心脏停搏液的发展和作用

心脏停搏液的发展和作用 

    1953年起, 低温麻醉和体外循环技术在临床应用后,在外科医生面前展现了一个新的天地。但是心脏手术的开展,也带来了新的问题。心脏是人体中最活跃的器官,它"生性好动"给外科手术带来了极大的困难。显而易见,要进行精细的心脏手术,需要有一个松弛、静止、无血的手术野,而手术中心脏不停的搏动,不但使这一希望成为泡影,还增加了发生气栓的危险。因此在心血管外科术中应用心脏停搏液使心脏达到电机械停搏状态,不仅可获得清晰的术野,有利于术者操作,更重要的是可减轻心肌缺血-再灌注损伤。此后,心脏停搏液与心肌缺血再灌注损伤一直是人们研究的热点。目前,心脏停搏液已发展至800多种,并成为心血管外科手术中最常用的重要的心肌保护措施之一。本文就心脏停搏液的应用现状及进展进行综述。
    1 心脏停搏液的温度
    心脏的能量消耗主要由机械作功、维持室壁张力和心肌细胞的代谢三部分组成,前两者约占90 %,后者约占10 %。心脏停搏液可使心肌于舒张期停跳,电机械活动停止,因此,在心脏停搏期间,心肌能量消耗完全用于心肌细胞的代谢,而低温最直接的作用是降低心肌细胞的能量代谢,据报道,将心肌温度自37℃降至11℃时,心肌细胞代谢氧耗量可由10%减少至5 %。
    心血管外科刚刚起步不久,低温技术便开始应用于心血管外科手术中,现已成为最常用的心肌保护方法之一,方法是间断灌注适量冷停搏液(4℃),同时将冰屑或冰生理盐水置于心包腔使心脏温度降低。目前,4~10℃ 的低温是多数心血管外科中停搏液灌注的首选温度。低温对停搏心肌的益处主要有:①降低心肌组织在缺血期间的代谢率和氧耗量,延长心肌缺血耐受时间;②抑制心肌细胞在缺血期间的电机械活动;③减缓受损心肌细胞的坏死和凋亡过程;④低温条件下允许在心肌停跳期间间断灌注停搏液,可提供清晰无血的术野,便于术者操作。因此,低温心脏停搏液作为对心肌的重要保护措施在心血管外科手术中普遍应用,其保护效果已被大量的实验和临床实践所肯定。
    但低温对心肌也有一定副作用:①降低体内酶活性,ATP生成减少,导致心肌细胞内钠、钙积聚;②细胞膜脆性增加,损害细胞膜稳定性;③低温可使心肌产生挛缩;④损伤冠脉内皮细胞;⑤导致含血停搏液中细胞成分受损、堵塞毛细血管等。
    鉴于低温对心肌的副作用,自上世纪80年代,温心外科(warm heart surgery)技术逐渐受到人们的关注,越来越多的学者报道了有关温血停搏液的基础研究及临床应用。温血停搏液使心肌停跳于常温有氧状态下, 温血携带和运输氧,心肌细胞在最小氧需下得到最大的氧供,而且温血缓冲pH值、提供适当的渗透压和代谢底物的功能也处于最佳状态,大大缩短了心肌的缺血期,限制了再灌注期,消除了低温的有害反应。随着研究的深入,人们发现常温灌注在心肌保护中存在诸多缺点:①所需管道多,操作复杂;②灌流量大,回心血量多,影响手术术野,同时大量吸引可造成血液有形成分的破坏;③当心肌灌注绝对流量不足时,可造成心肌非人为缺血(unintentional ischemia);④温血可使中性粒细胞及补体激活,组胺释放增加,外周血管扩张;⑤还可引发中枢神经系统的损害及高钾血症。
    有人提出温血与冷血联合应用,发挥优势互补、扬长避短的心肌保护及全身各脏器保护的效果,并出现了以三种联合方式:①温血诱导:温血停搏液诱导灌注后,冷晶体或冷血停博液间断灌注;②温血复苏:在冷血停搏液灌注后,主动脉开放前温血灌注;③“温冷温”方式:温血诱导与温血复苏联合应用。Li S等采用常温含血停跳液诱导灌注,并以低温含血停跳液间断灌注,从临床效果、心肌生化及形态学检查等方面与单纯低温含血停跳液进行比较,具有明显优越的心肌保护效果。Allen等回顾性分析567 例儿童心脏外科手术,认为“温冷温”含血停跳液灌注模式对心肌保护效果最好。
    2 心脏停搏液的种类
