体外循环肺脏损伤的防治原则

1  改善材料的生物相容性

如前所述，血液与人工表面之间的界面实际上是血液与人工表面上所吸附蛋白的界面，因此，在人工表面与血液接触时，其生物相容性取决于其上附着蛋白的组成成分和理化性质。类似于血管内皮细胞的理想的人工表面应能够与血液直接接触，但目前尚未开发成功，短期内亦不大可能。从生物医学工程的观点，在整个体外循环管路中应用肝素涂抹（heparin coated）技术是一目前最为可行的方法。已有一些临床观察显示该技术可减少补体、血小板、中性粒细胞的激活，同时可减少细胞因子的生成。而在另一些临床观察中对肝素涂抹技术仍有争议，认为其在CPB中实际应用时，对减轻血液激活的作用不如体外实验的效果；人们发现肝素涂抹不象内皮细胞那样具有抗凝活性，不能预防血栓形成，故在使用时建议不要减少全身肝素化时的肝素用量。上海市儿童医院心胸外科李小兵

在人工表面进行肝素处理的理论基础是其具有血栓抑制作用，另有人认为以血小板或纤溶酶原的抑制物对人工材料的表面进行处理亦可改善其生物相容性。前列环素（PGI2）是目前最为理想的血小板抑制剂，但其性质不稳定，很难通过工程技术与人工表面结合；故有人将非类固醇类的水杨酸及PGI2的其它较为稳定的衍生物结合在大分子材料的表面，并使其在CPB中逐渐释放出来。在生理状态下由内皮细胞释放的组织型纤溶酶原激活物（TPA），以及其它的激活物如尿激酶等，亦可结合于人工表面，以促进对已形成纤维蛋白的溶解过程。但这些结合于人工表面的纤溶激活物对纤溶酶原的作用机制与其在体内的作用机制不同，如TPA在体内需粘附于纤维蛋白上才能发挥其激活作用，目前尚无法证实其效果。

理想的人工生物材料表面应覆盖白蛋白，能防止纤维蛋白原、XII因子和HMWK的粘附，并能抑制补体C3的激活，减少CPB中的溶血。在设计新型人工材料时须充分考虑体外循环的非生理特性，才能获得较好的临床效果。

2  体外循环中的“血液麻醉”

“血液麻醉”是指在体外循环中，当血液暴露于人工表面时，应用药物在一定时相中预防预防生物材料对其的激活作用。其理论基础，是暂时抑制吸附于人工表面的蛋白对血液成分激活的初始反应，以避免继发反应的发生。

临床中的“血小板麻醉”是“血液麻醉”的一个组成部分。目前已有许多血小板抑制物应用于临床，但多数仅能抑制血小板的部分功能，并均有一定的副作用。如前列环素（PGI2）可抑制血小板对凝血酶的激活作用，同时又有较强的扩血管作用；裂合素家族（Disintegrins）可抑制血小板糖蛋白GPIIb/IIIa的受体，继而抑制血小板的粘附和聚集，但却不能抑制血小板对凝血酶的激活作用。将小剂量PGI2或其类似物与一种裂合素联合使用，既可协同其血小板抑制作用，又可减轻前列环素的扩血管作用。另外，最近有报道在CPB的氧合器中吹入NO气或使用NO前体物质可抑制血小板的激活、同时亦有可能抑制中性粒细胞和补体的激活，是目前“血液麻醉”的较为理想的措施，在近年来对其研究十分活跃。NO的半衰期很短（数秒钟），可控性较好，不会造成全身的低血压，在CPB结束后可十分方便地撤除，以充分发挥血小板的止血作用。

目前心血管外科临床应用最为成功的“血液麻醉”措施是大剂量抑肽酶，其最直接的效果是明显减少术后出血量。抑肽酶是丝氨酸蛋白酶的抑制剂，可强烈抑制纤溶酶活性，同时亦可抑制丝氨酸蛋白酶的激活剂如缓激肽和XIIa因子等。它可在CPB的转中和转后明显减少纤溶酶的激活和凝血酶的产生，并抑制血小板的激活，使CPB结束时机体得以维持有一定数量的具有抗凝活性的血小板，即其亦具有“血小板麻醉”的特性；另有研究证实抑肽酶在CPB中对机体各器官均有不同程度的保护作用。近年来对在心血管外科中应用抑肽酶的研究异常活跃，同时带动了其它丝氨酸蛋白酶抑制剂的研究，各种研究的目的最终为，探讨出一个预防和抑制CPB中血管活性物质产生的最佳配伍，以使机体在此期间尽可能维持于生理状态。

