[1-2]。研究发现，缺血性心肌损伤的主要发病机制为高能磷酸盐的损耗及细胞内钙离子紊乱[3]。而缺血再灌注损伤最主要的病理生理机制是各种诱发因素引起的线粒体通透性转换孔道的开放，从而导致线粒体破裂，启动线粒体凋亡程序[1]。因此，在防治体外循环相关性心肌损伤时，需要在减少炎性损伤的同时，降低心肌缺血再灌注损伤。

2 心肌保护措施

2.1 降低全身及局部炎症反应

2.1.1 抑肽酶 抑肽酶是从牛肺组织中提取的天然丝氨酸蛋白酶抑制剂，于20世纪60年代首次用于胰腺炎的治疗[4]。由于其可以抑制引起炎症反应的激肽释放酶，曾被测试作为体外循环潜在的抗炎药物，并证实可以显著降低心脏手术围术期的出血，并因其具有减少失血及保护心脏的作用，多年来被运用于体外循环心脏手术中[5-6]，其基本机制为抑制血管舒缓素和纤溶酶，降低接触激活的水平和纤维蛋白溶解；抑制补体激活，降低血中白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-8(IL-8)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)炎性因子水平，发挥抗炎作用[7]。研究发现，抑肽酶可降低冠状动脉旁路移植术(CABG)病人心肌损伤标志物肌酸激酶同工酶(CK-MB)、肌钙蛋白T(TnT)、乳酸脱氢酶水平[8]。然而，近年来抑肽酶在心脏外科的使用备受争议。2007年加拿大一项研究抗纤维蛋白溶解药的血液保护效果随机临床试验表明，与其他止血剂比较，抑肽酶具有更好的止血功效，但是使用抑肽酶的病人30 d内死亡风险率增加了50%，因此，心脏手术一度停用抑肽酶[3]。

2.1.2 皮质类固醇 皮质类固醇运用于心外科手术已有40多年的历史，其对体外循环所致炎症反应的防治效果获得广泛认可[2]。围术期给予皮质类固醇，能够减少补体的激活，而术中、术后产生的炎性因子如TNF-α、IL-6降低、白细胞介素-10(IL-10)升高，使心肌细胞受到因炎性介质所造成的损伤减轻。研究发现，术中应用激素可显著降低术后心房纤颤发生率，改善心脏指数和肺毛细血管楔压[9]。尽管如此，激素的临床使用效果仍然存在争议，Toft等[10]研究表明，激素的使用可降低毛细血管漏和退热，但是对术后辅助通气时间和重症监护室病人的出院率没有明显益处。也有临床实验证明，皮质类固醇的应用对疼痛评分、最大呼气峰值、止痛剂的用量影响较小，且在术后应用皮质类固醇的前8 h有血糖升高[3]。

2.1.3 抗氧化剂 由于体外循环心脏手术耗竭了维生素C、维生素E(一种脂溶性连锁中断抗氧化剂)等氧自由基清除剂，缺血再灌注过程中，活化的中性粒细胞释放的氧自由基可导致细胞损伤[11]。动物实验研究验证了外源性的抗过氧化剂的功效，例如甘露醇、别嘌呤醇、N-乙酰半胱氨酸等均可避免或减弱氧自由基介导的损伤[2]。用超氧化物歧化酶和过氧化氢酶，包括自由基清除剂，灌注心脏移植的动物模型，取得了良好的实验结果。用含血停搏液取代晶体停搏液可减弱心肌缺血再灌注损伤，因为在红细胞内存在氧自由基清除剂[12]。CABG病人术前单独服用维生素E[13]或是与维生素C、别嘌呤醇合用，术后心肌功能都可得到改善，并可降低围术期发病率[14]。然而，很多临床试验并没有得出使用抗氧化剂的显著优势，因此，抗氧化剂并没有作为心脏手术常规的治疗方案[2]。

2.1.4 磷酸二酯酶抑制剂 磷酸二酯酶抑制剂可使心肌细胞内环磷酸腺苷(cAMP)浓度增高，增加细胞内钙离子，增强心肌收缩力，最终使心排血量增加；通过升高血管平滑肌细胞内cAMP含量舒张周围血管，从而降低体循环血管阻力；米力农是3型磷酸二酯酶抑制剂，将其运用到CABG手术病人，可减少炎性因子IL-6及白细胞介素-1β(IL-1β)水平，增加胃肠灌注，降低内毒素产生[2，15-16]。

