涂层技术对小婴儿体外循环炎性反应的保护作用

作者:陈纲,陈张根,贾兵,何春兰

作者单位：复旦大学附属儿科医院心血管中心，上海，200032

 【摘要】  　　目的 本研究通过观察小婴儿体外循环（extracorporeal circulation，ECC）手术围术期炎性指标的变化及临床效果来评价聚－2－膦酰甲氧乙基腺嘌呤（poly-2-methoxyethylacrylate，PMEA）涂层管道的生物相容性，为临床应用提供依据。方法 将20例在ECC下进行大型室间隔缺损合并肺动脉高压手术的患儿随机分为PMEA涂层管道组（A组）和非涂层组（B组），每组10例。两组患儿一般资料相仿。所有患儿均在麻醉成功开胸前（T1）、ECC 30min(T2)、ECC结束鱼精蛋白中和后(T3)、术后4 h(T4)和术后24 h(T5)5个时间点采取动脉血，测定血常规、C反应蛋白（CRP）、白介素（IL）1β、IL-6、IL-8、IL-10、肿瘤坏死因子（TNF-α）。术前、术后24 h常规测定肝肾功能、白、球蛋白及电泳、心肌肌钙蛋白I（cTnI）值，并进行术后机械通气时间、术后24 h尿量、心包引流量、血制品用量、ICU滞留时间及术后肺功能比较。结果 血小板计数（T3、T4）A组明显高于B组（P<0.05）。各时间点白细胞计数、IL-10、TNF-α无明显差异。IL-6(T4、T5)、CRP（T5）、IL-1β（T5）、IL-8(T5)A组升高低于B组（P<0.05）。术后肝肾功能两组相仿；而cTnI A组升高低于B组（P<0.05）。术后机械通气气道峰压A组低于B组，术后肺功能好于B组。术后尿量、机械通气时间、ICU 滞留时间相仿。A组心包引流量及血制品用量少于B组（P<0.05）。结论 PMEA涂层体外循环管道具有良好的生物相容性，具有减轻ECC诱发的全身炎性反应和保护血小板的作用，临床上体现出保护肺功能的良好结果。

【关键词】  体外循环　PMEA涂层　炎性反应　先天性心脏病；儿童

　　The Preservation Effect of PMEA-Coated Circuits on

    Inflammatory Response of Extracorporeal Circulation in Infants

    CHEN Gang,CHEN Zhang-gen,JIA Bing,He Chun-lan,Zhong Hui

    (Cardiovascular Center of Children's Hospital,Fudan University,Shanghai 200032,China)

    Abstract: OBJECTIVE   To evaluate the effect of PMEA（Poly-2-methoxyethylacrylate）coated circuits in infants on inflammatory response during the extracorporeal circulation(ECC) by examining the inflammation cytokines and clinical performance,and provide basis for clinical application. METHODS  20 infants undergoing VSD repair were divided into two equal groups. Group A had operation with PMEA coated oxygenators and circuits and group B had operation with all noncoated circuits. Blood test results, C-reactive protein, interleukin(IL) 1β, IL-6, IL-8, IL-10, TNF-α were documented preoperatively(T1), on ECC(30 minutes)(T2), after protamine sulfate reversal(T3), 4 hours after surgery(T4) and on the first post-operative day(T5). The renal, liver and cardiac function, the albumin and globin, protein electrophoresis were performed pre- and post-operatively. The respiratory function, drainage quantity, blood product utilization and ICU stay time were recorded. RESULTS  The platelet count in group A was significantly higher than group in B in T3 and T4(P<0.05）. The PMEA group had less IL-6 in T4 and T5, less CRP, IL-1β, IL-8 in T5 compared with noncoated group(P<0.05). No significant differences in IL-10 and TNF-α between 2 groups. The cTnI was less in PMEA group post-operatively compared with noncoated group. The clinical results analysis demonstrated pulmonary function in group A is better than group B and post-operative drainage quantity and blood product utilization is less in group A. CONCLUSION  The PMEA circuits had better biocompatibility and can significantly reduce cytokines induced by ECC and consumption of platelet. It also demonstrated wonderful clinical results and protect the pulmonary function. We now routinely use PMEA-coated oxygenator and arterial filter in open heart surgeries in neonates and infants.