另外，由于白细胞在CPB相关的炎症反应和缺血再灌注损伤中起到至关重要的作用，“白细胞麻醉”亦日趋受到重视。不同机制的白细胞抑制剂均得以深入研究，其中有抗炎剂如腺苷、PGI2/PGE2及其类似物、NPC15699、水杨酸等，一氧化氮NO的前体物质如L-精氨酸、硝酸甘油、硝普钠等，cGMP类似物如8-溴- cGMP，磷脂酶A2的抑制剂如阿的平，甲基黄嘌呤的衍生物如己酮可可碱，脂加氧酶A2的抑制物如L663、L536、MK886等，钙拮抗剂如维拉帕米、硫氮卓酮，等等。以上各种制剂均可在不同程度上抑制炎症反应和/或减轻CPB中的肺脏损伤，在减少体外循环并发症方面有较好前景，但目前尚无可在临床常规应用者。

总之，目前各种“血液麻醉”措施的许多机制业已明了，较研制新型生物材料更容易在临床推广使用。

3  抑制炎症介质的生物活性

炎症介质的释放可导致CPB相关性肺脏损伤（包括缺血再灌注损伤），因此，理论上炎症介质的抑制剂可减轻炎症反应的强度，减轻肺脏损伤。在近十几年中，有许多学者在CPB中使用炎症介质的抑制剂来预防和减轻组织损伤，包括糖皮质激素、氧自由基清除剂、中性粒细胞颗粒稳定剂、特异性单克隆抗体等等。

糖皮质激素可在CPB中减少溶酶体酶的释放并抑制补体介导的中性粒细胞的聚集，从而预防和减轻了肺脏损伤。亦有研究发现糖皮质激素可在开放冠脉循环时，减少血浆中性粒细胞弹性蛋白酶的水平；在CPB中给予地塞米松可预防肿瘤坏死因子（TNF）的产生。

对白细胞激活的抑制剂前文已有介绍，这里不再赘述。

在CPB中联合应用超氧化物歧化酶和过氧化氢酶，可减轻激活的中性粒细胞对组织的过氧化损伤作用。其它种类的清除剂亦可在CPB中减少或清除自由基，因而减轻急性肺脏损伤，如甘露醇、别嘌呤醇、维生素C、维生素E、铁离子螯合剂去铁胺等等。

另外，在实验动物的体外循环模型中发现，应用针对细胞因子（TNF、IL-1、IL-8等）和不同粘附分子（PAF、TXA2、LTB2等）的单克隆抗体，可有一定的肺保护效果。单克隆抗体技术的应用，可使我们更好地认识CPB相关性肺脏损伤的机制，并为今后的临床工作提供了新的治疗措施。

4  一氧化氮（NO）在心血管外科中的应用

1、NO的生理和生化特性

在1987年，人们发现以前所谓的内皮细胞舒张因子（EDRF）就是NO；从此，NO即成为心血管生理学领域里的研究热点。在体内有多种细胞可生成NO，如血管内皮细胞、平滑肌细胞、上皮细胞、血小板、非肾上腺素能非胆碱能神经细胞、巨噬细胞、肥大细胞、中性粒细胞等等，使其普遍存在于体内各脏器中。已证实其前体物质L-精氨酸在NO合成酶（NOS）的催化下生成NO。根据对Ca离子的依赖性、自主合成表达性、以及细胞因子激活细胞后的合成数量，可将NOS分为3种异构型。血管内皮细胞和某些神经细胞释放的NOS可自主合成表达，在Ca离子依赖状态下可与钙调蛋白结合，当细胞内游离钙离子浓度升高时可被激活；主要的Ca离子非依赖性NOS，可在各种细胞（内皮细胞、巨噬细胞、肾小球上皮细胞、血管平滑肌细胞等）暴露于细胞因子的状态下生成。除了细胞内Ca离子浓度和细胞因子外，细胞内PH和血管的剪切应力亦可影响NO的生成。

