體外循環(huán)紅細胞損傷的原因、表現(xiàn)及危害

周玉姣（綜述），于 坤（審校）

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體外循環(huán)紅細胞損傷的原因、表現(xiàn)及危害

周玉姣（綜述），于 坤（審校）

紅細胞；體外循環(huán)；溶血；亞損傷

體外循環(huán)（cardiopulmonary bypass，CPB）期間由于各種非生理因素的影響導致紅細胞損傷，不僅使血液攜氧能力下降，而且紅細胞破壞后產(chǎn)生的大量游離血紅蛋白（free hemoglobin，F(xiàn)Hb）不僅耗竭它們的清除蛋白，同時也造成一系列臨床后果，比如體循環(huán)和肺循環(huán)血管阻力增加、凝血功能改變、血小板功能障礙、腎小管損傷，并且增加死亡率［1］。CPB中即時溶血是紅細胞損傷最嚴重的形式，這種即時損傷表現(xiàn)為細胞膜破裂、細胞內(nèi)的血紅蛋白釋放到血漿中。除此之外，損傷在溶血閾值以下可能引起亞致死性損傷，而紅細胞的亞致死性損傷表現(xiàn)為紅細胞脆性增加、變形能力降低、形態(tài)學變化及流變性能的改變，紅細胞壽命大大縮短，這些受損的紅細胞在體內(nèi)可出現(xiàn)延遲性溶血［2］。本文就CPB致紅細胞損傷的原因、損傷的表現(xiàn)及評價指標、對機體的危害作一綜述。

1 CPB致紅細胞損傷的原因

1．1 RBC的機械性損傷 Simmonds最新研究表明適當?shù)募羟辛τ兄谔岣呒t細胞變形性［3］。血液經(jīng)由機械泵、人工肺、微栓濾器、超濾器以及插管管路等組成的體外管路循環(huán)系統(tǒng)時，血液持續(xù)暴露于非生理性的湍流流場和高剪切力的區(qū)域，紅細胞由于碾壓、撞擊、剪切、壓差等原因會造成損傷［4］。影響機械泵和人工肺溶血的因素包括合成材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)型、流場速度、應力分布、驅(qū)動方式、暴露時間等參數(shù)［5］。泵管或動脈插管內(nèi)徑過細、泵管壓的松緊或位置不當、微栓濾器濾網(wǎng)孔徑過細導致的剪切應力過高也會增加血細胞的破壞。大多研究表明血泵內(nèi)紅細胞受到破壞引起溶血主要與受到的切應力（主要是雷諾切應力）和受力時間有關(guān)［4－6］，Yen JH等最近的研究表明紅細胞周圍的湍流黏性剪切應力造成溶血的閾值低于單純的雷諾切應力［7］。流量恒定的情況下，泵管或動脈插管的內(nèi)徑越細，泵的轉(zhuǎn)速越快，主動脈末端的動脈血流速越快，所受的剪切力越大，對紅細胞的損傷就越嚴重。CPB時間越長，對紅細胞的機械損傷也越嚴重。

1．2 人工材料的生物相容性 機體自身循環(huán)系統(tǒng)完整的內(nèi)皮是具有完全生物相容性的表面。當血液與人工材料接觸后可引起一定程度的防御系統(tǒng)激活，如補體系統(tǒng)激活反應中過敏毒素C3a和C5a的釋放。循環(huán)耗材材料是否符合醫(yī)用材料溶血試驗要求和細胞毒性試驗要求、材料表面粗糙度、是否疏水性人工表面、有無生物涂層等直接關(guān)系到材料的血液相容性，影響其溶血率［8－9］。

1．3 低溫 CPB多采用低溫技術(shù)，Millerl等人研究了溫度對溶血的影響，通過研究紅細胞在0℃到3O℃ 時紅細胞的誘導溶血，發(fā)現(xiàn)低溫紅細胞由于硬脆性具有更大的溶血率。此外，還有少數(shù)為冷抗體型的免疫性溶血性貧血，如果體溫低于30℃，可使人體冷抗體反應性增強，引起明顯的溶血［10］。

1．4 負壓 CPB中負壓輔助引流和左、右心吸引會使血細胞暴露于負壓環(huán)境，正常紅細胞外形為雙凹圓盤狀，對負壓較敏感，尤其當負壓大于1／3大氣壓時，對紅細胞的損傷更大，可能引起紅細胞爆裂［11］。