  Key words：  Extracorporeal circulation；PMEA coated；Inflammatory response；Congenital heart disease；Child

    聚-2-膦酰甲氧乙基腺嘌呤（poly-2-methoxyethylacrylate，PMEA）涂层技术是Terumo公司开发的一类新型涂层技术。已有一些文献报道了其良好的生物相容性［1］，但是在小婴儿体外循环（extracorporeal circulation,ECC）中的应用尚未见报道。本研究通过对小婴儿ECC围手术期间炎性指标的测定来评价PMEA涂层管道的临床效果，为临床应用提供依据。

    1  资料与方法 

    1.1  临床资料  入选为20例先天性心脏病、大型室间隔缺损合并肺动脉高压患儿，均接受ECC心内直视下室缺修补术。术前2周内无明显呼吸道或肠道等部位感染，体温正常。按随机数字表将20例患儿随机分为2组，每组10名。A组为PMEA涂层管道组，应用Terumo RX05氧合器、PMEA涂层1/4英寸×1/4英寸循环管道、CX*AF125X涂层微滤；B组为非涂层组，使用MEDOS1000型氧合器、非涂层1/4英寸×1/4英寸循环管道和TerumoAF*02微滤。两组在年龄、性别、体重、ECC时间、主动脉阻断时间、肺动脉压力等方面差别无显著性（P＞0.05），见表1。

    1.2  麻醉及ECC方法  两组患儿均采用全身麻醉，ECC采用StorkertIII型离心泵。ECC预充两组相同，包括300 ml红细胞悬液、100 ml血浆、10 g白蛋白，5％碳酸氢钠5 ml/kg，20％甘露醇3 ml/kg，抑肽酶10 万U/kg，甲基强的松龙15 mg/kg。肝素抗凝维持全血凝固活化时间（ACT）700s以上。两组均采用Terumo心肌停跳装置8℃～10℃ 4∶1含血心肌保护液停搏，HCH05血液浓缩器（CRUF）全程超滤，维持灌注流量为150 ml/kg，鼻咽温度维持在26℃～30℃，红细胞压积（Hct）维持0.25左右。术后常规1∶1鱼精蛋白中和后ACT达 100 s～150 s。

    所有患儿均在麻醉成功开胸前(T1)、ECC 30min(T2)、ECC结束鱼精蛋白中和后(T3)、术后4h(T4)和术后24 h(T5)5个时间点采取动脉血，予以测定白细胞计数、血小板计数、C反应蛋白（CRP）、白介素（IL）1β、IL-6、IL-8、IL-10、肿瘤坏死因子（TNF-α）。术前、术后24 h常规测定肝肾功能、白、球蛋白及电泳、心超评价、心肌肌钙蛋白I（cTnI）、心肌型肌酸激酶同功酶（CKMB）值，并进行术后机械通气时间、术后24 h尿量、心包引流量、血制品用量、ICU滞留时间和术后住院天数统计。术前及出ICU后测定肺功能进行比较。

    采血后立即置入含EDTA抗凝剂的血清管，常规进行离心分离后置于－70℃冻存，标本收集完毕后统一进行测定。白介素等细胞因子采用北京晶美生物科技提供试剂盒，双抗体夹心ELISA法由复旦大学儿科研究所免疫实验室测定。    

    1.3  统计方法  本试验为前瞻性随机分组对照研究，全部数据以均数±标准差(±s )表示，采用SPSS 11.5进行统计分析，统计方法连续型数据采用Mann-Whitney检验，离散型数据采用Fisher's精确检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

    2  结  果

    2.1  ECC前后白细胞、血小板计数、细胞因子比较  术后即刻、4 h血小板计数A组明显高于B组（P＜0.05）,具有良好的血小板保护作用。炎性因子测定方面各时间点白细胞计数、IL-10、TNF-α无明显差异。IL-6在术后4 h和24 h A组升高低于B组(P＜0.05)。CRP、IL-1β、IL-8在术后24 h A组升高低于B组（P＜0.05）。由于二组患儿体重无统计学差异，ECC预充血制品用量相同，ECC时Hct均维持0.25左右，故以上数据为直接测定值，未根据Hct值校正。具体结果见表2。