NO在合成后可扩散至血管平滑肌细胞，激活细胞内的可溶性鸟苷酸环化酶产生cGMP，使平滑肌舒张。NO对血小板粘附和聚集的抑制作用亦是通过激活鸟苷酸环化酶产生cGMP的机制。近年还发现，NO对中性粒细胞的激活有较强的抑制作用；对NO合成的抑制，可使中性粒细胞粘附糖蛋白CD11/CD18的表达上调，造成中性粒细胞与内皮细胞的粘附反应增加。在体外实验中发现，NO前体物质的类似药物可通过增加cGMP的合成，抑制中性粒细胞的粘附、趋化、蛋白水解酶的释放及膜表面受体的表达。另外，NO尚有其它的生物学效应，如调节细胞的生长和增殖、神经冲动的传导、细菌抑制等。NO合成的不足和过剩可导致不同的病理过程，如全身炎症反应、缺血再灌注损伤、高血压、动脉粥样硬化等。

NO的体内半衰期很短，其灭活受许多因素的影响，但机制目前尚未明了。NO在富氧水溶液中的终末稳定产物是亚硝酸根（NO2-）和硝酸根（NO3-）；NO在气态时极不稳定，其与O2的反应速度取决于二者的浓度。NO与O2的反应速度公式为V=K3[NO]2 [O2]，在水溶液中K3=8 x10-6m-2s-1，在气态时K3=4 x 106 m-2s-1。从公式中可见，NO的浓度越低，灭活越慢，其发挥作用时间的长短决定于浓度。NO可很快地与自由基发生反应，可被作为自由基清除剂；但当其与O2-反应时，可产生一种更强的氧化剂超氧化亚硝基（-OONO），具有较强的细胞毒性并导致组织损伤。NO尚可与许多其它有机分子发生反应，如巯基、金属基团等。NO气体作为治疗药物吸入时，主要经与血红蛋白结合而灭活；血红蛋白与NO的亲和力是其与O2的亲和力的3000倍，可生成硝基血红蛋白，然后转变为甲氧血红蛋白，后者被红细胞内的还原酶还原为亚硝基和硝基。体内绝大多数亚硝基和硝基来源于NO的代谢。

2、围体外循环期NO代谢的变化

NO在血液中不稳定，半衰期很短，临床上对其浓度的测量十分困难，主要测量其代谢产物亚硝基和硝基在血浆中的浓度，而目前有关围体外循环期NO代谢产物变化的报道争议很大。理论上，在CPB或其它各种体外技术中，均存在可影响NO生成的因素，如血管剪切应力的变化和细胞因子的增加可导致NO生成增加，同时全身水平的内皮细胞受损和缺氧亦可使NO的生成减少。

有报道，在CPB开始时血浆亚硝基水平无明显变化，但CPB开始后30分钟明显升高，于CPB后10分钟达峰值，并于CPB后1小时降至原始浓度；但有人指出此实验存在明显漏洞，因为NO在血液中很快被氧化为亚硝基，而后者亦很快转化为硝基，最终亚硝基与硝基的比例为1:9，故单纯用亚硝基无法全面反应NO在CPB中的代谢变化。另有学者发现在临床肺组织标本中，CPB后Ca++非依赖性NOS的活性较CPB前升高，提示在CPB转中和转后NO的合成应有所增加。尚有学者在与CPB具有相似性质的人工透析过程中，发现硝基的产生明显增加。

另有NO在CPB转中和转后合成减少的报道。有学者在猪CPB模型中发现，肺血管张力因NO的减少而增加。又有人在应用深低温停循环（DHCA）的体外循环中发现，脑组织的NO生成减少，并可导致脑循环和脑代谢的改变，给予L-精氨酸可明显改善DHCA后的脑血流和脑组织氧代谢，但该实验中没有直接测定血浆亚硝基和硝基的浓度。还有学者发现，在非搏动CPB中，NO代谢产物亚硝基和硝基较搏动灌注时明显减少。

对在体外循环中NO及其代谢产物的变化，目前存在较多争议，需要今后更加严谨的实验来阐明。对以上各种变化的机制的完全明了，有助于在临床水平确定相应的治疗措施，以减少CPB相关性肺脏损伤的发病率。

