羅鵬 楊劍 劉維永

(第四軍醫(yī)大學附屬西京醫(yī)院心血管外科，西安 710032)

引言

經(jīng)過50多年的發(fā)展和逐步完善，體外循環(huán)(cadiopulmonary bypass，CPB)已經(jīng)成為今天心臟直視手術的常規(guī)技術。然而，由于制備體外循環(huán)管道所使用的材料多為聚氯乙烯、聚氨酯和硅橡膠等人工合成材料，其生物相容性欠佳，當與血液接觸時，可造成血液有形成分損傷，細胞釋放一氧化氮(NO)、內皮素、細胞因子等血管活性物質，以及凝血、纖溶、補體系統(tǒng)激活而引起嚴重的全身炎癥反應[1]，進而導致心肌功能障礙、呼吸衰竭、成人呼吸窘迫綜合癥、敗血癥、凝血功能障礙、腎功能不全、神經(jīng)認知功能障礙和多器官功能衰竭等術后并發(fā)癥[2]，嚴重影響患者術后的臨床轉歸。針對這些問題，減輕異物表面反應的多種策略得到發(fā)展，包括體外循環(huán)管道的表面涂層、選用生物相容性更好的人工材料和藥物介入抑制炎癥反應等[1]。其中，體外循環(huán)管道表面改性一直是研究的熱點。

文中對目前體外循環(huán)管道表面改性的幾種主要方法及其臨床應用做一回顧，并介紹了其最新研究進展。

1 生物活性表面

1.1 肝素涂層表面

肝素是一種帶有大量負電荷的粘多糖硫酸酯，其主要由肥大細胞和嗜堿性粒細胞產生，在臨床上被廣泛用作抗凝劑。研究表明，微血管內皮細胞表面存在有肝素樣分子和其他生物活性物質，從而防止局部血栓形成。1963年Gott等首次用石墨-芐烷銨肝素(graphite-benzalkonium heparin，GBH)浸漬法以離子結合方式將肝素與人工合成材料結合，以增加人工血管的抗血栓形成性能[3]。此后人們一直嘗試應用肝素涂層來改善體外循環(huán)管道的生物相容性，以減輕心臟手術后的全身炎癥反應。直到1983年Larm等才首次開發(fā)出商品化的肝素涂層技術[4]，此后研究人員相繼開發(fā)出多種不同結合機制的肝素涂層技術，如代表離子鍵結合技術的Duraflo IITMsurface(Baxter Healthcare Corporation，USA)，代表共價鍵結合技術的CorlineTMHeparin Surface(CHS，Corline Systems AB，Sweden)和 AOThelTMheparin coating(Artificial Organ Technology，Bad Oeynhausen，Germany)，代表終點固定方式的Carmeda? Bioactive Surface(Medtronic，USA)和TrilliumTMBiosurface(Medtronic，USA)，以及代表共價鍵和離子鍵共同結合技術的BiolineTM(Jostra Cardiopulmonary，Germany)等。大量的體外實驗和臨床研究都表明肝素涂層除了能明顯改善體外循環(huán)管道的生物相容性，通過抑制血小板、凝血纖溶系統(tǒng)和補體系統(tǒng)的激活而減輕CPB后的全身炎癥反應外[5-6]，還能改善CPB術中和術后的血流動力學穩(wěn)定性和重要器官的代謝，從而使部分心臟手術后患者的臨床轉歸明顯改善[7-8]。最近，Gunaydin等報道了以透明質酸為基礎的肝素涂層方法，臨床研究顯示該涂層方法具有更好的效果和更輕的炎癥反應，并能安全減少體外循環(huán)中全身肝素化的肝素用量[9]。肝素涂層表面是體外循環(huán)管道表面改性的一個里程碑，但由于肝素涂層未能完全阻止手術創(chuàng)面所介導的血液激活，所以肝素涂層體外循環(huán)管道在臨床應用中仍有不少問題有待進一步解決。

1.2 雙嘧達莫固定化表面

雙嘧達莫是一種眾所周知的血管擴張劑和血小板激活、聚集的強效抑制劑，而且?guī)缀鯖]有毒性。該藥在臨床上被廣泛用于抗凝治療，如冠脈腔內成形術的術前和術后用藥。Aldenhoff等用光化學固定法將雙嘧達莫共價結合于聚氨酯表面，發(fā)現(xiàn)雙嘧達莫使聚氨酯表面的血栓形成性明顯降低，并且能明顯減少血小板的粘附，從而改善了聚氨酯的血液相容性[10]。目前固定化的雙嘧達莫的確切作用機制仍然未知，可能是基于血小板-雙嘧達莫的特異識別，或固定化的雙嘧達莫能減少血漿蛋白的吸附從而抑制血小板的粘附。由于與肝素的抗凝機制不同，雙嘧達莫主要通過抑制血小板的粘附和激活而發(fā)揮抗血栓形成作用，因而是否可嘗試將其與肝素聯(lián)合用于體外循環(huán)管道表面的改性還值得進一步研究。

