无创内皮功能检测技术的研究进展

张 奎,刘园桥,李梓晗,司道远

(吉林大学中日联谊医院 心内科,吉林 长春130033)

随着人口老龄化趋势,我国心血管病患病率呈持续上升状态,患病人口约有3.3亿[1],严重威胁人们的身体健康状况。动脉粥样硬化在心血管事件中起关键作用,而内皮功能障碍参与动脉粥样硬化进展的整个进程,在疾病的发生、发展中起着不容忽视的作用。因内皮功能障碍是可逆的、可治愈的,故对患者内皮功能情况进行预测并及时有效地临床干预,对延迟和逆转早期动脉粥样硬化,尤其是逆转失调的内皮功能对心血管疾病的治疗具有重要的临床意义,已成为心血管疾病防治的新趋势。

1 无创内皮功能概述

内皮功能检测分为有创和无创两种检测方法。因无创内皮功能检测具备稳定、便捷、费用低、简单、易接受等优势,在临床工作中应用较广,是评估疾病进展情况的有效指标,它可早期诊断心血管疾病,对干预及治疗方法有效评估,及时采取有效地防治措施,减少或避免不良心血管事件的发生,已成为近年研究热点。无创内皮功能检测潜在获益人员较广,健康人群、亚健康及心血管事件发生者均可常规筛查。现就国内外无创血管内皮检测方法研究做一总结,为临床中心血管疾病的诊治提供参考依据。

2 无创内皮功能检测方法

2.1 高分辨率超声检查肱动脉血流介导性舒张(Flow-mediated dilatation,FMD)

血管对剪切应力的舒张反应取决于内皮细胞释放的各种舒张因子,由反应性充血引起的剪切应力增加而导致的桡动脉直径的变化被认为是血流介导的扩张(FMD)的一个指标。1992年Celermajer等首次报道了通过超声检测手段评价肱动脉的内皮功能[2],应用当血管局部流速增加时血管壁的剪切力升高导致血管扩张、内径增大的原理,测量平静状态下及袖带充气肱动脉内径变化率,即血流介导的内皮舒张功能,正常值为≥6%,其值<6%时表示存在血管内皮功能障碍,是目前应用最广的检测技术。Ghiadoni等[3]的多中心实验首次证明通过严格和标准化的程序,包括操作员培训、标准化实验设置和自动图像边缘检测系统,FMD 研究内皮功能可重复性较好;Kanahara等对此内上髁法与传统FMD方法操作者内部及操作者间重复性的差异,证明内上髁法较传统方法重复性更高[4]。范桃红等[5]人通过FMD方法检测80组原发性高血压及健康人群在平静状态及中等运动强度之后的血清,得出原发性高血压患者运动血压与内皮功能不全相关,FMD可以作为判断血管内皮损伤的指标,为判断原发性高血压及脉压差较大的患者是否发生血管内皮损伤提供了诊断依据。Konigstein等[6]对457例20-91岁不吸烟的健康成人进行FMD检测,发现女性和男性的FMD分别下降了63.6%和47.1%,FMD对升高风险的鉴别临界值为6.4%(敏感性=0.71,特异性=0.60)提示健康男性和女性的内皮功能随年龄增加而降低,FMD可用于健康人群内皮功能受损的筛查手段。以上研究均表明FMD法可评估内皮功能障碍情况,估测目前外周大血管动脉粥样硬化状况,作为无创检测内皮功能的“金标准”,是评估近期疾病发展、预后、是否发生心血管事件有力的预测手段之一。但FMD法也存在一定的局限性,比如受机体自身及周围环境温度影响,Alali等[7]报道在全身温度增加情况下,可显著提高桡动脉剪切速率、直径和血流,降低FMD测值,Vosseler等[8]研究发现FMD在清晨显著下降(2.9±3.4%;6.2±2.9%;6.0±4.0%;P=0.007)。FMD测值亦可能与以下因素有关：(1)高度依赖超声操作人员,测量切面、图像放大程度、探头额外施加压力的差异,均会导致检测血管的内径出现差异;(2)缺乏统一规范化操作标准,如压力袖带的松紧程度及放置位置、超声仪器探头的频率及图像放大程度等;(3)压力袖带释放瞬间与超声检测时间存在时间差;(4)所测血管内径与实际存在差异,不能检测到真正的 FMD 峰值[9]。鉴于上述因素对FMD测值的影响,部分学者采用一种新型的无创内皮功能检测手段,ezFMD(en-closed zone flow—mediated vasodilation),理论基础是：动脉血管容积的改变引起袖带内侧压力的变化,当动脉血管管径、容积增大时,压力袖带内容积便会减小,其内侧面的压力升高,动脉血管容积和压力袖带容积随心动周期反复变化,这种变化呈现出振荡信号,振荡的幅度的改变与动脉中血管容积的变化间呈现出一种独立的比例关系。通过测量这种振荡幅度的变化来评估反应形成充血对前臂肱动脉的影响的方法为ezFMD。有文献指出[10]通过增加血管扩张剂(硝酸甘油)剂量对血管内皮功能评估,得出ezFMD可能进一步阐明血管扩张剂对平滑肌功能或动脉顺应性的变化。Ukawa等[9]研究ezFMD不仅与单因素的多种变量相关,并且还与FMD显著相关,同时介绍了ezFMD的可重复性优于FMD,表明ezFMD 用于评估内皮功能的有效性,但是针对二者之间的明确比较并没有研究,也是ezFMD当前应用的局限性之一。Idei等[11]研究中,多元回归分析结果显示,年龄(P=0.002)、体重指数(P=0.013)、收缩压(P=0.009)、吸烟(P=0.004)和基线脉搏波振幅(P<0.001)是ezFMD的独立预测因素,表明在应用ezFMD时,须考虑各种因素对测值的影响。Morimoto等[12]研究统计数据表明ezFMD对首次重大心血管事件的最佳截止值为20.6%(敏感性为78.6%,特异性为64.3%),证实了ezFMD对首次重大心血管事件的预后价值;发现心血管疾病组的ezFMD测量值明显低于无风险组和有风险组(15.8±13.9% 对 35.5±12.1%和27.6±17.0%,P<0.001),表明通过ezFMD评估的内皮功能可能是预测心血管事件的替代标志物,并可能是心血管疾病的治疗的靶点。由于ezFMD是由示振荡法的设备自动测量的,是基于血管容量的改变,而传统的FMD检查测量的是血管直径的改变,因此ezFMD的测量比传统的FMD更容易,偏差更小,准确性更高,是一种新的无创和简单的方法,可用于测定血管直径对反应性充血的反应。

