肺移植围麻醉期缺血/再灌注损伤的研究进展

胡春晓，袁圣劼，王志萍（南京医科大学附属无锡市人民医院麻醉科，江苏，无锡 214023）

肺移植术是目前临床上治疗慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease， COPD）、特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis， IPF）、肺囊性纤维化、ɑ-1抗胰蛋白酶缺乏、特发性肺动脉高压等肺部疾病最为有效的医学手段［1-2］。它的首次试验是在狗的肺叶移植中取得了成功，随后吸引了来自世界各地的医学研究者们全身心地投入到该项技术的实验研究中，不断完善和改进相关理论知识和临床手术方法。我国的肺移植技术研究起步较晚，加上包括活体供应、运输途径等条件的限制，发展比较缓慢，但近几年也逐步取得了一些富有创新性的成果。

纵观国内外在该领域的研究进展，不难发现，肺缺血/再灌注损伤（ischemia reperfusion injury，IRI）是影响肺移植术成功率的重要因素之一。这类由于器官捐献和术过程中肺循环阻断而引起的肺部缺血性损伤，会在肺循环再灌注时进一步出现加重的现象。为了保证手术后肺器官在受体内的存活率，提高患者的存活率，必须对肺IRI进行严格的管控，使其损伤程度尽可能地降低到最小。临床上，导致肺IRI的原因十分复杂。从宏观角度来看，它与供体本身的健康状况有关；而从微观角度来分析，它涉及了细胞与细胞之间、细胞与介质之间所交织成的网络体系中的相互作用关系。分析其机制，大致与自由基损伤、炎症反应、钙超载、NO作用以及肺表面活性物质缺失等有关。

考虑到可能存在的损伤机制，国内外研究者在肺IRI的预防措施研究上做了大量的实验工作。本文在参考了该领域大量研究报道的基础上，对肺IRI的机制和预防措施进行了归纳总结，在比较分析了它们之间的差异性后，提出了今后该项研究可能的发展方向。

1 肺IRI发生机制

1.1 缺氧直接作用：缺氧组直接作用于细胞，导致线粒体不能进行氧化磷酸化，无法产生足够的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate， ATP），导致细胞膜跨膜离子转运受到影响，引起细胞水肿［3］。此外，线粒体和溶酶体也会肿胀崩解，造成广泛的细胞损伤［4］。

1.2 再灌注损伤：再灌注损伤的机制尚未完全阐明，目前认为主要与氧自由基的作用、钙超载、炎症细胞的作用、NO的大量产生、肺表面活性物质缺失等有关［5-6］。

1.2.1 氧自由基的作用：缺血/再灌注后，肺内氧自由基生成增多，主要是由黄嘌呤氧化酶生成增多、中性粒细胞聚集及激活以及线粒体功能受损引起的［4］。缺血时，黄嘌呤脱氢酶（XD）大量转化为黄嘌呤氧化酶（XO）。同时，缺氧导致ATP不能用来释放能量，并降解为ADP、AMP和次黄嘌呤，故缺血缺氧的组织内XO和次黄嘌呤大量堆积。再灌注时，大量氧分子进入缺血组织，XO催化次黄嘌呤转化为黄嘌呤并进一步催化黄嘌呤转化为尿酸，这两步反应产生大量氧自由基［7］，这些氧自由基起到了原发的主要作用，作用于细胞膜后产生大量趋化因子，吸引中性粒细胞聚集并激活，再灌注后这些中性粒细胞耗氧量显著增加，产生大量氧自由基，即氧爆发或称呼吸爆发［4］。此外，缺氧使线粒体氧化磷酸化功能障碍，细胞色素氧化酶功能失调，电子传递链受损，使得进入细胞内的氧经单电子还原而变为氧自由基。氧自由基引起IRI的机制主要包括3点：① 氧自由基与细胞膜脂质不饱和脂肪酸作用，使细胞膜的结构与功能均受损，并间接抑制了膜蛋白功能；② 细胞结构蛋白和酶的巯基被氧自由基氧化为二硫键，直接损伤了蛋白质的功能；③ 氧自由基造成细胞染色体畸变、核酸碱基改变及DNA断裂［4］。因此，氧自由基的大量产生是IRI发生、发展的重要环节。

