供體肺冷缺血損傷機理及保護措施研究進展

卓 帥，劉 斌

(1.瀘州醫(yī)學院附屬醫(yī)院麻醉科，四川 瀘州 646000；2.四川大學華西醫(yī)院麻醉科，四川 成都 610041)

供體肺冷缺血損傷機理及保護措施研究進展

卓 帥1，劉 斌2

(1.瀘州醫(yī)學院附屬醫(yī)院麻醉科，四川 瀘州 646000；2.四川大學華西醫(yī)院麻醉科，四川 成都 610041)

當前肺移植手術(shù)面臨的主要問題是供體肺的嚴重缺乏及供體肺的保存技術(shù)有限等。本文就供體肺在冷缺血保存期間所遭受的冷缺血再灌注損傷機理及相應的供體肺保存措施進行闡述。

供體肺；冷缺血保存；再灌注損傷；研究進展

自1983年加拿大Cooper醫(yī)生成功完成世界上第一例臨床肺移植以來，肺移植手術(shù)作為治療終末期肺病最為有效的方法已經(jīng)在世界各地廣泛開展。據(jù)統(tǒng)計，截止2012年6月，世界各地成人肺移植累計完成43 428例，兒童肺移植累計1 875例[1-2]。然而隨著肺移植手術(shù)量日益增加，當前肺移植手術(shù)開展所面臨的最重要的問題之一是供體肺的嚴重缺乏，即需要行肺移植患者的數(shù)量遠遠超過了已有的供體肺數(shù)量，導致大量患者在等待供體的過程中死亡[3]。目前臨床肺移植的供體肺有兩個來源：(1)有心跳供體(Heart-beating donor，HBD)：這是目前肺移植主要供體來源。即因肺外原因的腦死亡患者自愿捐贈肺。移植小組在器官捐贈者腦死亡后，給予氣管插管維持人工通氣，在其心跳尚存和肺血流灌注良好的情況下取出供肺，用肺灌注液灌洗并低溫保存一段時間后完成肺移植。供肺在灌洗和低溫保存期間所經(jīng)歷的階段為冷缺血期(Cold ischemic period)。(2)無心跳供體(Nonheart-beating donor，NHBD)：這類供體主要存在于肺移植開展初期，即在供體心跳停止后保持機械通氣一段時間，使供肺處于熱缺血期(Warm ischemia)后，再取出供體肺作灌洗及移植使用。由于肺移植需求量增加，無心跳供體在近年來有逐漸增多的趨勢。與有心跳供體相比，這類供體常因患者心跳停止導致肺處于無血流灌注狀態(tài)(在此階段肺處于“熱缺血期”)，因此在保存期間供肺所遭受的缺血缺氧，低灌注狀態(tài)及隨后的缺血再灌注綜合征更為嚴重，從而限制了其在臨床上的應用[4]。研究表明，肺移植術(shù)后發(fā)生原發(fā)性移植物功能障礙(PGD)的例數(shù)占總死亡例數(shù)的30%，而肺缺血再灌注損傷被認為是引起PGD的主要原因[5]。因此，如何提高供肺保存質(zhì)量，最大限度減輕肺缺血再灌注損傷，成為近年來肺保護的研究熱點。本文就供體肺的主要來源，即有心跳供體在冷缺血保存期間所遭受的冷缺血再灌注損傷機理和相應的供肺保護措施等兩方面綜述如下：

1 肺冷缺血再灌注損傷的機理研究

臨床上，肺冷缺血再灌注損傷主要表現(xiàn)為：短期內(nèi)(通常72 h內(nèi))出現(xiàn)肺泡非特異性損傷，肺毛細血管內(nèi)皮細胞受損，肺血管通透性增加，肺水腫等。目前認為，其主要發(fā)病環(huán)節(jié)為：活性氧基團的作用，細胞內(nèi)鈣超載，白細胞和血管內(nèi)皮細胞的激活及相互作用[6]。

1.1 活性氧基團生成增多 活性氧基團(Reactive oxygen species，ROS)是具有強烈氧化作用的一類含氧物質(zhì)。肺冷缺血時ATP合成減少，缺氧可激活細胞內(nèi)p38絲裂原活化蛋白激酶，使黃嘌呤氧化酶激活，從而肺再灌注時產(chǎn)生了以氧自由基為主的大量活性氧基團[7]。生理情況下，活性氧基團可以通過抗氧化途徑及時清除；但在缺血缺氧等病理情況下，大量活性氧基團導致肺損傷的原理為：(1)細胞膜脂質(zhì)過氧化；(2)核酸和染色體破壞；(3)蛋白質(zhì)功能抑制；(4)影響基因轉(zhuǎn)錄，誘導炎癥相關(guān)基因的表達，產(chǎn)生多種炎性因子，導致炎癥細胞的激活[8]。最終都會發(fā)展為肺通透性增加，出現(xiàn)肺水腫，導致肺組織損傷。