2.2 外周动脉张力测定法(PAT)

外周动脉张力测定法是另外一种无创血管内皮检测方法,是通过外周动脉压力设备测定反应性充血后指尖张力变化程度,其原理与FMD相似。检测方法：空腹8 h以上、检查前一天充足睡眠且禁烟,静息状态30 min以上,整个身体平卧检查床上,将充气压力袖带佩戴于一侧上臂,在双手食指上分别佩戴Endo-PAT 指套状探针,首先记录 5 min 指端血管床血流作为基线信号,然后快速充气袖带,使压力维持在200 mmHg 以上,保持5 min,袖带快速放气使压力归零,再记录5 min,获得血流信号与基线血流信号的比值,并与另一侧的对照手臂结果相比较,计算反应性充血指数(reactive hyperemia index,RHI)。有报道显示[13-14],如果RHI<1.67,表示其内皮功能障碍,如果 RHI≥1.67,则表示其内皮功能正常,RHI数值与内皮功能成正比,数值越低表明内皮功能越差,出现心血管事件的风险高,表明PAT可作为一种无创检测内皮功能的手段。Fatihoglu等[15]研究显示RHI的临界值为1.49,敏感性为75%,特异性为72.9%,且数据显示冠心病组的RHI值低于非冠心病组,表明PAT可预测冠心病的存在及严重程度。2013年Pinto等[16]以川崎病的儿童为研究对象,结果证实内皮功能障碍是患者最常见的长期并发症,得出PAT是一种简单、可重复的非侵入性技术,可用于儿童川崎病人群中的血管功能检测,从而密切监测治疗效果。之后Polovina等[17]对导致成人人群中最普遍的持续心律失常的原因房颤进行研究,通过PAT计算RHI,发现内皮功能障碍是房颤患者形成血栓的可能因素,若RHI降低,提示具有显著的血栓栓塞风险。2020年段媛媛等[18]对多廿烷醇是否具有改善血管内皮功能的效应为研究方向,通过PAT评测微血管的内皮功能,证实多廿烷醇是一种纯天然调脂药,显示PAT可以评价一种药物对血管内皮改善的疗效。PAT作为一种新型无创检测技术,侧重于评价微血管内皮功能,较于传统FMD,不仅在方法上有改进,即有对照组,以自身对侧上臂作为其对照,这样可校正测量时混杂因素的影响,而且还采取了更容易执行检测的部位——指尖,并完全依靠设备仪器检测,没有人为因素干扰参与,具有自动化程度高,对操作的依赖性低、操作简便优点;对于技术自身而言,具有稳定性强、良好的可重复性的优点。当然,PAT也存在缺陷,比如：测量过程中易受空腹条件、吸烟、声音和温度的因素干扰;外周血管床的血流会受自主神经张力的影响;探针移动的敏感性均会导致误差,临床应用中需要考虑各种因素对结果准确性的干扰。