1.2.2 炎性反应与炎症介质的释放：肺缺血/再灌注时，大量炎性细胞被激活，激活的炎性细胞流速缓慢，形成滚动现象，阻塞小动脉和小静脉，有利于“无复流现象”的发生，加重肺部微循环障碍［8］。此外，IRI导致大量生物活性物质的释放，如自由基、蛋白酶及细胞因子等，并可引起免疫反应，导致微血管损伤及细胞的破坏。

1.2.2.1 核转录因子（nuclear factor-kappa B， NF-κB）：NF-κB是一组真核细胞转录因子［9］，实验结果显示，肺组织IRI后2小时NF-κB表达尤为显著［10］，这与氧自由基损伤核酸及蛋白质，影响了细胞转导系统有关，并进一步导致肺组织的损伤［11］。NF-κB在单核细胞中活化后可诱导大量肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor-α， TNF-α）、白细胞介素（IL-1β、IL-6、IL-8）、各种黏附分子、趋化因子的表达，这些细胞因子通过各种反馈刺激机制参与并放大机体的炎症反应。目前认为NF-κB在IRI中具有重要作用，并可作为调节炎症反应的枢纽［12-13］。

1.2.2.2 TNF-α：经自由基、细胞因子等刺激后，淋巴细胞及巨噬细胞产生大量TNF-α，作为一种重要的促炎因子，其在肺IRI早期起着重要作用。Khimenko等［14］研究发现，肺缺血2小时前，在腹腔注射抗TNF-α抗体，可以使损伤明显减轻，这说明TNF-α是肺短期缺血过程中引起肺内皮细胞损伤的级联炎症反应的重要因子之一。其介导IRI机制为改变细胞蛋白、磷脂和RNA，导致细胞功能障碍或细胞死亡。

1.2.2.3 白细胞介素：IL-6主要由激活的巨噬细胞产生，它可促进炎症介质的释放，是参与IRI的一种毒性分子，且其含量增加与一氧化氮的释放有关［15］。Pham等［16］测定肺移植患者再灌注前后血清中IL-6水平，发现再灌注前IL-6含量甚微，再灌注4小时后达峰值，24小时后降至原来水平，其值与临床所见的肺再灌注损伤严重程度相关。

IL-10是一种在肺IRI中起保护作用的细胞因子［17］，它作为一种抗原提呈抑制剂，可以抑制Ⅱ类主要组织相容性复合体表达以及协同刺激分子CD80和CD86的上调；同时，它还有抑制单核前体细胞向树突状细胞的分化及树突状细胞的成熟，抑制巨噬细胞和树突状细胞产生致炎细胞因子和介质的作用［18］。研究显示，外源性 IL-10可以使移植后再灌注损伤、急性排斥反应等并发症有不同程度的减轻［19］。

IL-8是一种肺IRI中重要的促炎细胞因子，由激活的中性粒细胞和单核细胞产生，可诱导肺中性粒细胞释放TNF-α和TNF-γ。IL-8在再灌注后才明显升高，再灌注2小时后IL- 8的水平与术后早期肺功能不全的预后有重要的关联［20］，并且与氧合指数（PaO2/FiO2）、平均气道压呈负相关，供肺组织内的IL-8水平增加程度与移植肺功能障碍和移植后病死率密切相关［21］。

1.2.2.4 PAF：PAF是肺巨噬细胞、血小板、肥大细胞、内皮细胞和中性粒细胞等释放的磷脂代谢产物［22］，它在IRI中起到多方面的作用。PAF可以激活白细胞，刺激白细胞黏附趋化和颗粒释放，造成肺组织损伤；能增加白细胞表面黏附的糖蛋白表达和激活促进白细胞与内皮细胞黏附;能激活内皮细胞，引起细胞形态学变化和血管壁通透性增加，导致肺水肿［23］。