1.2 細胞內(nèi)鈣超載 細胞內(nèi)鈣超載主要發(fā)生于再灌注期，主要是冷缺血引起肺組織內(nèi)細胞缺氧，導致細胞膜上Na+/K+-ATP酶活性降低，細胞內(nèi)Na+排出障礙，引起細胞內(nèi)Na+大量堆積，激活位于細胞膜上的Na+/Ca2+交換體，鈉鈣交換的增加使細胞外的Ca2+大量內(nèi)流；另外缺氧期間細胞內(nèi)H+生成增多，激活Na+/H+交換體使Na+大量流入細胞內(nèi)，也會間接激活Na+/Ca2+交換體[9]。鈣超載時，線粒體是主要受攻擊的靶細胞。鈣超載除了可使胞漿中過多鈣離子形成磷酸鹽沉積于線粒體，還會激活胞漿內(nèi)磷脂酶、蛋白酶等，使線粒體腫脹、嵴斷裂，最終導致線粒體結(jié)構(gòu)和功能障礙。線粒體功能障礙常常導致細胞內(nèi)能量供應嚴重失衡，出現(xiàn)細胞凋亡或壞死，最終引起肺組織損傷。

1.3 白細胞和血管內(nèi)皮細胞的相互作用 肺組織冷缺血和再灌注時白細胞大量浸潤的機制還不十分清楚。研究表明，引起初期肺冷缺血損傷的主要原因可能與肺泡巨噬細胞釋放的過量細胞因子，活性氧基團，促凝血物質(zhì)，蛋白酶有關(guān)[10]。而T細胞激活所釋放的TNF-α，IL-4，GM-CSF等大量細胞因子主要參與肺后期再灌注損傷。隨著再灌注時間延長，以中性粒細胞為主的白細胞和血管內(nèi)皮細胞發(fā)生粘附并相互激活，最終導致肺微血管栓塞和缺血再灌注損傷。

2 肺保存方法的研究進展

基于以上對肺冷缺血再灌注損傷機理的深入探討，近年來對于肺冷缺血期的保存方法的研究也有一定的進展。

2.1 清除自由基 在肺冷缺血時，以自由基為主的活性氧基團產(chǎn)生增多是導致肺再灌注時受損的一大重要機制，因此減少供體肺缺血期間自由基的生成和釋放，無疑可以對供肺起到較好的保護作用。目前，氧自由基清除劑已成為器官保存液的基本組成成分，包括嘌呤醇、甘露醇、超氧化物歧化酶、還原性谷胱甘肽、低分子右旋糖酐等[11]。機體主要依靠超氧化物歧化酶來清除氧自由基，研究表明，超氧化物歧化酶的活性直接決定了其清除氧自由基的能力，其能催化氧自由基為過氧化氫，繼而講解為氧氣和水，從而達到清除作用[12]。

2.2 減輕鈣超載 鈣超載在肺冷缺血再灌注損傷中也扮演著重要角色，因此從理論上推理：阻斷鈣內(nèi)流，減輕細胞內(nèi)鈣負荷會減輕肺冷缺血再灌注損傷。因此，使用鈉鈣交換體抑制劑和鈉氫通道拮抗劑也能有效減少鈣超載的發(fā)生。劉馨燭等[13]的研究發(fā)現(xiàn)在離體大鼠再灌注模型中，使用特異性NHE1拮抗劑卡立泊來德預處理可能通過抑制離子耦聯(lián)機制降低再灌注過程細胞內(nèi)鈣超載，減輕鈣依賴的黃嘌呤氧化酶途徑的氧自由基釋放，從而有效減輕肺缺血再灌注損傷。

