林柏松 張秀和 張柏民 姜亦忠 李 哲 （吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院心臟外科,長(zhǎng)春 130033）

自體肺體外循環(huán)與常規(guī)體外循環(huán)對(duì)細(xì)胞因子影響的實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究①

林柏松 張秀和 張柏民 姜亦忠 李 哲 （吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院心臟外科,長(zhǎng)春 130033）

目的:探討以自體肺取代人工肺的體外循環(huán)方法對(duì)犬體外循環(huán)相關(guān)性炎癥反應(yīng)的影響。方法:將12只雜種犬隨機(jī)分為對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組（每組6只）。對(duì)照組在體外循環(huán)（CPB）期間使用膜式氧合器,實(shí)驗(yàn)組在CPB期間使用自體肺進(jìn)行氧合,兩組均阻斷主動(dòng)脈90分鐘、輔助循環(huán)30分鐘,于CPB前（T1）、轉(zhuǎn)流后60分鐘（T2）、停機(jī)后60分鐘（T3）、停機(jī)后120分鐘（T4）抽取動(dòng)脈血,測(cè)定血漿腫瘤壞死因子α（TNF-α）、白細(xì)胞介素6（IL-6）、白細(xì)胞介素8（IL-8）和白細(xì)胞介素 10（IL-10）濃度。結(jié)果:兩組實(shí)驗(yàn)犬血漿TNF-α、IL-6、IL-8和IL-10的濃度,在T2～T4各時(shí)點(diǎn)與體外循環(huán)前比較均明顯增加（P＜0.01）;T2～T4時(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組血漿TNF-α、IL-6和IL-8濃度明顯低于對(duì)照組（P＜0.01）,IL-10濃度明顯高于對(duì)照組（P＜0.05）。結(jié)論:自體肺體外循環(huán)可抑制體外循環(huán)過(guò)程中促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-6和IL-8的釋放,促進(jìn)抗炎細(xì)胞因子IL-10的釋放,從而減輕常規(guī)體外循環(huán)引起的全身炎癥反應(yīng)。

自體肺;炎癥反應(yīng);細(xì)胞因子;體外循環(huán)

心臟外科的飛速發(fā)展離不開體外循環(huán)（Cardiopulmonary bypass,CPB）的廣泛支持,但體外循環(huán)期間血液成分與體外循環(huán)的人工表面接觸可引起急性階段性炎癥反應(yīng),進(jìn)而引起嚴(yán)重的術(shù)后并發(fā)癥。心臟外科醫(yī)生始終進(jìn)行不懈努力以減少血液與異物的接觸面積、增加組織相容性,并不斷開發(fā)毒性更低的體外循環(huán)管路。自體肺擁有良好的組織相容性,最大限度地降低體外循環(huán)相關(guān)性炎癥反應(yīng)的程度,有效地減輕了全身炎癥反應(yīng)引起的肺損傷。該方法雖然在閉式心臟手術(shù)有良好的效果,但在心內(nèi)直視手術(shù)中空氣極易直接進(jìn)入切開的左心房或經(jīng)心內(nèi)缺損進(jìn)入左心房,造成致命的體循環(huán)氣栓,這是該方法在心臟外科早期曇花一現(xiàn)、當(dāng)前無(wú)法廣泛使用的根本原因,近四十年內(nèi)全球尚無(wú)在打開心臟的心內(nèi)直視手術(shù)中使用該方法的報(bào)道。本研究為對(duì)比使用自體肺體外循環(huán)和常規(guī)體外循環(huán)的實(shí)驗(yàn)研究,觀察圍手術(shù)期細(xì)胞因子的變化,為進(jìn)一步在心內(nèi)直視手術(shù)中使用該方法提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)分組 雜種犬12只,體重17～22千克,隨機(jī)分為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組,每組6只:對(duì)照組為常規(guī)體外循環(huán)組:在體外循環(huán)期間使用膜式氧合器;實(shí)驗(yàn)組在體外循環(huán)期間使用自體肺進(jìn)行氧合。