1.3 釋放或產生NO的聚合物涂層表面

NO是一種眾所周知的血小板粘附和激活抑制劑，也是平滑肌細胞增殖的有效抑制劑。最近有研究人員合成出了一種與血液接觸時能化學釋放或局部生成 NO的聚合物[11]。該聚合物主要通過融合離散型的NO給予體分子或與NO給予體共價結合而制得。初步的體外和體內實驗結果顯示該聚合物涂層使體外循環(huán)管道的生物相容性有所提高。但其應用的最大局限性是聚合物中NO儲備量有限，從而限制了該涂層應用的時效性[11]。釋放或產生NO的聚合物涂層管道表面能否真正使病人臨床獲益還需要進一步驗證。

1.4 賴氨酸固定化表面

纖溶酶原是一含有賴氨酸結合位點的血漿蛋白，它是人體血液纖溶系統(tǒng)的重要組分。最近的研究表明，促進纖溶酶原在人工材料表面結合能夠改善其血液相容性。McClung等[12]利用光化學固定法將含賴氨酸和二苯甲酮的聚丙烯酰胺涂層共價固定于聚氨酯表面，體外實驗發(fā)現(xiàn)該表面能夠大量結合血漿中的纖溶酶原，并且結合的纖溶酶原能夠被t-PA激活為纖溶酶，從而能夠溶解血凝塊。另外，研究還發(fā)現(xiàn)該表面結合的纖溶酶原能夠與血漿中的纖溶酶原自我交換，從而具有持續(xù)再生的能力，能夠長期保持促纖維蛋白溶解活性。與肝素涂層表面抗血栓形成不同，賴氨酸固定化表面通過結合纖溶酶原而促進纖維蛋白溶解，為體外循環(huán)管道的表面改性提供了一種新思路，但是其在血液流動狀態(tài)下的性能還有待進一步觀察。

2 生物惰性表面

2.1 白蛋白涂層表面

白蛋白是血漿中含量最豐富的蛋白質，具有高度的穩(wěn)定性和水溶性。它的多肽鏈不會與血小板、白細胞或凝血系統(tǒng)中的酶受體發(fā)生相互作用，能夠相對牢固地吸附于疏水性表面。基于白蛋白的上述特性，許多研究者進行了白蛋白涂層和增加人工材料表面對白蛋白親和力的研究，并開發(fā)出了商品化的重組白蛋白涂層體外循環(huán)管道(safelinetreatment maquet)。但白蛋白涂層表面具有的最大缺陷就是結合的白蛋白會逐漸變性或被其它對人工材料具有更高親和力的蛋白質所取代，因而限制了其在臨床上的應用。

2.2 水凝膠涂層表面

水凝膠是一種專為生物學使用的親水性聚合物，其具有交聯(lián)的三維結構和強吸水性。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等將PVP涂覆于聚氨酯導管的表面，發(fā)現(xiàn)PVP涂層不僅能夠增加聚氨酯表面的光滑性和親水性，而且還能明顯減少蛋白質吸附(纖維蛋白原)和蛋白質介導的細胞粘附，從而改善了聚氨酯的生物相容性[13]。水凝膠涂層技術簡單，成本低廉，目前已廣泛應用于醫(yī)療器械的表面改性，并取得了良好的臨床效果，將來有望進一步擴展應用于體外循環(huán)管道的表面改性。

2.3 表面改性添加劑改性表面

表面改性添加劑(surface-modifying additive，SMA)是一種具有兩親性的三嵌段共聚物，其一般通式為聚已酸內酯-聚二甲硅氧烷-聚已酸內酯。當它與基材聚合物共混時，由于其電荷特性而遷移至基材聚合物的表面，形成一種靜電荷為中性的穩(wěn)定的微區(qū)樣結構，從而減少血小板和白細胞的沉積[14]。 SMARxTTMsurface(COBE Cardiovascular，CO，USA)是其商品化的體外循環(huán)管道。體外和體內實驗表明，這種經(jīng)SMA改性的體外循環(huán)管道能夠延遲接觸激活，降低凝血活性，改善血小板相容性，并減少細胞、血漿蛋白系統(tǒng)的激活[14]。此后，Rubens等進行的一系列臨床試驗證實這種經(jīng)SMA改性的體外循環(huán)管道與普通體外循環(huán)管道相比，能夠增強血小板保護，減少纖維蛋白溶解和凝血酶生成，預防體外循環(huán)中不利的血流動力學改變，其生物相容性明顯改善[14-15]。不過，最近 Newling等在體外研究中發(fā)現(xiàn)，由于SMA改變了聚氯乙烯管道的機械牽拉強度，經(jīng)SMA改性的體外循環(huán)管道與普通體外循環(huán)管道相比，導致其在體外循環(huán)中斷裂的危險性增加，從而降低了患者的手術安全性[16]。SMA改性體外循環(huán)管道主要通過影響蛋白質的吸附而改善體外循環(huán)管道的生物相容性，其體外實驗和臨床試驗所獲得的結果基本相符，但目前其臨床應用的經(jīng)驗還有限，加上新近發(fā)現(xiàn)SMA改性體外循環(huán)管道的力學性能有所下降，故值得繼續(xù)關注。