1．5 氣血接觸 CPB氣血直接接觸和氣泡周圍血細胞的高剪切力會導致血液的機械損傷，氧合器儲血室祛泡過程產(chǎn)生的高剪切力會再次使氣泡周圍血細胞受到損傷；另一方面氣血直接接觸還會激活補體系統(tǒng)造成血細胞激活和損傷［12］。

1．6 炎性反應 心臟手術(shù)及CPB開始后，血漿系統(tǒng)及血細胞即被CPB中各種非生理狀況所激活，造成播散性炎細胞活化，引發(fā)“瀑布”樣級聯(lián)反應，導致全身炎癥反應綜合征（systemic inflammatory response syndrome，SIRS）。紅細胞為雙凹圓盤狀，細胞膜與血漿接觸面積是機體細胞中最大者，紅細胞不停地流經(jīng)各組織的微循環(huán)時又需隨時變形，這些結(jié)構(gòu)和功能特點使紅細胞在炎性介質(zhì)的攻擊中受損的程度遠比其它細胞嚴重。自由基是機體正常代謝產(chǎn)物，同時也是一種極具破壞性的炎性介質(zhì)，可攻擊細胞膜的膜性結(jié)構(gòu)，發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應。目前已知CPB中氧自由基等炎性介質(zhì)的增加是CPB過程中造成紅細胞損傷的重要非物理性因素［11］。

1．7 庫血的使用 庫血在保存中，血細胞繼續(xù)消耗血液中的營養(yǎng)成分，排出代謝產(chǎn)物、維持生存狀態(tài)，但是在這一過程中，紅細胞懸液隨著貯存時間的延長，細胞內(nèi)的能量和ATP消耗導致紅細胞形態(tài)發(fā)生變化，其膜結(jié)構(gòu)的改變以及對陽離子主動轉(zhuǎn)運功能受阻，細胞變形，脆性增加，容易發(fā)生溶血，2周后，F(xiàn)Hb高于正常范圍（40 mg／L）［13］。

2 體外循環(huán)致紅細胞損傷的表現(xiàn)及評價指標

2．1 即時溶血 溶血是指紅細胞破裂，血紅蛋白逸出到血漿中。CPB期間多種因素會對紅細胞造成損傷導致溶血，血清FHb是反映溶血最直接的評價指標。目前研究一般用標準溶血指數(shù)（NIH）作為溶血破壞的重要衡量指標［14］，它代表血泵在單位時間內(nèi)泵出100 L比容標準化血液后所產(chǎn)生的FHb克數(shù)，單位為mg／L，計算公式為：NIH＝△FHb×V×［（100－Hct／l00］×［100／（Q×T）］，式中，△FHb為測試時間間隔內(nèi)FHb的增量值（mg／L）；V為總循環(huán)容量（L）；Hct為紅細胞比容；Q為血泵流量（L／min）；T為測試間隔時間（min）。大量研究表明FHb濃度在CPB中和CPB后升高［14］。轉(zhuǎn)流時間越長，溶血發(fā)生越嚴重，F(xiàn)Hb釋放量越多。

有實驗表明血小板（Plt）與FHb一樣亦呈同步線性增加，且二者有明顯的相關(guān)性［15］。Plt增加是因為電阻式全自動血細胞計數(shù)儀在計數(shù)血小板時與其體積有一定關(guān)系，當血液中血細胞碎片的體積與血小板相近時，這些血細胞碎片就會被記錄。因此，這時的Plt實質(zhì)上反映的是包括血細胞碎片的數(shù)量。這表明Plt計數(shù)也能反映血細胞的損傷。

血漿中的FHb可與結(jié)合珠蛋白（Hp）結(jié)合后被輸送至肝臟分解。Hp的主要功能是結(jié)合FHb，形成穩(wěn)定的Hp—Hb復合物，Hp—Hb復合物因分子量大，不能通過腎小球濾膜而經(jīng)尿液排出，可阻止亞鐵血紅素的漏失并防止溶血導致的腎臟受損。當血漿中增高的FHb超過結(jié)合珠蛋白的結(jié)合能力時，剩余的FHb少部分與血漿中的血結(jié)素結(jié)合；一部分轉(zhuǎn)變?yōu)楦哞F血紅蛋白，與血漿中清蛋白結(jié)合形成高鐵血紅素清蛋白；大部分通過腎臟排泄，形成血紅蛋白尿。增高的FHb形成大量的非結(jié)合膽紅素滯留血液中，超過肝細胞的攝取、結(jié)合與排泌能力，出現(xiàn)黃疸。

