體外膜肺氧合對內毒素誘導大鼠急性肺損傷后肺氣體交換的影響

湖北醫藥學院附屬太和醫院檢驗科(十堰 442000)陳永梅 龔興瑞

急性肺損傷(Acute lung injury,ALI)是臨床常見危重癥,如果治療不力常可發展到急性呼吸窘迫綜合征(Acute respiratory distress syndrome,ARDS),表現為呼吸頻數、呼吸窘迫、頑固性低氧、肺部浸潤影等[1]。機械通氣是一種常用的治療策略,有助于改善氧合,但是由于正壓通氣本身也可導致肺損傷,機械通氣時吸入高濃度氧可致氧中毒,正壓通氣時胸腔正壓影響靜脈回流等[2],存在有加重患者病情的可能,有時患者還需要循環的支持,因此,單純機械通氣治療效果尚不理想。體外膜肺氧合(Extracorporeal membrane oxygenation,ECMO)由于可以在不使用機械通氣情況下改善病人氧合,改善循環,在治療 ALI/ARDS方面可能有較大使用前景。本試驗在排出機械通氣干擾的情況下,初步探討使用 ECMO治療內毒素誘導大鼠急性肺損傷的可行性。

材料與方法

1 研究對象 健康成年 SD大鼠 30只,90～120d,體重 350～ 400g,由湖北醫藥學院動物實驗中心提供,隨機分為 3組:對照組、模型組 (LPS組)、體外膜肺氧合組(ECMO組),另備健康成年大鼠 10只,供ECMO組體外循環預充用。

2 主要儀器、試劑及藥品 動物體外循環機,實驗動物的血流動力學監測系統;動物實驗用的 ECMO耗材,手術器械;溫度計;水浴箱;脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)、水合氯醛、肝素。

3 麻醉與穿刺處理 將鹽酸戊乙奎醚注射液1mg和氟哌利多 5mg加入 100ml水合氯醛,麻醉時采用腹腔注射3ml/100g,麻醉后將大鼠固定于手術臺上,整個手術期間不實施機械通氣,保留自主呼吸,術中持續使用面罩給氧,流量為1L/min。迅速切開右側腹股溝和右側頸部,將右側股靜脈、右側頸內靜脈、右股動脈均置入 22G靜脈留置針,尾動脈置入 24G靜脈留置針做測壓用,穿刺好后用 20%肝素封管,LPS組和ECMO組從頸內靜脈注射內毒素5mg/kg,實驗中監測直腸溫度,使用水浴箱將各組大鼠體溫維持在 36.0±0.5℃。

4 體外循環管理 ECMO組在 LPS靜脈注射1h后開始轉流體外循環,轉流時間為2h。預充液:1ml 5%碳酸氫鈉、1ml 20%甘露醇,4ml膠體,8ml大鼠血液,轉流前靜脈注射肝素為4mg/kg,激活凝血時間 ACT≥480s開始轉流。采用(頸內靜脈+股靜脈)-股動脈轉流方式,尾動脈作測血壓和測量氧分壓用,流量 50～60ml/(kg? min),若引流量不足時在回流池內加用負壓引流,保持引流通暢。

5 觀察時間點 T0:LPS注射前;T1:LPS注射后 1h;T2:LPS注射后 2h;T3:LPS注射后 3h;T4:LPS注射后5h;ECMO組T1、T2、T3相應的就在體外循環開始前,體外循環1h,體外循環結束后。3組分別在5個時間點觀察大鼠的血壓、心率、呼吸頻率、抽血測量動脈血氧分壓(PO2)、二氧化碳分壓(PCO2)。 5h后處死大鼠,取肺組織稱重后放于 60℃的干燥箱,烘干 24h后再次稱重。

6 統計學處理 統計學分析采用 SPSS13.0,不同時點之間采用重復測量資料方差分析,組間同一時點的比較采用方差分析,對于方差分析結果有差異者,采用最小有意義極差法(LSD法)分析各組與對照組之間的比較,以P＜0.05為有顯著性差異,P＜0.01為有極顯著性差異。