1.2.3 钙超载：正常细胞外钙浓度比细胞内高出约万倍，各种原因引起的细胞内钙含量异常增多并导致细胞结构损伤和代谢功能障碍的现象称为钙超载［4］。缺血/再灌注时，细胞外钙内流大量增加，可能的机制有Na+-Ca2+交换异常以及生物膜的损伤。缺血缺氧时，ATP生成减少，钠泵活性降低，细胞内Na+浓度增加，直接激活Na+/Ca2+交换蛋白，此外，细胞内pH的降低和蛋白激酶C的活化均会间接激活Na+/Ca2+交换蛋白，使大量Ca2+进入细胞；同时，细胞膜、肌浆网膜和线粒体膜的通透性增加，造成进入细胞Ca2+增多、肌浆网摄取Ca2+减少，进一步加重钙超载。

细胞内Ca2+增多后，可增强多种酶活性，如钙依赖性蛋白酶及某些ATP酶，前者能促使黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化酶，增加氧自由基；后者能催化高能磷酸盐水解，产生大量H+，加重酸中毒。此外，聚集在细胞内的Ca2+被肌浆网、线粒体摄取过程中消耗大量ATP，同时进入线粒体的Ca2+与磷酸根的化合物结合形成不溶性的磷酸钙，干扰线粒体功能，加重能量代谢障碍，造成对肺组织的损伤。

1.2.4 NO与NOS：已有实验表明NO可减轻IRI，它可以扩张肺血管，降低血管通透性，减轻肺水肿，其可能为其能够促进粒细胞凋亡，抑制氧化反应及减少炎症因子（TNF -α、IL-6）等的表达有关［24］。在体内NO主要由一氧化氮合酶（NOS）催化合成，肺内的NOS有4种亚形：内皮细胞型（eNOS）、神经元型（nNOS）和诱导型（iNOS）和线粒体型（mtNOS）。eNOS主要分布在肺血管内皮细胞，iNOS主要分布在肺泡壁上的肺泡Ⅱ上皮细胞。目前认为，eNOS和正常生理状态下iNOS具有一定的抗炎作用［25］，过度表达的iNOS和mtNOS则具有一定的促炎作用［26-27］。在病理状态下，iNOS可被诱导表达，产生过量的NO，这种过量的NO能抑制细胞色素氧化酶，产生大量的ROS，并能与ROS作用生成过氧硝酸盐，导致细胞和组织的损害，加重肺损伤［28］。

1.2.5 肺泡表面活性物质（pulmonary surfactant，PS）减少：PS是由肺泡Ⅱ型上皮细胞合成的蛋白-磷脂混合物，其主要功能是维持肺泡的表面张力，防止肺泡萎陷。研究表明，内源性PS减少是体外循环后肺损伤病变发展的重要因素［29］。也有大量临床实验表明在肺缺血/再灌注前给予外源性PS可有效减轻IRI。

2 肺IRI保护措施

针对肺IRI的发生机制，理论上可从多个靶点干预甚至阻断其进展，如减少某些关键的细胞因子以抑制炎症反应、清除氧自由基、减轻钙超载、补充PS等，并且多种保护措施已经在动物实验中获得了肯定的效果，更有部分已经应用于临床，例如供肺的保护、肺移植术中糖皮质激素、乌司他丁、右美托咪定、钙拮抗剂等药物的使用、肺缺血后处理等。

2.1 肺移植术前

2.1.1 供肺预缺血处理：预缺血处理是指组织器官经反复短暂缺血后，会明显增强其对随后较长时间IRI抵抗力的现象，减轻肺IRI。该方法可抑制炎性细胞因子如TNF-α、IL-6和IL-8的合成及释放，抑制中性粒细胞的浸润，减轻肺血管内皮细胞损伤从而降低肺毛细血管的通透性。动物实验研究表明，供肺缺血预处理后，可抑制肺组织中NF-κB的表达，这可能是其抑制炎症反应的机制之一［30］。