2.4 PMEA涂層表面

聚2-瞵酰甲氧乙基腺嘌呤(Poly-2-methoxyethylacrylate，PMEA)是一種人工合成的聚合物，其疏水性主鏈上帶有輕度親水性殘基，但是沒有功能性基團。將PMEA涂覆于聚合物表面，能形成具有兩親性的血液接觸表面。X-coatingTM(PMEA，Terumo，Cardiovascular Systems，Japan)是其商品化的體外循環(huán)管道。目前PMEA涂層體外循環(huán)管道已安全應用于小兒和成人心臟手術，具有良好的血液相容性，并且能夠減輕圍術期的炎癥反應，改善患者的臨床轉歸[17-19]。PMEA涂層體外循環(huán)管道與SMA改性體外循環(huán)管道類似，是通過抑制血漿蛋白的吸附而改善體外循環(huán)管道的生物相容性，其減輕CPB不良影響與肝素涂層體外循環(huán)管道相當，但是能否使患者臨床獲益仍有待進一步驗證。

3 生物模仿表面

磷酸膽堿(phosphorylcholine，PC)基團是組成細胞膜基本單元卵磷脂的親水端基團，是細胞外膜的外層功能基團。日本學者Nakabayashi等最早提出了仿細胞膜結構的概念，并設計合成了含PC基團的甲基丙烯酸酯單體(methacryloylphosphorylcholine，MPC)及其與憎水單體的共聚物。隨后，Campbell等成功合成出具有生物膜結構表面的聚合物用于人工材料的表面改性[20]。體外實驗表明MPC涂層表面能夠減少蛋白質的吸附(特別是纖維蛋白原)，從而減少血小板沉積。另外也有證據(jù)表明該表面能夠減少凝血因子Ⅻ的激活。最后，當該涂層溶解時，MPC還能夠通過一種仍未知的機制抑制凝血酶。De Somer等的研究表明MPC涂層CPB管道與普通體外循環(huán)管道相比，其血小板激活明顯減少，表現(xiàn)為血栓素 X2和 bTG的水平下降[21]。最近Pappalardo和Schulze等的臨床研究表明PC涂層體外循環(huán)管道能夠限制高危心臟手術中的凝血酶生成[22]，改善血小板保護和減少促炎細胞因子的表達[23]，但另外也有研究表明 PC涂層體外循環(huán)管道不能減輕嬰幼兒心臟手術后的炎癥反應[24-25]。PC涂層作為一種全新的體外循環(huán)管道表面改性方法，使體外循環(huán)管道的生物相容性有所提高，但是并沒有明顯改善患者術后的臨床轉歸。

4 其它表面改性方法

以往的研究發(fā)現(xiàn)，肝素的抗凝血活性與肝素分子鏈上的帶負荷電的磺酸基及羧基有關，且主要與磺酸基有關?；诖耍琇iu等用SO2/O2混合氣體等離子體技術在醫(yī)用聚氯乙烯膜上引入磺酸基，顯著提高了聚氯乙烯膜的抗凝血性能[26]。另外，有證據(jù)表明，體外循環(huán)管道中的聚氯乙烯管中所使用的增塑劑在炎癥反應中發(fā)揮一定作用，將增塑劑從聚氯乙烯管表面去除，可以上調中性白細胞表面的CD11 b，從而改善其生物相容性，其減輕體外循環(huán)所引起的炎癥反應的作用與肝素涂層相似[27]。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前的體外循環(huán)管道生物相容性已明顯改善，但還遠未達到理想程度。最理想的生物相容性表面莫過于血管內皮細胞層，通過在人工材料表面接種內皮細胞，可以獲得生物相容性優(yōu)越的生物材料，然而由于體外循環(huán)管道多為一次性使用產品，故這種技術難度大、成本高的表面改性方法并不適用。生物活性表面和生物模仿表面仍是最有前途的體外循環(huán)管道表面改性方法。1997年Chan等基于非酶糖基化反應合成出了一種新型抗凝血酶-肝素共價復合物(antithrombinheparin covalent complex，ATH)，并對 ATH進行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)ATH具有直接和間接抑制凝血酶的活性，對血漿蛋白和內皮細胞的吸附較普通肝素明顯減少[28]，在人工材料表面的結合密度大且結合穩(wěn)定[29]，特別是 ATH還能抑制纖維蛋白結合的凝血酶活性和使結合有凝血酶的纖維蛋白血栓具有抗凝血活性[30]，從而能有效的抑制手術創(chuàng)面所介導的血液激活，因此ATH是一種較理想的可用于體外循環(huán)管道表面改性的生物活性物質。但是，目前ATH的合成和純化都較困難，且成本很高，暫不適用于體外循環(huán)管道的表面改性。隨著基因工程合成人源性重組抗凝血酶的成功和ATH制備純化工藝的改進，我們可以期待將來開發(fā)出生物相容性更為優(yōu)越的ATH涂層體外循環(huán)管道。

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