    冷晶体心脏停搏液是以含高浓度钾停搏液灌注心肌,使心脏停搏于舒张期,心肌电-机械活动静止。同时冷晶体停搏液要求低温,灌注后使心脏完全处于低温,可降低心肌组织在缺血期间的代谢率和氧耗量,心肌缺血耐受能力增强。冷晶体停搏液配置简单、使用方便,间断灌注停搏液,可获得清晰的术野,利于术者操作,心肌保护确实。但晶体停搏液不能为心肌提供氧和营养物质,缺乏酸碱平衡的缓冲,易导致代谢性酸中毒;晶体液不含胶体成分,易导致心肌水肿;高钾可以造成冠状动脉内皮细胞的损伤。冷晶体停搏液有多种,St. Thomas’Ⅱ停搏液是St.Thomas液的改良液,目前在国内应用较广泛。
    临床应用的组氨酸-色氨酸- 酮戊二酸(Histidine-Tryptophan-Ketoglutarate, HTK)停搏液又称Bretschneider液,是一种以细胞内液电解质为基础的心脏停搏液,是依靠低钠微钙的平衡作用使心脏停搏。文献报道, HTK液具有良好的心肌保护效果。这主要与HTK液中的具有强大酸碱缓冲能力的组氨酸有关。研究认为:ATP、ADP、AMP是有极性的分子,在酸性环境下,易从细胞膜中穿出,再灌注时被冲走,致ATP合成前体丢失。而组氨酸能较好地由毛细血管渗透到组织间隙,抑制H +堆积,保持组织pH接近正常水平,既解除对糖酵解的抑制,又能防止核苷丢失,保证较大的ATP生成速率。α- 酮戊二酸是三羧酸循环的中间产物,再灌注时可提供更多的能量。甘露醇和色氨酸可以减轻心肌缺血引起的细胞水肿、清除氧自由基和稳定细胞膜。
    HTK液只需一次性灌注即可对长时间缺血心肌获得满意的保护效果,但一次性灌注的量较大(30~40 ml/kg) ,易造成血液稀释,术后应注意监测血电解质和适当补钙,在应用于婴幼儿时,灌注液应尽量吸走或在体外循环结束后进行超滤。Arslan A等对21例冠心病患者使用低剂量HTK液(10~15 ml/kg),结果显示对于短时间缺血的心肌起到较好的保护作用。目前,HTK停搏液在国外已广泛应用,在国内应用也在逐渐增多。
    超极化停搏(Hyper-polarized cardiac arrest)是用ATP敏感的K+通道开放剂、Na+通道阻滞剂等使K+通道在静息电位时开放,细胞内钾溢出,跨膜电位差减小,避免钙内流,使动作电位不能形成,从而使心肌自然静息于超极化停搏状态。超极化停搏能减少离子泵启动时对ATP的需求,减少细胞内钙离子,减轻钙超载引起的心肌缺血再灌注损伤,研究显示[15、16],对心功能恢复优于去极化心脏停搏液。
    王玺胜等应用含不同浓度的尼可地尔(Nicorandil)超极化心脏停搏液灌注未成熟兔离体心脏,血流动力学及心肌酶学等结果显示,对未成熟心肌的有明显保护作用,并优于单纯晶体停搏液。Yu T等对大鼠离体心脏的研究显示,线粒体ATP敏感的K+通道在吡那地尔(pinacidil)超极化停搏液对心肌保护过程中可能起重要作用。由于此类药物对血管平滑肌K+通道也有开放作用,因此可扩张冠状血管,改善心肌血流灌注;同时也可引起全身组织器官的血管舒张,导致机体血压下降,在临床应用上受到一定限制,如何筛选出高选择性K+通道仍有待进一步深入研究。
    冷含血停搏液(cold blood cardioplegia)是温血和晶体停搏液按4∶1比例混合后降温至4℃配置而成。与单纯晶体停搏液相比,含血停搏液可使心脏停搏于有氧环境,使无氧酵解降低;氧合血停搏液含有葡萄糖等营养物质,能为心肌提供丰富的代谢底物;血中蛋白成分具有胶体渗透压,能有效预防心肌水肿,并补充缓冲物质;避免大量灌注晶体停搏液造成的血液稀释和机体内水超负荷及组织水肿;对缺氧发作的心脏有保护其收缩及舒张功能。
    Braathen B等对80例行主动脉瓣置换的病人使用冷含血心脏停搏液,结果显示,术后血中肌酸激酶同工酶-MB(CK-MB)及肌钙蛋白-T(cTnI)的水平明显低于冷晶体停搏液组。Fannelop Tord等动物实验显示,应用冷血停搏液间断灌注心脏,在开放升主动脉后心脏收缩功能恢复较好,术后血清心肌肌钙蛋白-T释放少。该技术已得到了普遍的认可,在临床上广泛应用,并取得良好的心肌保护效果,有逐渐取代冷晶体停搏液的趋势。但冷血停搏液在低温情况下红细胞功能丧失,灌注时可致冠状动脉微血栓形成,可致心肌局灶性坏死和冠状动脉内皮细胞损伤,并含有炎性介质和白细胞,加重了心肌损害。
