体外循环与炎性介质
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【中图分类号】R541.4【文献标识码】A【文章编号】1672－3783(2011)08－0440－01
心脏手术体外循环（CPB）期间，由于血液有形成分与人工管道和氧合器广泛直接地接触、手术创伤、器官的缺血再灌注、体温改变、内毒素释放等均可引起细胞和体液炎性介质级联反应，触发复杂而多变的全身炎症反应。其中包括补体系统、凝血系统、激肽系统的激活；白细胞和内皮细胞的活化、细胞因子级联反应；以及所释放的血管活性胺和花生四烯酸代谢产物、大量氧自由基、血小板激活因子、内皮素、一氧化氮等。这些现象本来是机体对抗外来异物的一种保护性免疫应答、执行免疫效应、最终维持自身稳定的组织反应，但在CPB期间由于机体免疫系统持续接触异物导致免疫应答过度，最终诱发免疫紊乱，引起免疫系统针对自身组织的免疫破坏。
1 体外循环中的炎性介质
补体系统:血液与人工心肺特定的反应表面广泛接触会引起补体系统活化。作为重要的免疫效应与效应放大体系，补体系统的激活在启动和加剧炎性反应中起到关键的作用。生理环境下，补体系统由9种成分组成（C1-C9），各组分在体液中通常以非活性状态、类似酶原的形式存在，当受到一定因素激活，才表现出生物活性。而补体系统活化过程中产生的约20种具有生物活性的蛋白裂解片段，如： C3a、C5a、C5b-9 等在CPB中炎症反应的病理生理学方面起到重要作用。
CPB中补体的激活途径主要有三种，即经典途径（classicalpathway）、替代途径（alternativepathway）、共同的末端通路（terminalpathway）即形成攻膜复合体（membrane attack complex，MAC）。在某些活化物的作用下或在特定的反应表面上，每当补体系统前一组分被激活，即具备了裂解下一组分的活性，由此形成一个不断加速的连锁反应。同时，活化过程中经水解作用生成分子量不等的补体片段，它们具有不同的生物学效应，广泛参与机体的免疫调节与炎症反应。
免疫复合物（IC）是经典途径的主要激活物。而在无IC的情况下，某些多聚分子（如肝素、多核苷酸）、某些糖类（如硫酸葡聚糖）、某些蛋白质（如C反应蛋白、鱼精蛋白复合物）、脂质体（liposome）以及含胆固醇的微脂粒、心肌线粒体等也可激活经典途径，其意义与机理尚不清楚。C1与IC中抗体分子的FC段结合是经典途径的始动环节，固有成分激活的最终结果是将C3、C4、C5裂解成大片段C3b、C4b、C5b和游离的小片段C3a、C4a、C5a。后者又称为过敏毒素，是具有多种炎症介质作用的活性片段，它们作为配体与分布在不同细胞表面的特异性受体结合或释放入液相而介导各种生物学效应［1］：①激发细胞脱颗粒，释放组胺等血管活性介质，引起血管扩张和血管通透性增;②刺激内脏平滑肌收缩;③与血管平滑肌结合并刺激其收缩;④作为趋化因子，刺激PMN循补体浓度变化作定向移动;⑤诱导白细胞和内皮细胞表达粘附分子，并可使PMN和单核细胞产生吞噬活性，释放蛋白水解酶和氧自由基等。上述效应总的后果是补体介导的急性炎症反应。而旁路途径的“激活”与IC无关，是非特异性的。某些外来异物表面、内毒素等不同的刺激物均可通过C3分子结构的改变而直接“活化”旁路途径。在旁路途径的启动及其后的级联反应过程中，C3转化酶（C3bBb）起着关键的作用，C3bBb水解C3生成C3a和C3b。同时，C3的裂解对经典途径的补体激活也是一种放大机制。在以上两种途径形成的C5转化酶均可裂解C5生成游离的小分子C5a和C5b。而C5b则与细胞膜结合，并在C6、C7、C8、C9的的共同参与下形成C5b～9（攻膜复合物，membrane attacking complex ，MAC）。MAC的形成过程并不需要酶的催化，此过程只涉及完整蛋白成分的结合和聚合。MAC最终直接导致靶细胞渗透性溶解，并且激活PMN和内皮细胞。大量的研究证实了CPB期间血浆中补体激活成分明显增多。特别是C3a在建立CPB后10分钟内其浓度显著升高，并随CPB时间的长短持续而稳定地升高，CPB结束时达高峰［2］。早期的研究发现CPB术后心、肺、肾的功能紊乱程度和发生率与CPB期间血浆C3a浓度升高水平相关。而随后发现不仅仅是C3a，补体系统激活后产生的其他具有生物活性的蛋白片段在CPB围手术期间造成的机体损伤中同样起到重要的作用［3］。在大鼠的缺血再灌注模型中给予可溶性补体受体1（Soluble complement receptor type 1，SCR1）可以明显抑制缺血心肌的炎症反应和心肌细胞的坏死，而且7天后心肌梗塞面积显著缩小［4］。因此，完全可以认为补体系统的活化在CPB围手术期间器官功能不全的病理生理发展过程中扮演着重要的角色。