1.2 方法 實(shí)驗(yàn)犬以苯巴比妥鈉25 mg/kg誘導(dǎo)麻醉后,氣管內(nèi)插管,人工呼吸機(jī)容量控制模式輔助呼吸,吸入氧濃度100%（FiO2=1.0）,靜注潘可羅寧0.3 μg/kg,芬太尼100μg/kg,靜點(diǎn)芬太尼[50μg/（kg·h）]維持麻醉。心電監(jiān)護(hù),右側(cè)股動(dòng)脈置入測(cè)壓管,股靜脈置入Swan-ganz導(dǎo)管。胸部正中切口,顯露心臟。肝素化,經(jīng)升主動(dòng)脈插入動(dòng)脈管,經(jīng)上、下腔靜脈插入靜脈管,建立體外循環(huán)。對(duì)照組為常規(guī)體外循環(huán):在體外循環(huán)期間使用膜式氧合器,平均動(dòng)脈壓在50～70mmHg,阻斷循環(huán)期間停止肺通氣。實(shí)驗(yàn)組在體外循環(huán)期間使用自體肺進(jìn)行氧合,肺動(dòng)脈灌注壓不高于20 mmHg。在鼻溫降至25℃時(shí)阻斷上、下腔靜脈及升主動(dòng)脈,經(jīng)主動(dòng)脈根部灌注冷晶體心肌停跳液。心臟阻斷90分鐘,開放上、下腔靜脈、升主動(dòng)脈、肺動(dòng)脈。當(dāng)鼻溫達(dá)到 36.5℃、心跳有力、平均動(dòng)脈壓在60mmHg（8.0 kPa）、再灌注30分鐘時(shí),停體外循環(huán)機(jī)。

1.3 檢測(cè)指標(biāo) 對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組均在體外循環(huán)前（T1）、轉(zhuǎn)流后60分鐘（T2）、停機(jī)后 60分鐘（T3）、停機(jī)后120分鐘（T4）抽取動(dòng)脈血,血樣采集入肝素銨試管,用酶聯(lián)免疫吸附（ELISA）法測(cè)定血漿腫瘤壞死因子α（TNF-α）、白細(xì)胞介素 6（IL-6）、白細(xì)胞介素8（IL-8）和白細(xì)胞介素10（IL-10）濃度。由于CPB期間的血液稀釋程度在不斷變化中,為排除血液稀釋對(duì)測(cè)定值的影響,所有數(shù)據(jù)都按下列公式進(jìn)行矯正,矯正值=實(shí)測(cè)值×（術(shù)前HCT/采樣時(shí)HCT）。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS11.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,結(jié)果用±s表示,以Studentt檢驗(yàn)評(píng)價(jià)兩組配對(duì)樣本的差別。P＜0.05時(shí)雙尾檢查的差別有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 各組腫瘤壞死因子α（TNF-α）結(jié)果 兩組實(shí)驗(yàn)犬血漿TNF-α濃度在T2～T4各時(shí)點(diǎn)與體外循環(huán)前比較均明顯增加（P＜0.05）;T2～T4時(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組血漿TNF-α濃度明顯低于對(duì)照組（P＜0.01）（表1）。

2.2 各組白細(xì)胞介素6（IL-6）結(jié)果 兩組實(shí)驗(yàn)犬血漿IL-6的濃度在T2～T4各時(shí)點(diǎn)與體外循環(huán)前比較均明顯增加（P＜0.05）;T2～T4時(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組血漿IL-6濃度明顯低于對(duì)照組（P＜0.01）（表2）。

2.3 各組白細(xì)胞介素8（IL-8）結(jié)果 兩組實(shí)驗(yàn)犬血漿IL-8的濃度在T2～T4各時(shí)點(diǎn)與體外循環(huán)前比較均明顯增加（P＜0.01）;T2～T4時(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組血漿IL-8濃度明顯低于對(duì)照組（P＜0.01）（表3）。

2.4 各組白細(xì)胞介素10（IL-10）結(jié)果 兩組實(shí)驗(yàn)犬血漿IL-10的濃度在T2～T4各時(shí)點(diǎn)與體外循環(huán)前比較均明顯增加（P＜0.01）;T2～T4時(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組血漿IL-10濃度明顯高于對(duì)照組（P＜0.05）（表4）。

表1 各組腫瘤壞死因子α（TNF-α）結(jié)果（n=6,±s,pg/ml）Tab.1 Plasma concentration of TNF-αin each group（n=6,±s,pg/m l）

表1 各組腫瘤壞死因子α（TNF-α）結(jié)果（n=6,±s,pg/ml）Tab.1 Plasma concentration of TNF-αin each group（n=6,±s,pg/m l）

Note:T1.Pre-operation,T2.60m in of CPB,T3.1 hour after CPB,T4.2 hour after CPB.1）P＜0.01 vs T1;2）P＜0.01 vs controlgroup.