 2.2  手术前后临床生化指标  二组均无围术期死亡，A组1例术后超声心动图提示少量残余分流。两组患儿各有1例行术后NO吸入。PMEA涂层与非涂层组在肝肾功能和小分子蛋白保护方面相仿，而cTnI值术后PMEA涂层组明显低于非涂层组（P＜0.05）。见表3。

    2.3  术后临床指标及肺功能变化  术后心包引流量及血制品用量PMEA组明显较少（P＜0.05），而二组的机械通气时间、术后尿量和ICU滞留时间没有明显差异。肺功能方面，由于两组术前均无呼吸道感染，故PMEA组术后的气道峰压明显低于非涂层组（P＜0.05），术后随访肺功能潮气量明显高于非涂层组，体现出良好的对肺功能的保护作用。见表4。表4  术后临床指标及肺功能变化比较注：#表示该组数据A、B两组之间比较P＜0.05表1  两组一般情况比较 表2  ECC前后白细胞、血小板计数、细胞因子比较注：#表示该组数据A、B两组之间比较P＜0.05表3    手术前后临床生化指标比较（ 注：#表示该组数据A、B两组之间比较P＜0.05

    3  讨  论

    心脏外科手术诱发的全身炎性反应综合征，体内的各种介质，包括补体系统、细胞因子和氧自由基的激活，引起白细胞溢出、脂质过氧化、组织水肿、细胞死亡，从而导致各种器官受损，功能障碍，包括凝血纤溶系统的改变，心、肺、肾、脑等器官功能失调、肝功能的变化甚至多器官衰竭（MOF）［2］。其中诱发全身炎性反应最重要的因素就是ECC时血液的各种成分与ECC管道中的人工介质相互接触引起。已经有大量临床试验证明肝素涂层管道可以减轻ECC诱发的全身炎性反应，改善临床预后［3-4］。但是肝素涂层技术由于其涂层技术困难，肝素涂层后持久性较差，在心室辅助装置（VAD）和体外膜肺氧合（ECMO）等领域应用受限［5］，需要其他的涂层技术与之互补。PMEA是一种烷氧基化多聚体链，分子外侧没有化学活性，故涂层很少与血液成分起作用。因此应用PMEA涂层可以减少ECC对血浆凝血纤溶蛋白的吸收与血小板的破坏，较少地激活补体系统和细胞因子，改善器官功能。本实验通过对血浆蛋白、血小板、炎性细胞因子、器官功能和临床数据指标，全面评价PMEA涂层管道在小婴儿ECC手术中对其诱发的全身炎性反应的保护作用。

    本实验通过对ECC过程中及ECC后24 h内的血液中血小板水平的检测，发现PMEA涂层管道可以明显减少管道对于血小板的黏附，特别在ECC结束及术后4 h，有明显的统计学差异，与文献报道相仿［6］。小婴儿体重轻，血容量小，全身血小板量及凝血因子量也较少，故对于小婴儿的血小板和凝血因子的保护意义更为重要，可以明显地减少围术期引流量和血制品的用量。

    IL-1、IL-6、IL-8和TNF-α均是全身炎性反应过程中起重要作用的炎性细胞因子。IL-1、IL-6均可以引起中性粒细胞脱颗粒。IL-1β是在补体系统的刺激下，可以诱导CRP及免疫调节因子的生成，增加血管通透性。IL-8是典型的炎性介质，是中性粒细胞的主要趋化因子，介导TNF及IL-1诱致中性粒细胞脱颗粒反应，毛细血管通透性增加。它还引起上调补体受体；诱导CD11b／CD18在中性粒细胞表面的表达，加剧组织的破坏［7］。小婴儿血容量少，和成人相比血液与ECC管道的接触比率相对更高。这种更多的接触将会引起更大量的炎症因子的活化和炎性级联反应。而且小婴儿免疫系统发育和补体系统活化尚不完善，这些都会加重炎性反应对细胞的损伤。对于涂层组炎性细胞因子的测定发现小婴儿的炎性因子水平同样是随着ECC时间的延长而升高，而涂层组的IL-1β、IL-6、IL-8和CRP的水平在术后均低于对照组水平，体现出PMEA涂层管道可以明显减轻体外循环后的全身炎症级联反应。IL-10作为主要的抑制炎症的细胞因子，其水平两组相仿，提示对于涂层组炎性反应的弱化并不是通过IL-10水平上调引起，而是通过减少介质对炎性因子的激活所致。