2.1.5 白细胞过滤 体外循环心脏手术后，在心脏、肺、肾脏等器官中聚集大量白细胞和血小板，其与器官功能损伤呈正相关。白细胞的激活(尤其是中性粒细胞)，在体外循环炎症反应中扮演重要角色。白细胞过滤使激活的白细胞在通过滤网时被滤除，减轻或避免全身炎症反应及心脏、肺等器官的再灌注损伤。尽管有许多的临床实验证实白细胞过滤使多种器官损伤标志物有所降低，但是绝大多数未能得出统计学上显著改善临床难题的结论，例如术后肾功能恢复、器官移植病人的排异反应，术后机械通气的持续时间等[17-18]。研究证明，对于术前肺功能障碍病人使用白细胞过滤可取得一定的疗效[19-20]。目前，仍没有强有力的证据证明可以将白细胞过滤作为体外循环心脏手术常规的抗炎疗法。

2.2 预防或减轻心肌缺血再灌注损伤

2.2.1 心肌缺血预处理 缺血预处理(ischemic pre-conditioning，IPC)即心肌对一次或反复几次短暂缺血再灌注产生的快速适应现象，且能提高心肌对随后缺血较长时间的耐受，是一种内源性心肌保护作用[21]。主要表现为缩小梗死心肌面积，保护冠状动脉内皮细胞和心肌细胞超微结构，降低缺血再灌注后心律失常发生率，对抗心肌顿抑状态[22-23]。目前，IPC对心肌保护作用的原理尚未明确，其可能的机制为：短暂缺血时心肌内产生的儿茶酚胺，通过激活α-肾上腺素受体活化G蛋白，活化的G蛋白激活蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)，并使PKC由胞质转移到胞膜，在心肌持续缺血时，其胞膜上活化状态的PKC使5′-核苷酸酶磷酸化，引起钾离子通道开放，动作电位时程缩短，降低心肌ATP能耗，减轻心肌酶的漏出，减少氧自由基的损害，最终降低心肌缺血/再灌注损伤[24-25]。

2.2.2 心肌缺血后处理 缺血后处理(ischemic post-conditioning)即对缺血心脏实施供血重建前，给予多次短暂缺血/再灌注处理可以减少心肌缺血再灌注损伤。研究证明，缺血后处理可以缩小心肌梗死面积、减少再灌注引起的心律失常、改善心肌收缩功能等心肌保护作用[22]。其基本保护心肌的机制：①减轻过氧化损伤。间歇地、缓慢地复灌可刺激细胞内抗氧化酶和自由基清除剂的生成，同时减少局部血流，即是减少再灌注时生成氧自由基的底物，维持自由基的生成与清除的平衡状态[26-27]。②抑制中性粒细胞活化。中性粒细胞的活化、黏附、聚集，是心肌缺血-再灌注损伤的关键步骤之一。缺血后损伤可减少氧自由基的堆积，抑制中性粒细胞的活化[26]。③改善微循环。微循环是缺血/再灌注时最易发生功能障碍的部位。心肌缺血后通过缓慢升高冠状动脉内灌注压，改变再灌注早期冠状动脉内流体力学，减弱血流对血管壁的剪切应力，增加血管舒张因子，舒张血管，减少炎性细胞聚集，减少血管内皮和组织的损伤，从而缩小心肌梗死面积[27]。

2.3 停跳液处理

2.3.1 在停跳液中加入底物或药物 过去，在停跳液中加入钙拮抗剂(如维拉帕米、硝苯地平)、氧自由基清除剂(维生素C、维生素E、超氧化物歧化酶等)、甘露醇等可一定程度上减轻心肌缺血/再灌注损伤。近年来有研究证实，在停跳液中加入心肌能量代谢底物，如磷酸肌酸、天门冬氨酸等，都能为心脏提供良好的保护作用[28]。国内的一些学者尝试在心脏停搏液中加入中药成分如人参皂苷、丹参酮、川芎嗪等，对防治心肌缺血/再灌注损伤起到一定效果[29-31]。