2.3 低流量介导的收缩和间隔时间法(L-FMC)

对前臂压迫导致的最直接的变化是血管管径的变窄,血流减少,这种应用血流量变化诱导的桡动脉直径的变化测量内皮细胞的方法为L-FMC,反映了血管内皮细胞对静息水平的剪切应力的反应。检测方法：受试者保持与FMD相同的条件下,同 FMD相同的设备,如压力袖带、高分辨超声仪,将压力袖带置于患者上臂用以阻断肱动脉血流5 min,以高分辨超声测量加压的最后30 s的桡动脉管腔内径相较于内径基线水平的最大变化。Gori T等[19]提供了L-FMC可通过检测血管内皮损伤应用于冠心病患者的疾病的诊断及病情评估。Pagan等[20]对不同种族人群的内皮功能进行研究,利用L-FMC检测手段发现与非西班牙裔女性相比,年轻的西班牙裔女性有更大的血管反应性,亚临床冠心病风险较低。O′Brien等[21-22]通过L-FMC检测观察到内皮依赖性的血管收缩也随着年龄增长而减弱,在老年女性中尤其明显。Konigstein等[6]研究也得出了相似的结论,发现从20-91岁健康女性和男性的L-FMC分别增加86.1和105.3%,证实L-FMC可以评估心血管疾病的风险,L-FMC临界值为0.24%(敏感性=0.42,特异性=0.67),百分位数跨越了50-55岁男性和70-75岁女性。Davignon等[23]研究发现内皮功能障碍处于动脉粥样硬化的初始阶段,远远早在动脉粥样硬化病变或临床事件的发展之前,此时并无动脉粥样硬化的病理证据,基于内皮反应减少通常与亚临床改变相关,L-FMC可纳入无症状的健康成人血管内皮功能监测,对血管衰老的血管生理学评估,可以为未来的血管损伤提供早期预警。L-FMC法与FMD法主要区别为,FMD侧重于评价大血管内皮功能,包括外周大动脉及冠状动脉,而L-FMC法主要评价大动脉内皮功能并侧重于基础静息状态下的内皮反应性。因FMD和L-FMC检测方法基本相同,可同时完成并互补,故L-FMC同样存在FMD的各种局限性,比如受温度、不同间隔时间的影响,Vosseler研究显示[24],L-FMC在上午8点最大,在下午2点显著下降,在下午8点恢复到较高的值,提示L-FMC似乎遵循不同的昼夜节律。Inaba等[25]对30名健康男性进行了不同间隔时间L-FMC测量,15 min后测值显著低于首次测量值,但60 min后与首次测值无差别,这表明为避免在随后的测量中低估测值,需要选择足够的时间间隔进行L-FMC测量。

2.4 指尖脉搏容积法(PAV)

基本原理同FMD,操作方法同PAT相似,该技术包括一种基于光体积描记法的食指探针,用于测量随脉搏波变化的动脉体积变化,采用发光二极管与光敏传感器评估红外光的吸收,计算采用上肢闭塞前和闭塞后数字动脉血红蛋白流量的差异,在充血期信号的平均峰值振幅除以基线的峰值振幅,比较加压前后振幅比及参照侧振幅比,分析末梢循环信息从而评价血管内皮细胞功能状态。王云飞等[26]选择409例行冠状动脉造影术的胸痛患者为研究对象,探究PAV与心血管危险因素的关系,得出PAV与冠心病及其危险因素高血压、吸烟史和TG相关,PAV=1.37可作为预测冠心病的临界参考值。司道远等[27]研究得出PAV方法评估的指动脉的内皮功能与用FMD测量的肱动脉相似,提示PAV有可能成为心血管研究领域的一种新的无创内皮功能方法,并提出未来应对PAV的变异、病理生理机制,包括解剖学和血流动力学的决定因素进一步深入研究。Dubeibei等[28]研究发现PAV与弗雷明汉风险评分(AFRS)之间呈显著的负相关关系,在AFRS中加入PAV显著提高了预测能力和风险,PAV和AFRS是冠心病的独立预测因素;且PAV测量重现性较好(组内相关系数=0.76)。PAV具有以下优点：(1)相较FMD,该方法成本低,操作简便,独立于操作者的,对操作者依赖性小;结果自动分析,对侧手臂作为其内部控制,可用于纠正测试过程中的任何系统性变化;(2)相较PAT而言,PAV通过测量吸光度随时间的变化,仅从总信号中提取血红蛋白的动脉吸光度,通过搏动的血红蛋白数量来反映外周动脉体积变化,排除由闭塞引起的远端静脉扩张,即血流瘀滞对测值的影响,而PAT主要是通过压力变化反应体积变化,测量动脉脉搏波振幅,静脉扩张也有部分参与;PAV技术使用可重复使用的手指探针,而PAT使用一次性的气动手指探针,这有助于临床的日常使用。(3)指尖缺少较发达的大块肌肉,血管密度高,有高度吻合的动静脉网,灌注良好,为评估搏动血流量体积提供的容易检测的窗口;(4)无创性、再现性好。但因检测是指尖微血管,只是间接反映大血管的内皮功能,在日常筛查检测手段的潜力尚需大量样本验证。