细胞因子:细胞因子（cytokines，CK）是一种分子量大小为8～30Kda，类似于激素样大小的小分子多肽或糖蛋白，作为细胞间信息传递分子，主要介导和调节免疫应答及炎症反应，参与构建机体防御体系并调控自身免疫系统的动态平衡。实际上在组织损伤后几乎所有的有核细胞都能分泌CK，但还是主要由巨噬细胞或单核细胞产生。CPB期间，血液中内毒素刺激单核细胞释放出CK，同时补体的激活产物如C3a和C5a在CK的释放中也起到很大的作用。各种CK之间也存在着相互作用，相互刺激单核细胞释放CK。在手术创伤或CPB引起的炎症反应中，CK的生物活性起着非常重要的调控作用，即使在很低的内源性浓度情况下也会发挥作用，促进其他的炎性因子释放以及加剧炎症级联反应导致病理损伤。CK的生物学活性广泛，可以干预多种炎性细胞的活化、增殖、分化，以及通过调控抗体或其他CK的分泌来控制炎症级联反应的强度和速度。其中肿瘤坏死因子a（TNFa）和白介素在调控全身炎症反应中起着重要作用。
生理环境下，即使在分泌部位局部的CK浓度也非常低，至于在外周血中的CK浓度更是难以检测。当机体处于如CPB、创伤和感染性休克等环境下，机体易感度增加，虽CK分泌量增加，但血浆浓度可能仍很低，检测循环血液中CK的改变，可能差别不大。但即便是极微量的CK（pmol/L）也可针对机体产生显著的生物学效应。应该清楚地认识到，单纯检测血浆CK浓度，也不能完全反映CK在CPB炎症反应中所起到的作用，因为有些CK缺乏全身释放，而仅在局部组织中起作用。CK必须与靶细胞表面特异性受体结合才能发挥其生物学作用。CK受体/CK的亲和力远高于Ag/Ab的亲和力。而在一定条件下，一些CK（如TNF-a、IL-1、IL-6、IL-8等）也具备激素样的多效应性作用，以内分泌形式调控远端靶细胞，介导全身性反应。
从功能上可把CK分为促炎性因子（如TNF、IL-1、IL-8）和抗炎性因子（如IL-1RA、IL-10），而IL-6兼有两种属性。IL-8又被称为趋化因子，对PMN的作用有明显的特异性和选择性，能够趋化PMN沿浓度差由低至高运动，最终到达浓度最高的损伤病灶中心。检测心脏外科围手术期间血浆CK浓度的变化，发现促炎性因子与抗炎性因子增加幅度呈明显正相关。此外，CK可能还在个体与整体之间参与构建一个极其复杂而精细的细胞间信号分子调控网络。
中性粒细胞的活化:中性粒细胞（PMN）活化、穿越血管内皮细胞向炎症部位移行是炎症过程的重要特征，其分子基础在于活化白细胞与血管内皮细胞表面粘附分子的相互作用，以及CK等因素对粘附分子表达的凋节。CPB中接触激活释放的C3a、C5a、PAF、白三烯、以及PMN直接与异物表面的接触，均能引起PMN的活化，检测血浆髓过氧化物酶(MPO)，乳铁蛋白，弹性蛋白酶浓度明显升高。在CPB炎症反应中，PMN的活化是导致全身性炎症反应综合征（SIRS）和多器官功能衰竭综合征（MODS）的主要因素之一；活化后的PMN细胞内脱颗粒释放毒性产物如活性氧自由基（ROS）、蛋白水解酶等不仅可以损伤内皮细胞及周围组织，而且产生的大量ROS更有利于PMN向缺血组织移行。