2.3 供肺保存液 當前已用于臨床和處于試驗階段的供肺保存液可根據(jù)其電解質(zhì)濃度的不同分為兩類：細胞內(nèi)液型和細胞外液型。20世紀80年代研究比較多的是細胞內(nèi)液型保存液，代表有EC液(Euro-Collins solution)、UW液(University of Wisconsion solution)等；90年代細胞外液型保存液如LPD液(Low potassium dextran solution)、KH液(Krebs-Henseleit)、Celsior液等開始引入臨床。其中，以LPD液研究和使用最為廣泛[14]。目前，許多臨床移植中心已采用LPD-glucose液作為移植供體肺的保存液。一項選取了4 455例患者的回顧性研究[15]表明，與UW液相比，使用了LPD液的肺移植患者，其一年后死亡率有所降低。但是，LPD液對缺血時間較長的移植肺功能保護價值不大。因此，LPD液對移植肺的長期保護效果尚有待進一步研究。而新近發(fā)現(xiàn)的Custodiol-N肺保護液在加入了Dextran 40后，供肺氣道壓、肺血管阻力、干濕比、明顯降低，且肺順應性、氧合指數(shù)明顯增加，有望替代LPD液成為今后主要的肺保護液[16]。

當前器官保存液領(lǐng)域研究的另一熱點是向保存液中添加各種藥物或活性成分以提高保存效果。這些藥物包括前列腺素類藥物(PG)、一氧化氮(Nitric oxide，NO)、烏司他汀、膽綠素、魚藤素等。在保存液中加入前列腺類藥物(PG)，可以拮抗冷灌注液所引起的反射性血管收縮和氣道痙攣，使灌注液在肺內(nèi)和支氣管中更為均勻地分布，有助于減輕肺損傷，延長肺保存時間。而在再灌注期間將外源性NO加入器官保存液中，可減少肺缺血再灌注損傷，增加患者術(shù)后遠期生存率[17]。有研究者將伊洛前列素(Iloprost)加入肺保存液中對肺長時間保存后發(fā)現(xiàn)，肺上皮細胞分泌肺表面活性物質(zhì)明顯增加，增加了肺順應性，取得了良好效果[18]。另有研究發(fā)現(xiàn)，在LPD液中加入NTG能顯著降低肺血管阻力，提高供肺氧合能力[19]。烏司他丁是一種蛋白酶抑制劑，能減輕實質(zhì)器官缺血再灌注損傷，研究證明加入烏司他丁的肺保存液能減輕氧化反應，抑制炎癥因子釋放和中性粒細胞移行從而提高供肺保存效果[20]。膽綠素是血紅素分解代謝產(chǎn)物，具有氧自由基清除作用，Sugimot等[21]研究表明，在肺冷缺血保存期間，向LPD液中加入不同劑量膽綠素后，高劑量膽綠素能通過下調(diào)MARK蛋白表達，明顯減輕鼠肺組織氧化損傷、炎癥反應和細胞凋亡，提高肺氧合能力。魚藤素具有生物毒性，是除魚藤酮之外的植物中最常見的魚酮類化合物。Paulus等[22]研究表明魚藤素可減少由VEGF-A所導致的再灌注水腫，調(diào)節(jié)單核細胞免疫反應，并能通過干擾低氧誘導信號減少術(shù)后原發(fā)性移植物障礙的發(fā)生率。

3 展望

近年來，供肺保護的研究取得了很大的進展，但相關(guān)很多肺保護措施的研究還僅僅限于動物試驗，不能推廣到臨床。相信隨著肺缺血再灌注損失機制的進一步研究及肺保存措施的不斷改進，肺移植將不再是難題，更多的晚期肺疾病患者將會得到有效治療。

[1]Yusen RD,Christie J,Edwards LB,et a1.The Registry of the International Society for Heart and Lung Transplantation:thirtieth adult lung and heart-lung transplant report-2013;focus theme:age[J].J Heart Lung Transplant,2013,32(10):965-978.

[2]Benden C,Edwards LB,Kucheryavaya AY,et a1.The Registry of the International Society for Heart and Lung Transplantation:sixteenth official pediatric lung and heart-lung transplantation report-2013;focus theme:age[J].J Heart Lung Transplant,2013,32 (10):989-997.

[3]Cypel M,Keshavjee S.The clinical potential of ex-vivo lung perfusion[J].Expert Rev Respir Med,2012,6(1):27-35.

[4]Morrissey PE,Monaco AP.Donation after circulatory death:current practices,ongoing challenges,and potential improvements[J]. Transplantation,2014,97(3):258-264.

[5]Okada Y,Kondo T.Preservation solution for lung transplantation [J].Gen Thorac Cardiovasc Surg,2009,57(12):635-639.