2．2 紅細胞的亞損傷 受到損傷的紅細胞一部分可能立即發(fā)生破裂溶血，一部分仍可保持細胞的完整性。溶血指數(shù)反映的是血泵對紅細胞的直接損傷，即紅細胞破損的數(shù)量，不能反映紅細胞亞損傷及其程度，也無法預知CPB術(shù)后24 h內(nèi)出現(xiàn)的延遲性溶血的嚴重程度。但是，轉(zhuǎn)流血泵的亞致死性損傷比即時紅細胞損傷更為嚴重，因為當有1個紅細胞發(fā)生破損溶血的同時，可有500個紅細胞發(fā)生細胞膜變化，術(shù)后24 h延遲性溶血量可達即時溶血的5倍［15］。1977年，Sutera提出紅細胞亞損傷的概念，即紅細胞沒有破裂，細胞內(nèi)的血紅蛋白通過微孔漏到血漿中［16］。

對CPB紅細胞形態(tài)學的觀察可以看到［15］，轉(zhuǎn)流前樣本中棘球紅細胞很少，但轉(zhuǎn)中各樣本中可看到許多不同程度的變形紅細胞。電鏡觀察顯示，紅細胞亞損傷主要表現(xiàn)為，細胞膜皺縮、出現(xiàn)棘突或是膜的伸展，形成棘突細胞和裂解。紅細胞膜下是一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膜骨架蛋白，在短暫的外力下可改變狀態(tài)，但持續(xù)的外力可使膜骨架蛋白之間重新連接，從而使紅細胞永久變形。變形的紅細胞其可變形性減低，穩(wěn)定性差，在一定的外力下易破碎，在體內(nèi)也極易被肝和脾的巨噬細胞捕捉和破壞。因此，紅細胞形態(tài)學的改變是發(fā)生延遲性溶血的基礎。

對于變形紅細胞數(shù)的定量，可以以每百個紅細胞中棘球紅細胞數(shù)目作為定量指標之一［16］。因為棘球紅細胞是亞損傷最嚴重的紅細胞，所以棘球紅細胞計數(shù)不失為一個評價紅細胞亞損傷的客觀指標。但是，棘球紅細胞僅占變形紅細胞的1／2～1／3，因此，這一指標有一定的局限性。與HFb、Plt一樣，棘球紅細胞計數(shù)隨著轉(zhuǎn)流時間的延長而呈逐漸增加，說明轉(zhuǎn)流時間越長，紅細胞亞損傷就越嚴重，術(shù)后的延遲性溶血也就越嚴重。

長時間 CPB還會造成紅細胞的變形性降低［1，3，17］。紅細胞的變形性是指紅細胞在體內(nèi)能根據(jù)流暢的情況和血管的直徑來改變其形狀的能力。這種變形性是影響血液表觀黏滯度、決定血液的流動性、紅細胞壽命以及體內(nèi)微循環(huán)有效灌注的重要因素之一。變形性降低使微循環(huán)灌注減少、組織缺氧、血液黏滯度增加、紅細胞壽命縮短，易發(fā)生破裂溶血。也是衡量紅細胞亞損傷的指標之一。

Sakota D等人［18］發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式血泵在紅細胞的機械損傷中對老化細胞有選擇性損傷。他們用紅細胞平均體積（MCV），紅細胞平均血紅蛋白量（MCH），紅細胞平均血紅蛋白濃度（MCHC）定量分析旋轉(zhuǎn)式血泵對紅細胞的亞損傷。亞溶血損傷因為血紅蛋白逐漸從變薄的細胞膜微孔中漏出而致細胞內(nèi)血紅蛋白濃度降低。因此，MCV（增大）、MCHC（減小）以及溶血指數(shù)提供了對紅細胞選擇性損傷的有用信息，而MCH（減?。┓从沉思t細胞的亞損傷。因此，與沒有經(jīng)過剪切作用的對照組血液相比MCV增加，MCHC減小。較脆弱的細胞受到血泵的剪切力發(fā)生溶血的閾值較低而被自然清除。細胞越老化，其體積越小，同時細胞內(nèi)血紅蛋白濃度由于細胞內(nèi)液的丟失而增加，變形性較差，脆性較大，它們對剪切力的抵抗力較差，能被剪切力很快破壞，留下體積較大、血紅蛋白濃度較高的年輕細胞。因此，轉(zhuǎn)機過程中，MCV增加，MCHC減小。

3 對機體的危害

紅細胞損傷造成的貧血和紅細胞變形能力不僅會使血液攜氧能力下降，微循環(huán)障礙，組織缺氧等一系列問題，而且紅細胞破壞后產(chǎn)生的大量FHb本身對機體具有直接毒性［19］。FHB可引起自由羥基的產(chǎn)生和脂質(zhì)過氧化反應，從而導致組織損傷。FHb能氧化亞麻酸、低密度脂蛋白等。對機體的損傷主要表現(xiàn)在以下幾方面