    近年来,有学者提出应用自体静脉血经紫外线照射充氧( ultraviolet blood irradiation and oxygenation,UBIO)后配置成心脏停搏液。舒义竹、向道康等研究证实,UBIO心脏停搏液能减少心肌酶渗出,增加心肌ATP储备,降低心肌损伤标志物的水平,具有较好的心肌保护作用。张青等在婴幼儿心脏手术中于体外循环前自主动脉抽取动脉血配制成冷自体血心脏停搏液(cold autologous blood cardioplegia),研究显示,其可降低心肌细胞氧自由基的产生,对婴幼儿心肌的有良好保护效果。
    与冷含血停搏液相比,冷自体血停搏液的特点主要有:(1)其所用动脉血是在体外循环前经主动脉抽取的,未与体外循环管道接触,不含有活化的中性粒细胞、炎性因子、细胞毒素和氧自由基等,从而减轻心肌再灌注损伤;(2)其血液有形成分未被破坏,红细胞产生的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶等有利于氧自由基的清除;(3)自体冷血停搏液中的胶体缓冲系统、电解质、氧合血红蛋白及氧化代谢底物与停跳前心肌组织所需一致,更有利于维持心肌细胞内离子的正常分布以及酸碱平衡的稳定。
    沈定荣、孟保英等进一步研究证实,冷自体血心脏停搏液可减轻缺血对未成熟心肌细胞线粒体的损伤,减少心肌CK-MB与cTnI的释放,提升心肌细胞ATP含量及ATP酶活性,术后心脏自动复跳率高,正性肌力药物依赖性低,术后心脏功能恢复快,对婴幼儿未成熟心肌保护效果明显。目前,冷自体动脉血心脏停搏液仅见在婴幼儿心血管手术中应用,国内外文献中尚未见应用于成人手术的报道。
    1982年,Rosenkeane提出应用常温(35~37℃) 含血停搏液(warm blood cardioplegia)持续灌注心脏,其理论基础在于心电-机械活动完全停止时心肌能量代谢降低90%,不需再用低温的方式即可使心肌能量消耗明显下降,从而获得满意的心肌保护效果。研究显示,常温含血停搏液相对于低温停搏液具有一定的心肌保护优势。Minatoya等比较了温血停搏液和冷血停搏液的心肌保护效果,发现温血组在术后的心脏指数明显高于冷血组,所用的正性肌力药物亦明显少于冷血组。Mehlhorn 等发现在CABG手术中应用温血停跳液灌注,患者术后左心室收缩和舒张功能均明显优于冷血停跳液灌注。
    为避免常温或低温含血停跳液各自的不良反应,也有学者提出将停跳液温度控制在30 ℃~34 ℃左右,即微温含血停跳液(tepid blood cardioplegia)。Engelman等对130例心血管手术的研究中发现,微温停跳液组患者术后神经精神系统损害程度及脑CT扫描发现的脑部并发症少于温血组和低温组,他们推荐微温应作为最理想的体外循环和含血停跳液的灌注温度。但Falcoz等认为29 ℃微温血和37 ℃温血,临床生化指标上无明显差异。
    3 心脏停搏液的添加成分
    心脏停搏液的添加成分也是当前研究热点之一。在停搏液中加入能量代谢基质,如葡萄糖、三磷酸腺苷、谷氨酸、天门冬氨酸以及磷酸肌酸等,为心肌缺血期间提供代谢所需能量,能明显地减轻缺血缺氧对心肌所造成的损害。其他如附加保护血管内皮细胞 (如 L -精氨酸 )、 抗氧自由基作用 (维生素E、超氧化物歧化酶、氧自由基清除剂)等基质成分,也有一定的保护作用。国内许多学者在停跳液中加入中药成分,如丹参酮、三七总皂甙、杭白菊提取液等,对防治心肌缺血再灌注损伤也取得一定的效果。
    经半个多世纪的不断完善,心脏停搏液的研究虽然取得很大的进展,但目前尚无一种被世界公认的、最理想的心脏停搏液。因此,探索出更科学、更合理、更安全的心脏停搏液,最大程度地减轻心肌缺血再灌注损伤,仍需广大研究者们继续努力