2.1.2 器官保存液：目前使用的器官保存液多为细胞外液型保存液低钾右旋糖酐葡萄糖液（low potassium dextran glucose，LPDG），经动物实验比较不同的器官保存液对肺移植术后早期肺功能的影响，大部分结果表明LPDG 液更适合于供肺的保存，其优点在于低钾以及含有右旋糖酐，低钾对内皮细胞结构和功能损伤比较轻，使氧自由基和肺缩血管物质释放较少，右旋糖酐能增加红细胞变形性，防止红细胞聚集及血栓形成，这些都使肺微循环得到改善，保护内皮-上皮屏障，从而减少再灌注时肺水肿的发生［31］。也有实验表明向保存液内添加药物如乌司他丁、前列腺素、钙离子通道阻滞剂等可提高保存效果。

2.1.3 离体肺灌注（ex vivo lung perfusion，EVLP）：离体肺灌注在过去主要用于研究肺生理以及实验中评价不同保存条件或保存液对肺功能的影响，近年来则作为一种肺保存方法使用。EVLP的优点是维持器官代谢功能，延长供肺保存时限；对肺功能进行评估；可进行器官复苏或积极治疗以修复损伤的肺组织，从而提高手术的安全性和预测性［31］。

2.1.4 药物处理

2.1.4.1 A2B腺甙受体拮抗剂：有动物实验表明术前用A2B腺甙受体拮抗剂处理供肺可有效减轻IRI。Huerter等［32］以大鼠为实验对象，采用选择性A2B腺甙受体拮抗剂ATL802处理了无心跳肺供体，与未处理组相比，结果显示处理组肺顺应性增强、气道压力降低，供肺功能明显改善。其机制为A2B腺甙受体拮抗剂可减少IL-8分泌，抑制中性粒细胞渗出，降低肺血管通透性，从而减轻肺IRI。

2.1.4.2 一氧化碳（CO）：CO作为一种保护性气体，能够有效去除氧自由基，可作为减轻肺移IRI的一种新疗法。Meng等［33］将大鼠分为两组，在供肺在冷血期间分别用CO和N2进行吸入处理，结果显示吸入CO的供肺顺应性更好、气道压力更低，其炎症反应明显减轻，自由及含量减少，肺泡上皮受损较少，有效减轻IRI。也有动物实验显示，以CO和H2联合处理供肺将达到更好的效果［34］。

2.1.4.3 H2S：H2S在各器官中的抗IRI作用已得到较广泛的认可。动物实验中可观察到，供肺在冷缺血期间内以H2S吸入处理后，肺缺血/再灌注损伤减轻，这与H2S可清除肺内氧自由基有关［35］。

2.1.4.4 伊马替尼：伊马替尼是一种酪氨酸激酶抑制剂，它具有阻断一种或多种蛋白激酶的作用。动物实验结果显示，将在体供肺用伊马替尼处理后，其IRI减轻。其主要机制是伊马替尼可以降低肺内IL-8水平，提高IL-10水平，并有效减少中性粒细胞的渗出，增强抗炎因子水平，减轻肺水肿［36］。

2.1.4.5 乌司他丁：乌司他丁是一种广谱的蛋白酶抑制剂，已在减轻器官IRI和抑制机体炎症反应的方面得到了广泛的应用。在动物实验中可观察到，离体肺灌注液中加入乌司他丁后，TNF-α含量降低，IL-10 mRNA表达上调，内源性IL-10分泌增加，抑制炎症细胞因子，从而减轻IRI［37］。

2.2 肺移植术中

2.2.1 临床药物的使用

2.2.1.1 七氟烷：七氟烷是一种在临床中应用广泛的吸入麻醉药。已有研究表明，患者在术中吸入这种药物以后，可以有效减轻IRI。其相关机制可以分为以下几点：抑制炎性介质IL-6等的产生、加速L-Ca2+通道激活并减少Ca2+内流从而减轻钙超载、阻断 NF-κB 移位进入细胞核［38］。Ohsumi等［39］在大鼠的肺移植实验中，利用七氟烷进行预处理及后处理，证明了该药物对于减轻早期IRI有很好的效果。