T2 T3 T4 3 8.21±0.841）21.57±7.761）12.81±1.561）Study group 3.72±0.51 6.06±0.921）2）9.24±4.251）2）7.32±1.331）2）

表2 各組白細(xì)胞介素6（IL-6）結(jié)果（n=6,±s,pg/m l）Tab.2 Plasma concentration of IL-6 in each group（n=6,±s,pg/m l）

表2 各組白細(xì)胞介素6（IL-6）結(jié)果（n=6,±s,pg/m l）Tab.2 Plasma concentration of IL-6 in each group（n=6,±s,pg/m l）

Note:T1.Pre-operation,T2.60m in of CPB,T3.1 hour after CPB,T4.2 hour after CPB.1）P＜0.01 vs T1;2）P＜0.01 vs controlgroup.

Groups T1 T2 T3 T4 Control group 3.06±0.76 9.96±2.121）54.65±21.131）14.35±2.161）Study group 2.89±0.57 6.58±1.931）2）35.44±10.451）2）7.02±1.471）2）

表3 各組白細(xì)胞介素8（IL-8）結(jié)果（n=6,±s,pg/m l）Tab.3 Plasma concentration of IL-8 in each group（n=6,±s,pg/m l）

表3 各組白細(xì)胞介素8（IL-8）結(jié)果（n=6,±s,pg/m l）Tab.3 Plasma concentration of IL-8 in each group（n=6,±s,pg/m l）

Note:T1.Pre-operation,T2.60m in of CPB,T3.1 hour after CPB,T4.2 hour after CPB.1）P＜0.01 vs T1;2）P＜0.01 vs controlgroup.

Groups T1 T2 T3 T4 Controlgroup 11.56±1.16 29.36±2.421） 56.45±5.731）69.28±7.161）Study group 12.32±1.35 20.58±1.971）2）38.45±7.401）2）40.13±9.471）2）

表4 各組白細(xì)胞介素10（IL-10）結(jié)果（n=6,±s,pg/ml）Tab.4 Plasma concentration of IL-10 in each group（n=6,±s,pg/ml）

表4 各組白細(xì)胞介素10（IL-10）結(jié)果（n=6,±s,pg/ml）Tab.4 Plasma concentration of IL-10 in each group（n=6,±s,pg/ml）

Note:T1.Pre-operation,T2.60m in of CPB,T3.1 hour after CPB,T4.2 hour after CPB.1）P＜0.01 vs T1;2）P＜0.05 vs controlgroup.

Groups T1 T2 T3 T4 Controlgroup 2.59±0.65 16.24±5.781）65.13±20.031）16.34±5.981）Study group 2.40±0.62 22.42±5.981）2）84.57±22.581）2）24.45±5.751）2）

3 討論

CPB經(jīng)半世紀(jì)的探索與改進(jìn),技術(shù)日益成熟,其安全性得以明顯增加,使得重癥和復(fù)雜心臟直視手術(shù)死亡率和并發(fā)癥明顯下降。但CPB后的全身炎癥反應(yīng)仍然是心血管外科患者的一個(gè)主要并發(fā)癥,已成為目前心血管外科的重要研究課題。

CPB的機(jī)械剪切作用、血液與體外循環(huán)的人工材料表面接觸,可啟動(dòng)并激活中性粒細(xì)胞[1]。致炎介質(zhì)隨后通過(guò)擴(kuò)增中性粒細(xì)胞激活而進(jìn)一步加重肺損傷[2]。人工氧合器具有巨大的人工表面,是激活凝血反應(yīng)的強(qiáng)烈刺激[3],即使使用大劑量肝素也不能完全抑制凝血酶的激活,從而進(jìn)一步激活血小板和白細(xì)胞[4],激活的中性粒細(xì)胞可在體循環(huán)及肺組織內(nèi)進(jìn)一步釋放一定數(shù)目的蛋白水解酶和氧化化學(xué)產(chǎn)物。這些產(chǎn)物包括降解的基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）、彈性蛋白酶、氧自由基（如髓過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫、過(guò)氧化物）。這些物質(zhì)可破壞肺組織的超微結(jié)構(gòu),導(dǎo)致肺泡-內(nèi)皮通透性增加而影響氣體交換和肺結(jié)構(gòu),產(chǎn)生CPB后肺損傷[5]。常規(guī)體外循環(huán)期間,肺臟被排除在血液循環(huán)之外,肺動(dòng)脈內(nèi)的血流處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),引起血管內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂,導(dǎo)致肺臟再灌注后嚴(yán)重的微循環(huán)障礙[6]。