3．1 對循環(huán)系統(tǒng)的影響 研究表明FHb具有收縮血管作用，血管內(nèi)皮舒張因子結(jié)構(gòu)的一部分來自于一氧化氮（NO）。在血液里，NO可與血紅蛋白結(jié)合，形成亞硝基血紅蛋白后便失去活性。輸入FHb后，可引起明顯的血壓升高，心排出量下降。其主要機制在于NO被清除后，體循環(huán)和肺循環(huán)阻力都升高。有實驗表明在使用琥珀酸水楊酸交聯(lián)的血紅蛋白溶液（DCHs）后，羊的體循環(huán)阻力增加43．9%，肺循環(huán)阻力增加204．2%［20］。而微循環(huán)方面，用血紅蛋白載氧溶液高容量或等容量置換血液，可導致小動脈收縮及紅細胞流動速度加快。

3．2 對神經(jīng)系統(tǒng)的影響 Regan等［21］報道在體外條件下FHb對脊髓神經(jīng)元和皮質(zhì)神經(jīng)元有毒性作用，且和時間及濃度呈正相關(guān)，這種毒性作用主要是通過FHb產(chǎn)生氧自由基造成的。自由基清除劑U83836E可顯著減輕血紅蛋白引發(fā)的神經(jīng)元毒性作用。另外薛海龍等［22］觀察不同濃度FHb對體外培養(yǎng)大鼠嗅鞘細胞（olfactory ensheathing cells，OECs）存活的影響，結(jié)果顯示各組細胞活力隨血紅蛋白濃度的升高而降低，各FHb組細胞死亡比例隨血紅蛋白濃度增加而升高。證明了FHb對OECs有毒性作用且隨濃度的增加而增加。

3．3 FHb對腎功能的影響 急性腎損傷在心臟手術(shù)術(shù)后的患者中發(fā)生率是40%，1%的患者需要透析，其中一個主要的原因就是 CPB導致的溶血［1，23］。過多的FHb是一種內(nèi)源性毒素，可致急性腎小管壞死。血紅蛋白一方面引起腎內(nèi)氧化應激而損傷腎小管上皮細胞，另一方面形成腎小管內(nèi)管型，造成腎小管梗阻［23］。血紅蛋白還可抑制一氧化氮，引起腎內(nèi)血管收縮及缺血。上述原因致腎小球濾過率下降，表現(xiàn)為少尿或無尿。隨著腎功能減退，臨床上出現(xiàn)一系列尿毒癥表現(xiàn)。

3．4 對免疫系統(tǒng)的影響 離體研究發(fā)現(xiàn)，在雙向混合淋巴細胞反應體系中加入FHb后，由于其可被抗原提呈細胞（antigen presenting cell，APC）吞噬清除，消弱提呈細胞對抗淋巴細胞異?？乖哪芰Γ译S著FHb濃度的增加，APC的提呈功能被抑制，淋巴細胞轉(zhuǎn)化率下降達50%。說明FHb會影響APC的提呈功能，抑制淋巴細胞的轉(zhuǎn)化功能，從而導致巨噬細胞的殺傷功能受到明顯的抑制，這將造成患者術(shù)后機體特異性的抗感染能力下降［24］。

小兒、重癥、復雜大手術(shù)及體外膜肺氧合支持的患者，溶血的程度較大，而且這些患者對不能清除的紅細胞成分的毒性作用特別敏感。

4 小結(jié)

CPB很多因素會造成紅細胞的損傷，這種損傷作用包括即時損傷和亞損傷。紅細胞損傷不僅導致貧血和氧輸送效率下降，還會影響重要臟器功能。根據(jù)以上對紅細胞破壞因素的總結(jié)，積極采取各種措施在各個環(huán)節(jié)上加強對紅細胞的保護，不但可以減少異體血的應用，還可以有效改善患者預后。

［1］ Kameneva MV，Undar A，Antaki JF，et al．Decrease in red blood cell deformability caused by hypothermia，hemodilution，and mechanical stress：factors related to cardiopulmonary bypass［J］．ASAIO，1999，45（4）：307－310．

［2］ Watanabe N，Sakota D，Ohuchi K，et al．Deformability of red blood cells and its relation to blood trauma in rotary blood pumps［J］．Artif Organs，2007，31（5）：352－358．

［3］ Simmonds MJ，Atac N，Baskurt OK，et al．Erythrocyte deformability responses to intermittent and continuous subhemolytic shear stress［J］．Biorheology，2014，51（2－3）：171－185．