2.2.1.2 右美托咪定（DEX）：作为麻醉中常用的镇静药物，右美托咪定也可以用来减轻肺移植术中的IRI。其主要机制为下调NF-κB的活性和减少炎性因子TNF-α的释放［40］。动物实验显示DEX对肺组织具有明显保护效应，且抗炎效应与器官保护功能和其剂量存在一定相关性，但具体最佳剂量尚未探明［41］。

2.2.1.3 米力农：米力农是一种磷酸二酯酶抑制剂，其不但能增强心肌收缩力，还可抑制炎性反应，减轻肺损伤［42］。卫炯琳等［43］在大鼠左肺移植后再灌注开始的同时予0.4 mg/ml米力农雾化吸入2小时，结果显示米力农可提高eNOS活性、降低iNOS活性，使内源性NO增多，并能抑制肺组织内炎性介质释放、减少中性粒细胞激活，从而减轻大鼠肺移植后肺组织的IRI［43］。

2.2.1.4 糖皮质激素：糖皮质激素可起到抑制免疫和抗炎作用，在肺移植术中已得到广泛应用，常用方法是在移植肺动脉开放前应给予甲强龙500 mg，可抑有效抑制白细胞激活和炎症介质释放，减轻再灌注损伤。同时，临床观察发现该剂量糖皮质激素的使用还可以降低术后感染的发生率［44］。

2.2.1.5 其他药物：除上述药物外，还有其他许多药物被证明具有减轻IRI的作用，如钙离子拮抗剂可有效减轻钙超载、前列环素类药物可扩张血管提高组织氧供、外源性PS可以搞肺顺应性。多种新型药物在减轻肺移植术中IRI的方面的作用也不断被探索和研究，如重组人IL-10、PAF抑制剂、抑肽酶、NF-κB抑制剂吡咯烷二硫代氨甲酸酯（PDTC）等，但临床应用仍较为罕见。

2.2.2 缺血后处理：肺缺血后处理是指在缺血/再灌注之前，反复对肺进行短暂的预再灌和停灌。段明科等［45］对大鼠在体肺进行以下处理：缺血45分钟、短暂再灌注1分钟、缺血1分钟，反复5次，然后全面恢复灌注50分钟，与直接缺血45分钟后再灌注60分钟者进行对比，发现经过缺血预处理的肺组织内氧自由基含量减少，中性粒细胞浸润较少，IRI减轻。也有动物实验证明缺血后处理能明显减轻早期肺移植损伤，其机制可能与抑制IKKβ/NF-κB信号通路的激活及炎症因子TNF-α的表达有关［46］。刘国华等［47］对大鼠肺组织进行了缺血预处理联合缺血后处理，认为联合处理效果更优于仅单独缺血后处理。

2.2.3 治疗性高碳酸血症：治疗性高碳酸血症即高吸入CO2浓度的同时不减少潮气量，以达到治疗目的。高碳酸血症可以通过以下几个环节减轻IRI：① 抑制黄嘌呤氧化酶活性，减少氧自由基产生［48］；② 抑制细胞核因子-κ B的活性，从信使核糖核酸和蛋白质水平抑制了TNF-α、IL-1等的释放，减少中性粒细胞和巨噬细胞的浸润，减轻炎症反应［49］；③ 疗性高碳酸血症可增加一氧化氮的产生［50］；④ 治疗性高碳酸血症增加微血管细胞环磷酸腺苷的产生，该种环核苷酸对组织损伤有较强的保护功能［51］。Mrazkova等［52］的研究发现，热缺血时给提高吸入CO2浓度并无明显效果，仅在再灌注之后给予治疗性高碳酸血症才可减轻肺水肿并提高肺的氧交换功能。

3 展 望

综上所述，针对肺移植围术期IRI的发生机制，对其防治措施已有了较为广泛与深入的探索，并逐渐向分子生物学领域进展。尽管多数干预措施仍停留于动物实验阶段，并且其临床效果尚不明朗，但是动物实验至少证明了这些措施的可行性，为其临床应用奠定了重要的理论和实践基础。肺移植围麻醉期的IRI防治研究任重而道远，仍需要进一步的探索与实践。