本研究發(fā)現(xiàn):實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組實(shí)驗(yàn)犬血漿TNF-α、IL-6、IL-8濃度在T2～T4各時(shí)點(diǎn)與體外循環(huán)前比較均明顯增加（P＜0.01）,進(jìn)一步證實(shí)了體外循環(huán)可引起致炎性細(xì)胞因子的釋放,全身炎癥反應(yīng)伴隨體外循環(huán)而存在。TNF-α是體外循環(huán)相關(guān)性炎癥反應(yīng)的主要致炎因子,在炎癥瀑布級(jí)聯(lián)反應(yīng)中起核心作用,是CPB后炎癥反應(yīng)過(guò)程中釋放最早同時(shí)也是最重要的內(nèi)源性介質(zhì)之一,既可損傷血管內(nèi)皮細(xì)胞,促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞粘附分子的表達(dá),又可促進(jìn)白細(xì)胞介素的合成,激活血小板,誘導(dǎo)產(chǎn)生多種活性物質(zhì),增強(qiáng)炎癥反應(yīng),導(dǎo)致組織器官損傷[7]。IL-6是細(xì)胞因子釋放第二高潮中的主要因子,也是急性期反應(yīng)蛋白合成和炎性細(xì)胞積聚的主要因素,它能整合早期炎癥反應(yīng)信號(hào),促進(jìn)炎性因子的進(jìn)一步釋放,其水平升高與CPB后心功能不全有關(guān),是反映組織損傷的早期和敏感指標(biāo)[7]。IL-8由活化的內(nèi)皮細(xì)胞、單核細(xì)胞及T淋巴組胞產(chǎn)生,是最強(qiáng)的多形核白細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞激活和趨化因子,它的血漿水平被認(rèn)為是嚴(yán)重組織損傷的標(biāo)志。本研究發(fā)現(xiàn)CPB開始后各組IL-8水平均明顯增高,提示IL-8共同參與了CPB炎癥反應(yīng)。

自體肺體外循環(huán)方法有以下優(yōu)點(diǎn):（1）維持肺動(dòng)脈灌注,肺動(dòng)脈有持續(xù)血供,避免肺臟缺血再灌注損傷,繼承了體外循環(huán)期間維持肺動(dòng)脈灌注的優(yōu)良肺保護(hù)效果;（2）自體肺擁有良好的組織相容性,最大限度地降低體外循環(huán)相關(guān)性炎癥反應(yīng)的程度,有效地減輕了全身炎癥反應(yīng)引起的肺損傷;（3）氧合器的成本接近零,可直接降低患者手術(shù)費(fèi)用。

本研究顯示 IL-10與 TNF-α、IL-6、IL-8同步升高,說(shuō)明機(jī)體的炎癥反應(yīng)中既有促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生,同時(shí)又有抗炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生。IL-10是抗炎細(xì)胞因子,可抑制炎癥反應(yīng)和免疫反應(yīng),對(duì)全身炎癥反應(yīng)導(dǎo)致的臟器損傷有一定的保護(hù)作用。IL-l0的釋放增加代表著限制炎癥反應(yīng)的內(nèi)源性反應(yīng),大量強(qiáng)效抗炎因子的產(chǎn)生反映了人體自身也盡可能地限制過(guò)激的炎癥反應(yīng)[8]。維持促炎細(xì)胞因子和抗炎細(xì)胞因子之間的平衡對(duì)減輕炎癥反應(yīng)、降低術(shù)后并發(fā)癥有十分重要的意義。

本研究結(jié)果顯示:T2～T4時(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組血漿TNF-α、IL-6、IL-8濃度明顯低于對(duì)照組（P＜0.01）,IL-10濃度明顯高于對(duì)照組（P＜0.05）。表明自體肺體外循環(huán)不僅可以有效抑制CPB期間促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-6和IL-8的釋放,還促進(jìn)抗炎細(xì)胞因子IL-10的釋放,從而有效減輕體外循環(huán)相關(guān)性炎癥反應(yīng),減輕體外循環(huán)相關(guān)炎癥反應(yīng)引起的重要器官損傷。其原因有二方面:（1）自體肺體外循環(huán)不使用人工肺,無(wú)表面接觸激活血液中有關(guān)成分的根本缺點(diǎn);（2）心臟缺血期間,肺臟的血供或氧供未減少,從而預(yù)防了肺臟再灌注后的病理生理學(xué)改變。

1 Oliver JW,Amy LW,Katie LWetal.Theinflammatory response to cardiopulmonary bypass:part2—anti-inflammatory therapeutic strategies[J].JCardiothoracic Vascular Anesthesia,2009;23（3）:384-393.