3、NO吸入：治疗急性肺动脉高压的有效措施

胸心血管外科患者的肺动脉高压（PH）可能源于心脏和肺脏的解剖学异常，亦有可能源于CPB相关性肺脏损伤（包括肺脏的缺血再灌注损伤）。无论肺高压的原因何在，NO吸入均为减轻肺动脉压力的有效疗法，可改善肺组织的氧合，简化患者的围术期管理。NO以气态吸入时，可充分显示其选择性扩张肺动脉的优越性，并可减少动静脉分流，进而改善氧合状态。NO气只能作用于有通气的肺脏区域，不会在萎陷的肺脏组织中造成血管扩张；同时，其与血红蛋白具有高度亲和力，在肺脏中即通过与血红蛋白的结合而被灭活，不会造成全身低血压。

有关NO对胸心血管外科中的肺动脉高压患者治疗作用，已有很多报道，在此不再赘述。

4、NO能否减轻肺脏缺血再灌注损伤

目前，有关NO对肺脏缺血再灌注损伤保护作用的研究，较其对心脏缺血再灌注损伤保护作用的研究为少。NO对心肌的保护作用已被明确证实，但其对CPB中肺脏缺血再灌注的保护作用，尚无有力的临床证据。

然而，一些在实验动物模型中发现，在肺脏的再灌注期给予NO进行生物合成的前体物质L-精氨酸，可明显改善肺脏的氧合功能和顺应性，其效果与白细胞滤除技术相似。在临床肺保护的工作中，是选用给予L-精氨酸抑或白细胞滤除技术，尚有待进一步的研究。

在再灌注期的同时吸入NO气体对肺脏的作用较复杂，再灌注30分钟可使损伤进一步恶化，而再灌注4小时却可减轻肺脏损伤。此时反映出来的NO的早期毒性，极可能源于NO与内源性过氧化物的相互作用；若事先给予超氧化物歧化酶，或将NO的吸入延迟10分钟以避开过氧化物生成的爆发相，即可消除NO的这种早期毒性。吸入NO对再灌注4小时后的肺脏则具有明确的保护作用。这些实验提示，从整体上讲，吸入NO可减轻肺脏的缺血再灌注损伤，但现在定论为时尚早，仍需有大量的实验予以证实。

5、NO能否减轻血液和人工表面之间的相互作用？

如前所述，血液与人工表面之间的相互作用其本质是对血液中各种细胞和生化成分的激活，尤其是血小板、中性粒细胞和补体的激活，在体外循环相关性肺脏损伤中的作用更显突出。许多研究已证实NO可抑制血小板的粘附和聚集，并使白细胞粘附分子的表达下调，因而从理论上，它可抑制减轻血液和人工表面之间的相互作用，减轻CPB中的全身炎症反应。在临床，对ARDS患者的治疗和血液透析中，已有报道应用NO吸入可减少肺脏对血小板和中性粒细胞的拘留作用；而直到近几年才有少量报道，在CPB中应用NO可改善血液和生物材料的相容性。

有关NO对血液相容性效果的临床报道，目前尚少，而实验室的结果则令人鼓舞。在动物模型中发现，在氧合器的进气口加入NO，可明显减少血小板和中性粒细胞在中空纤维膜上的粘附，使二者在循环血中的计数下降较少，同时发现b-血小板球蛋白和PF4水平亦较低；从生物医学工程的观点，减少血小板和中性粒细胞在氧合器纤维膜上的粘附，就意味着改善了氧合器的气体交换功能，这在长时间辅助时尤为重要。另有研究发现，以200ppm的浓度向氧合器内吹入NO气，可减少血小板在中空纤维的粘附而维持循环血中的血小板计数，而鸟苷酸环化酶的抑制剂亚甲蓝可减弱NO的效能，提示NO通过介导cGMP的产生而抑制血小板激活。还有学者发现在实验动物的CPB模型中，吹入NO可减少血小板释放的5-羟色胺，而后者是一种血小板激活的指示剂。

在CPB中，除了使用NO吹入的方法外，尚可给予NO合成的前体物质。硝普钠即是通过在体内合成和释放NO来实现其扩血管作用的，在临床CPB中亦发现其可减轻补体激活。在实验鼠体外循环模型中发现，给予L-精氨酸可减轻体液的积聚；而给予NO合成的抑制剂N-甲基-硝基-L-精氨酸，则可增加体液潴留。

以上研究均提示，应用NO可明显减轻CPB中的全身炎症反应，从而改善术后的肺功能。但目前临床上有关NO在这方面作用的报道较少，尚需大量研究予以证实。