［4］ Goubergrits L，Affeld K．Numerical estimation of blood damage in artificial organs［J］．Artif Organs，2004，28（5）：499－507．

［5］ Quinlan NJ，Dooley PN．Models of flow－induced loading on blood cells in laminar and turbulent flow，with application to cardiovascular device flow［J］．Ann Biomed Eng，2007，35（8）：1347－1356．

［6］ Down LA，Papavassiliou DV，O＇Rear EA．Significance of extensional stresses to red blood cell lysis in a shearing flow［J］．Ann Biomed Eng，2011，39（6）：1632－1642．

［7］ Yen JH，Chen SF，Chern MK，et al．The effect of turbulent viscous shear stress on red blood cell hemolysis［J］．J Artif Organs，2014，17（2）：178－185．

［8］ Ohta Y，Otsuka C，Okamoto H．Changes in surface roughness of erythrocytes due to shear stress：atomic force microscopic visualization of the surface microstructure［J］．J Artif Organs，2003，6（2）：101－105．

［9］ 陳新，云忠，譚建平．材料表面處理對心內(nèi)式血泵的生物相容性改善［J］．表面技術(shù)，2005，34（3）：61－64．．

［10］ Miller MW，Church CC，Labuda C，et al．Biological and environmental factors affecting ultrasound－induced hemolysisIn vitro：5．Temperature［J］．Ultrasound Med Biol，2006，32（6）：893－904．

［11］ 胡強，龍村．體外循環(huán)中血紅蛋白尿的發(fā)生和防治［J］．中國體外循環(huán)雜志，2005，3（2）：120－122．

［12］ Baskurt OK，Meiselman HJ．Red blood cell mechanical stability test［J］．Clin Hemorheol Microcirc，2013，55（1）：55－62．

［13］ Relevy H，Koshkaryev A，Manny N，et al．Blood banking－induced alteration of red blood cell flow properties［J］．Transfusion，2008，48（1）：136－146．

［14］ 云忠，向闖，石芬．血泵溶血的研究進展［J］．生物醫(yī)學工程研究，2011，30（3）：194－198．

［15］ 徐嗣衛(wèi)，丁敏君，陳芳．滾壓泵離體長時間轉(zhuǎn)流對紅細胞損傷的研究［J］．中國生物醫(yī)學工程學報，2004，25（6）：562－565．

［16］ Sutera SP，Gardner RA，Boylan CW，et al．Age－related changes in deformability of human erythrocytes［J］．Blood，1985，65（2）：275－282．

［17］ Nakamura M，Bessho S，Wada S．Analysis of red blood cell deformation under fast shear flow for better estimation of hemolysis［J］．Int J Numer Method Biomed Eng，2014，30（1）：42－54．

［18］ Sakota D，Sakamoto R，Sobajima H，et al．Mechanical damage of red blood cells by rotary blood pumps：selective destruction of aged red blood cells and subhemoltytic trauma［J］．Artif Organs，2008，32（10）：785－791．

［19］ 吳波，方國恩．游離血紅蛋白主要測定方法及輸入過量對機體影響的研究進展［J］．實用醫(yī)藥雜志，2008，25（5）：612－615．

［20］ Roche CJ，Dantsker D，Alayash AI，et al．Enhanced nitrite reductase activity associated with the haptoglobin complexed hemoglobin dimer：functional and antioxidative implications［J］．Nitric Oxide，2012，27（1）：32－39．

［21］ Regan RF，Guo Y．Toxic effect of hemoglobin on spinal cord neurons in culture［J］．Neurotrauma，1998，15（8）：645－651．

［22］ 薛海龍，羅娜，楊浩，等．游離血紅蛋白對體外培養(yǎng)成年大鼠嗅鞘細胞存活的影響［J］．中華神經(jīng)醫(yī)學雜志，2007，6（1）：9－12．

［23］ Moussavian MR，Slotta JE，Kollmar O，et al．Hemoglobin induces cytotoxic damage of glycine－preserved renal tubules［J］．Transpl Int，2007，20（10）：884–894．

［24］ 駱群，張獻清，劉景漢．游離血紅蛋白抑制淋巴細胞轉(zhuǎn)化功能的研究［J］．第四軍醫(yī)大學學報，2005，26（14）：1324－1326．

2015-01-05）

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100037北京，中國協(xié)和醫(yī)科大學中國醫(yī)學科學院阜外心血管病醫(yī)院體外循環(huán)科［周玉姣（研究生）］

于坤，Email：yukunfw＠163．com