  ECC对心、肺、肾、肝脏等器官均有不同程度的影响，细胞因子介导的炎性反应对肺脏的损伤主要表现在肺上皮损伤和肺血管收缩，通透性增加两方面。本实验证明PMEA涂层可以明显降低术后患儿的气道峰压和改善肺功能，增加潮气量。这可能是通过对炎性因子的抑制实现的对肺组织的保护。心肌细胞受损主要是由于细胞因子刺激后中性粒细胞的毒性作用，作用于心肌细胞上新合成的ICAM-1和由趋化因子所引起的中性粒细胞产生的CD11b／CD18之间的相互作用引起。而术中的心肌保护也对实验室数据有很大的影响。在二组术前条件相仿的情况下，采用同样的含血心肌保护液应该认为心肌损伤的程度与干预的因素相关。cTnI是最近对于心肌受损的敏感指标，其敏感性和特异性均高于CKMB。本实验虽然CKMB两组相仿，但涂层组术后cTnI值明显低于对照组，证明了其心肌的保护作用。

     临床指标是观察干预措施的最有效的手段。PMEA涂层组在术后引流量和血制品用量方面明显优于对照组，与文献结果类似［8］；呼吸功能的恢复也优于对照组。PMEA涂层技术在儿童ECC领域已经展示出了临床的优越性。

     本实验全面的检查了PMEA涂层的生物相容性和临床效果，但是缺陷在于实验样本量相对较小，需要更大规模的临床实验决定其真正的临床价值。但是目前得到的实验结果是令人鼓舞的，PMEA涂层管道可以明显减轻ECC管道与血液成分接触引起的全身炎性反应，减少血小板黏附消耗，改善患儿的心、肺等重要器官功能，改善临床结果。因此该技术还是有一定的临床应用价值。由于涂层管道价格仍较昂贵，目前我中心仅对复杂先心手术使用PMEA涂层氧合器和动脉滤过器。

【参考文献】  　　［1］ Ask A,Holt D,Smith L. In vivo comparison study of FDA-approved surface-modifying additives and poly-2-methoxyethylacrylate circuit surfaces coatings during cardiopulmonary bypass［J］. J Extra Corpor Technol, 2006,38(1):27-32.

　　［2］ Paparella D,Yau TM,Young E. Cardiopulmonary bypass induced inflammation: pathophysiology and treatment. An update［J］. Eur J Cardiothorac Surg, 2002,21(2):232-244.

［3］ Palatianos GM,Foroulis CN,Vassili MI,et al. A prospective, double-blind study on the efficacy of the bioline surface-heparinized extracorporeal perfusion circuit［J］. Ann Thorac Surg, 2003,76(1):129-135.

［4］ Deptula J,Glogowski K,Merrigan K,et al. Evaluation of biocompatible cardiopulmonary bypass circuit use during pediatric open heart surgery［J］. J Extra Corpor Technol, 2006,38(1):22-26.

［5］ Wimmer-Greinecker G,Matheis G,Martens S,et al. Synthetic protein treated versus heparin coated cardiopulmonary bypass surfaces: similar clinical results and minor biochemical differences［J］. Eur J Cardiothorac Surg, 1999,16(2):211-217.

［6］ Hirota E,Ute K,Uehara M,et al. Study on blood compatibility with poly(2-methoxyethylacrylate)--relationship between surface structure, water structure, and platelet compatibility in 2-methoxyethylacrylate/2-hydroxyethylmethacrylate diblock copolymer［J］. J Biomed Mater Res A, 2006,76(3):540-550.

［7］ Risnes I,Ueland T,Lundblad R,et al. Changes in the cytokine network and complement parameters during open heart surgery［J］. Interact Cardiovasc Thorac Surg, 2003,2(1):19-24.

［8］ Yoshizaki T, Tabuchi N,van Oeveren W,et al. PMEA polymer-coated PVC tubing maintains anti-thrombogenic properties during in vitro whole blood circulation［J］. Int J Artif Organs, 2005,28(8):834-840