2 Sahin S,Fevzi T,Serdar Getal.The impactofallogenic red cell transfusion and coated bypass circuit on the inflammatory response during cardiopulmonary bypass:a randomized study[J].Interactive Cardio Vascular Thoracic Surgery,2009;8（1）:93-99.

3 UmeadiC,Kandeel F,Al-Abdullah IH.Ulinastatin isanovelprotease inhibitor and neutral protease activator[J].Transplant Proceed,2008;40（5）:387-389.

4 Banz Y,Rieben R,Zobrist Cetal.Addition of dextran sulfate to blood cardioplegia attenuates reperfusion injury in a porcinemodelof cardiopulmonary bypass[J].Eur Cardio-Thoracic Surg,2008;34（9）:653-660.

5 Yang YM,Cai JM,Wang SMetal.Better protection of pulmonary surfactant integrity with deep hypotherm ia and circulatory arrest[J].Ann Thorac Surg,2006;82（06）:131-137.

6 Liakopoulos O J,Schm itto JD,Kazmaier Setal.Cardiopulmonary and system ic effects of methylprednisolone in patients undergoing cardiac surgery[J].Ann Thorac Surg,2007;84（7）:110-119.

7 Stoney W S.Evolution of cardiopulmonary bypass[J].Circulation,2009;119（6）:2844-2853.

8 Evans B J,Haskard DO,Finch JRetal.The inflammatory effectof cardiopulmonary bypass on leukocyte extravasation in vivo[J].JThorac Cardiovasc Surg,2008;135（05）:999-1006.

[收稿2009-09-24 修回2009-12-23]

（編輯 張曉舟）

The empirical study for the effect of extracorporeal circulation with autologous lung and conventional extracorporeal circulation as oxygenator on cytokine levels

LINBai-Song,ZHANGXiu-He,ZHANGBai-Min,JIANGYi-Zhong,LIZhe.DepartmentofCardiovascularSurgery,China-JapanUnionHospital,JilinUniversity,Changchun130033,China

Objective:To determine the protective effectof cardio-pu lmonary bypass（CPB）with autologous lungas oxygenatoron CPB-relative inflammatory response.Methods:Twelveadultmongrel dogswere randomly divided into controlgroup and study group.Cardiopulmonary bypass（CPB）using amembrane oxygenator（controlgroup）or using the autologous lung（study group）for gas exchangewas performed for 120min in an alternating series of 12mongrel dogswith the heart arrested for 90min by crystalloid cardioplegia and 30min reperfusion.The blood sampleswere collected at the same time pointof pre-operation（T1）,60min of cardiopulmonary bypass（T2）,and 1 hour（T3）,2 hours（T4）after cardiopulmonary bypass.Plasma concentration of IL-6,IL-10,TNF-αwere detected with ELISA.Results:The plasma levels of IL-6,IL-8,IL-10,TNF-αin eachgroupwere significantly increased atT2,T3,T4.The plasma levels of IL-6,IL-8 and TNF-αin study groupwere significantly lower than in the control group at T2,T3,T4.The plasma levels of IL-10 in study group were significantly higher than the levels in control group at T2,T3,T4.Conclusion:Thisstudy indicates thatextracorporeal circu lationwith autologous lung asoxygenator cou ld reduce the increased amplitude of plasma levels of TNF-α,IL-6 and IL-8whereas enhance the increased amp litude of the p lasma IL-10 levels that result from CPB.Inotherword,extracorporeal circulationwith autologous lung asoxygenator possessestheeffect to regulate inflammatory cytokine balance and down-regulate CPB-relative inflammatory response.

Autologous lung;Inflammatory response;Cytokine;Cardiopulmonary bypass

R332 R654.1

A

1000-484X（2010）03-0278-03

①本文為吉林省科技廳科技發(fā)展計(jì)劃基金資助課題（20080742）

林柏松（1969年-）,男,醫(yī)學(xué)博士,副教授,副主任醫(yī)師,碩士生導(dǎo)師,主要從事心肌保護(hù)和肺保護(hù)方面的研究。