PMN和内皮细胞的早期黏附作用对于PMN迁移到损伤区是必需的。PMN对组织的损伤程度主要依赖于其与内皮细胞之间的黏附能力。内皮细胞与PMN之间的相互作用是通过各自细胞膜表达黏附分子而黏附在一起，这些粘附分子包括选择素（setectin）、整合素家族（intergrin families）和免疫球蛋白超家族（immunoglobulin superfamily）。在动物和临床研究中发现，CPB期间有两种白细胞整合素亚家族成员CD11b/CD18 (Mac-1 /CR3, 或 Mo-1)血浆浓度异常［5］。也有报道其它的一些黏附分子如选择素E(CD62E)、选择素P(CD62P)、细胞间黏附分子-1(ICAM-1)在CPB期间血浆浓度异常。白细胞的渗出及其在局部发挥损伤的整个过程是极为复杂的连续过程，包含了复杂的细胞信号转导系统调控网络。在上述众多因素的协同作用下，白细胞与内皮细胞进行有步骤的、连续的相互作用，可连续分为下列阶段：1．选择素介导的可逆性起始粘附 2．白细胞的活化 3．稳定的粘附 4．白细胞穿越内皮细胞向血管外移行。
当细胞膜表达黏附分子后，活化的PMN不仅可以造成心肌缺血再灌注损伤和肺脏损伤，而且还可以影响整体低温缺血后心功能的恢复。此外，PMN膜表面黏附分子的表达上调还会引起冠状动脉通透性增加。
虽然循环中的黏附分子浓度水平可能不会明显升高，但在CPB开始时PMN表达黏附分子即见升高，且于缺血心肌再灌注后出现第二个黏附分子表达高峰。阻止PMN黏附或许会带来较为实用的效益。在猪急性血管成型模型中，将循环中的PMN滤过后可以显著减轻心肌缺血损伤。而在临时钳夹猪左前冠脉降支的实验中［6］，抑制PMN黏附后观察到心肌梗塞面积减少51%；阻止PMN黏附分子的表达不仅可以减轻心肌的炎症反应和水肿，还能提高移植心脏的左心功能。CPB期间使用血细胞分离器滤过白细胞后血浆弹性蛋白酶和血栓素B2水平浓度偏低，且术后的肺脏功能恢复较好。
内皮细胞的活化:CPB期间产生的内毒素、凝血酶、细胞和体液炎性因子、组织灌注不足、白细胞的损伤作用和外科操作中的机械损伤，均可激活内皮细胞。内皮细胞活化后，立即从胞浆内释放冯•威利布兰德因子（von Willebrand factor）和血栓素等炎性因子。在猫心脏Langendorff灌注模型中，缺血心脏再灌注一开始时就出现内皮细胞功能障碍，其严重程度随PMN激活后释放ROS而加重［7］。
正常情况下，一定程度的血流剪切应力维持血管内皮细胞正常结构和功能，从而保证组织与血液进行正常的物质交换。在炎症过程中产生的一些炎性信号如CK、LPS、C5a、缺氧、ROS等可以激活内皮细胞，结果引起其基因表达，合成炎性因子和自身发生功能、结构等方面的异常改变。
激活的内皮细胞除了在其膜表面表达黏附分子外，还可以合成并释放CK，而这些物质又进一步促进炎症反应和导致血栓形成［8］。
内皮细胞的激活可分两个阶段。第一阶段称为快速相，主要是由于缺血组织血供的迅速恢复后产生的ROS和补体活性成分诱发储存于内皮细胞的活性蛋白迅速而短暂的表达，促进白细胞的粘附反应和聚集，这一过程仅持续几秒钟到几分钟；第二阶段称为延迟相，主要是指在一些CK（如TNF-a、IL-1、IL-6等）的刺激下，内皮细胞基因转录激活，导致胞膜表面特异性蛋白分子的基因表达，改变细胞表面特性的过程，这一过程将持续数小时；产生的特异性蛋白分子包括白细胞黏附分子和组织因子；在炎症反应早期白细胞黏附分子介导白细胞游出，并向损伤部位聚集；而组织因子则触发血管内血栓形成［9］。
炎性因子引起内皮细胞在各个方面的变化将直接影响到血管壁的结构和功能。在产生凝血酶、组胺、白三烯的炎症反应阶段，内皮细胞会出现短暂而可逆的收缩现象；随着TNF-a和IL-1的产生，引起内皮细胞细胞骨架蛋白的重组（structure reorganization of the cytoskeleton），内皮细胞之间的连接处出现裂隙，逐渐增大的间隙导致血管通透性增高，血液外渗，血流速度减慢，白细胞与内皮细胞间的粘附增强；最终内皮细胞被活化的白细胞释放的蛋白水解酶和ROS所损伤［10］。
小结
炎症反应是机体防御系统的重要组成部分，它是多种细胞、多种CK（促炎或抗炎性因子）参与的非常复杂的反应。人体内的多种CK能在不同的环节上相互促进或相互拮抗，共同构成了复杂的炎症调控网络。而CK这种复杂的精细调控在控制炎细胞的激活和在炎症反应中的作用，与炎症的启动、放大和反应过程密切相关。其调控目的是将炎症维持在最佳的免疫限度，一旦调控失常则过度的炎症反应将对机体造成损伤。
参考文献
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