[6]Gennai S,Pison C,Briot R.Ischemia-reperfusion injury after lung transplantation[J].Presse Med,2014,43(9):921-930.

[7]Li C,Jackson RM.Reactive species mechanisms of cellular hyoxia-reoxygenation injury[J].Am J Physiol Cell Physiol,2002,282 (2):C227-C241.

[8]趙金龍,冷飛燕,王國新.中性粒細胞在肺缺血再灌注損傷中的作用機制[J].中華器官移植雜志,2012,33(6):379-381.

[9]Saris NE,Carafoli E.A historical review of cellular calcium handling,with emphasis on mitochondria[J].Biochemistry(Mosc), 2005,70(2):187-194.

[10]Naidu BV,Krishnadasan B,Farivar AS,et al.Early activation of the alveolar macrophage is critical to the development of lung ischemia-reperfusion injury[J].Thorac Cardiovasc Surg,2003,126(1): 200-207.

[11]Auten RL,O'Reilly MA,Oury TD,et a1.Transgenic extracellular superoxide dismutase protects postnatal alveolar epithelial proliferation and development during hyperoxia[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2006,290(1):32-40.

[12]Zhang RS,Shen YX,Miao S,et a1.The protective role of Mistletoe flavonoid glycosides on myocardial ischemia reperfusion injury in rat[J].Chin J Hosp Pharm,2010,30:1001.

[13]劉馨燭,李美亭,劉 斌.卡立泊來德預處理減輕離體大鼠熱缺血再灌注損傷機理的研究[J].生物醫(yī)學工程雜志,2010,(2): 132-137.

[14]Van Raemdonck D.Thoracic organs:current preservation technology and future prospects;part 1:lung[J].Curr Opin Organ Transplant,2010,15(2):150-155.

[15]Arnaoutakl GJ,Allen JG,Merlo CA,et al.Low potassium dextran is superior to university of wisconsin solution in high risk lung transplant recipients[J].Heart Lung Transplant,2010,29(12):1380-1387.

[16]Pizanis N,Petrov A,Heckmann J.A new preservation solution for lung transplantation:evaluation in a porcine transplantation model [J].J Heart Lung Transplant,2012,31(3):310-317.

[17]Kaestle SM,Reich CA,Yin N,et al.Nitric oxide-dependent inhibition of alveolar fluid clearance in hydrostatic lung edema[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2007,293(4):859-869.

[18]Gohrbandt B,Sommer SP,Fischer S.Iloprost to improve surfactant function in porcine pulmonary grafts stored for twenty-four hours in low-potassium dextran solution[J].J Thorac Cardiovasc Surg, 2005,129(1):80-86.

[19]Wittwer T,Albes JM,Fehrenbach A,et al.Experimental lung preservation with Perfadex:effect of the NO-donor nitroglycerin on post ischemic outcome[J].Thorac Cardiovasc Surg,2003,125(6): 1208-1216.

[20]Xu M,Wen XH,Chen SP,et a1.Addition of ulinastatin to preservation solution promotes protection against ischemia-reperfusion injury in rabbit lung[J].Chin Med J(Engl),2011,124(14):2179-2183.

[21]Sugimoto R,Tanaka Y,Noda K,et a1.Preservation solution supplemented with biliverdin prevents lung cold ischaemia/reperfusion injury[J].Eur J Cardiothorac Surg,2012,42(6):1035-1041.

[22]Paulus P,Ockelmann P,Tacke S.Deguelin attenuates reperfusion injury and improves outcome after orthotopic lung transplantation in the rat[J].PLoS One,2012,7(6):e39265.

Progress of cold ischemic injury mechanism and conservation measures associated with donor lung.

ZHUO Shuai1, LIU Bin2.
1.Department of Anesthesiology,the Affiliated Hospital of Luzhou Medical College,Luzhou 646000,Sichuan, CHINA;2.Department of Anesthesiology,West China Hospital,Sichuan University,Chengdu 610041,Sichuan,CHINA

Currently,the main problems of lung transplant surgery are the deficiency and poor preservation techniques of donor lung.This article will elaborate the mechanism of cold ischemia-reperfusion injury during cold ischemic preservation period and appropriate conservation measures of donor lung.

Donor lung;Cold ischemic preservation;Reperfusion injury;Progress

R458

A

1003—6350（2015）06—0847—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.06.0302

2014-11-02)

劉 斌。E-mail：benbinliu@hotmail.com