2.3.2 顺灌与逆灌相结合 心脏停搏液的灌注方式主要有经主动脉根部灌注(即顺灌)和经冠状静脉窦逆灌(即逆灌)两种。顺灌对于冠状动脉没有病变的心内手术来说没有影响，当冠状动脉有梗阻时，顺灌会导致停跳液在心肌内分布不匀，使梗阻冠状动脉辖区心肌损伤，而逆灌则可以克服这一缺点，同时降低心肌内部温度[32]。单纯的逆灌可使分布到右室和室间隔的停跳液只有14%，因为右心腔的主要血供来源于静脉-静脉、静脉-心腔交通支[33]。目前，应用最多的停跳液灌注方式为顺灌与逆灌相结合。

2.4 超滤 体外循环心脏手术会引起严重的血液稀释。手术过程中心脏停跳液及预充液的灌注，导致体液增多，加剧了流体转变，引起体外循环术后肺、肾、神经系统等的损伤以及凝血功能障碍[2]。超滤的基本原理是利用透析器或血滤器半透膜的渗透压力梯度除去血液中多余的水分和小分子物质，清除体外循环过程中释放的炎性介质，例如补体、TNF-α、IL-6、白细胞介素-1(IL-1)、IL-8、髓过氧化物酶。2005年在北美有75%的儿童医院将超滤作为心脏手术的常规治疗方案，然而超滤较少运用于成年体外循环病人[3]。此外，超滤的应用也有风险：增加血浆肝素浓度，夹带的空气进入主动脉插管，病人血液暴露于非生理性管道的时间延长，血流动力学不稳定，人为的或系统的误差等都可能发生[3]。

2.5 心脏非停跳下心内直视手术 心脏非停跳下心内直视手术是一种新兴的、最接近生理状态的心肌保护措施，但对于需要心室切开的手术操作不适用。常温或浅低温下建立体外循环，维持鼻咽温度32～34 ℃，仅阻断上下腔静脉而不阻断升主动脉，对于主动脉瓣置换或双瓣置换需要阻断升主动脉，同时经冠状静脉窦持续逆灌，维持冠状动脉氧合血的灌注，不使用心脏停跳液，心包内不置冰屑，减慢或停止辅助呼吸，保持心肌有温度的氧合血灌注，维持心脏缓慢有节律地空跳。此方案缩短了升温时间和体循环时间，减轻了缺血/再灌注损伤，避免了心脏传导束的损伤；浅低温条件下心脏空跳，一定程度上降低了基础代谢率；心脏处于高灌注、低负荷状态，有持续的氧合血供，比较接近人体正常的生理状态，避免了缺血/再灌注损伤。由于浅低温条件下不阻断升主动脉，又要使心脏处于持续灌注状态，这就需要高流量灌注，但是持续的高流量灌注对血液有形成分破坏较严重，加剧炎症反应。此外，心脏不停跳使回心血量增多影响术野暴露及心内操作，处理不当易引发气栓。非体外循环下冠状动脉旁路移植术(off-pump coronary artery bypass，OPCAB)与传统的CABG相比，OPCAB的氧化应激水平[34]、细胞因子释放[35-36]、补体[37]、噬中性粒细胞、内皮细胞的激活[38]都有明显降低；过去十年里的随机试验和数据分析显示OPCAB减少了输血量、神经系统并发症、住院时间、住院费用[39-41]。基于这些优势，世界各地都在致力于将OPCAB作为常规手术治疗方案。

3 小 结

目前，体外循环下心脏手术心肌保护的策略多种多样，然而每一种措施都有各自的优势与缺陷。人体是一个复杂的系统，影响病人术后并发症的发生率以及心肌保护效果的因素很多，例如病人年龄、心理状态、术前心肺功能、病种、术前合并症，以及术者的操作熟练程度、术式的选择、医院设备、麻醉管理水平、术后护理质量等。因此，需要在实际操作中根据病人的情况，做足术前准备，在医院现有设备条件下，选取适当的手术操作方式，联合应用合理的心肌保护措施，实现对病人伤害最小化的同时，达到最佳的临床治疗效果。