2.5 激光多普勒血流仪(LPF)

1975年,Stern[29]首次报道应用激光多普勒血流测定仪监测皮肤微循环血流量。LPF是一种基于红细胞遇到激光会发生位置偏移的原理,通过离子形式传递给药(如乙酰胆碱、硝普钠)或者物理办法(如短暂压闭血管后皮肤的闭塞后反应性充血、使用热探头进行局部加热)等反应性充血刺激方式,利用光传感器收集反射光产生的光流量变化,检测局部组织皮肤刺激后血流灌注情况变化,反应内皮功能的无创方式。一般分为单点激光多普勒血流测量、集成探针激光多普勒血流测量和激光散斑对比成像(LSCI)三种方式。一些学者研究显示,LSCI对评估的皮肤闭塞后反应性充血(PORH)[30-31]和局部热充血(LTH)[32]的日间重现性更好,这可能是由于测量了较大的皮肤面积(较低的部位间变异性),得出LSCI技术在评价PORH和LTH方面具有很好的日间重现性,可以非接触和实时记录皮肤血流状态;Souza等[33]研究发现急性冠心病患者由乙酰胆碱诱导的内皮依赖性皮肤微血管血管扩张剂反应显著降低,得出LSCI可识别急性冠心病患者内皮依赖性和内皮依赖性的微血管功能障碍,可作为动脉粥样硬化血栓性疾病的早期外周标志物有价值[34]。Tew等[30]通过冷压实验比较三种激光多普勒成像方式对交感因素变化导致的手指上血管舒缩反射,得出单点激光多普勒血流测量、集成探针激光多普勒血流测量的重现性更好,更适合应用评价于交感因素对血管功能的影响。LPF与FMD比较,其测值与FMD有相关性,其优势在于容易执行、不十分依赖于操作者,尤其通过物理方法的反应性充血刺激方式,如使用热探头进行局部加热,易操作,而且还可以评估较大区域的皮肤血流。LPF是一种很好的检测微循环内皮功能的工具,可以对FMD进行补充,因为评估内皮功能不能单纯依赖于一种技术,而是需要根据多种不同的技术来评测。但每种检查技术都有其自身的局限性,Roustit等[35]研究显示LPF同一检测位置测值重复性较高,但检测位置变化,则表现较大变异性,可能与不同位置皮下毛细血管分布及密度的空间变异有关。可能是该方法临床上并未广泛应用的原因之一,同时限制其发展的原因也可能与以下因素有关：不同的刺激方式引起机体变化的机制不同,测量的局部区域的皮肤状况差异(皮温、疤痕、血管灌注异质性等),缺乏统一的标准化操作流程及质控标准,以及周围环境因素[36]、交感神经状况、血压、血二氧化碳分压、血氧分压、血pH值等影响组织灌流量的因素均能敏感地引起LPF值的变化[37]。

2.6 指尖热检测(DTM)

利用血流量改变引起指尖温度的改变可以反映血管的扩张程度的原理,计算动脉闭塞和随后的再灌注(充血)过程中指尖温度的变化,研究热效应的过程,从而评价血管内皮功能的方法。Schier等[38]研究表明使用DTM可以为围手术期的血管反应性提供一个更简单、更容易获得的测量。研究表明[39-40]：无症状患者在袖带反应性充血时通过指尖热检测(DTM)测量的血管功能障碍与冠状动脉钙化定性检测的冠状动脉疾病的严重程度相关,DTM方法所得的结果与 Framingham风险评分和冠状动脉 CT钙化积分有很强的相关性,利用 DTM方法可以进行心血管疾病风险的评估。优点：采用两指尖对比可以消除系统误差及自身影响。但也存在一定的局限性,有研究显示在高血压患者中,β-受体阻滞剂可导致远端肢体温度下降,硝酸酯类药物能提供内皮依赖的NO,协助血管舒张因子释放,进而改善外周组织的复温[41]。