結 果

1 存活情況 LPS組有 1只大鼠于氣管內出現紅色泡沫痰,在 LPS注射后3h左右死亡,其余均存活。

2 三組大鼠各時間點呼吸頻率和血氧分壓的改變 見表1。三組大鼠的血壓、呼吸頻率在LPS注射前無顯著性差異,LPS組和 ECMO組注射內毒素后均出現血壓逐漸下降,心率逐漸加快,與對照組相比,有顯著性差異 (P＜0.05),LPS組在 T2、T3、T4時刻血壓、心率與對照組、ECMO組相比有顯著性差異(P＜0.05)。

表1 三組大鼠各時間點血壓和心率的變化(x-±s)

3 呼吸頻率、PO2和 PCO2變化 見表2。3組大鼠的呼吸頻率、PO2、PCO2在 LPS注射前無顯著性差異,LPS組的呼吸頻率在LPS注射后T2、T3時刻與對照組和 ECMO組相比后明顯加快(P＜0.05);LPS組 PO2在 T2、T3、T4時刻下降明顯 ,PCO2在 T2、T3、T4時刻升高明顯,差異有統計學意義(P＜0.05)。

4 肺組織濕(干)質量比值 見表 3。模型組和ECMO組相比較肺組織濕(干)質量比值均增加,但是LPS組增加更明顯(P＜0.05)。

表2 三組大鼠各觀察時間點呼吸頻率、PO2和 PCO2變化(±s)

表2 三組大鼠各觀察時間點呼吸頻率、PO2和 PCO2變化(±s)

注:※與對照組比較,P＜0.05

測量指標 T0 T1 T2 T3 T4呼吸頻率(次/min)PO2(mmHg)PCO2(mmHg)對照組LPS組ECMO組對照組LPS組ECMO組對照組LPS組ECMO組75±8 79±6 83±11 85±9 86±8 88±10 44±4 43±4 44±5 83±12 85±13 90±14 83±6 79±7 80±8 42±6 45±3 47±4 81±13 92± 14※85±14 84±8 75± 12※130± 25※40±7 52± 6※37±6 79±11 105± 16※86±15 86±5 64± 15※105± 18※42±4 51± 7※38±5 81±9 107± 14※98± 13※84±9 66± 14※76±12 40±5 53± 5※46±6

表3 肺組織濕 /(干)質量比值(±s)

表3 肺組織濕 /(干)質量比值(±s)

注:※與對照組及 ECMO組比較,P＜0.05

組 別 LPSiv3h對照組 4.12±0.48 LPS組 5.62± 0.84※ECMO組 4.75± 0.69

討 論

ALI和 ARDS是指機體遭受嚴重感染、創傷、輻射、休克等打擊后,出現的以彌漫性肺泡毛細血管膜損傷為基礎的,以肺水腫和肺不張為病理特征的肺部炎癥和肺泡膜毛細血管通透性增加。脂多糖是內毒素的主要成分,存在于革蘭陰性菌細胞壁的外膜,在 ALI的實驗研究中常常使用 LPS作制作感染性肺損傷模型[3],內毒素導致 ALI的主要病理學特征是肺組織中炎性細胞浸潤和肺微血管損傷所致的肺水腫,炎性細胞因子的表達增加,氧自由基、蛋白水解酶等毒性物質造成肺血管內皮損傷和肺泡Ⅱ型細胞分泌表面活性物質減少,導致部分肺泡萎陷,通氣 (血流)比例失調,肺通氣、換氣功能嚴重下降,并出現呼吸窘迫和頑固的低氧血癥,如果治療不力會嚴重威脅生命[4]。

本實驗內毒素注射后模型組血壓下降、心率加快,與對照組和 ECMO組相比有顯著性差異,這可能是由于 LPS對心肌具有毒性作用[5],可以抑制大鼠的循環功能,經 ECMO循環支持后,ECMO組大鼠血壓和心率的改變沒有LPS組嚴重。PO2在LPS組于LPS注射后逐漸下降、PCO2升高、與其它兩組差異明顯,而經ECMO治療后,PO2升高、PCO2下降,在體外循環后T4時刻雖有惡化的趨勢,但與 LPS組相比,差異顯著,說明其有助于改善體外循環后肺的氣體交換。造成這種差異的原因:①體外循環轉流期間,ECMO同時充當了心泵和呼吸泵的作用,有助于維持循環和氧合的穩定,減輕了反射性呼吸和心率加快,有效避免了機體的缺氧;②體外循環轉流時,血液經大靜脈流向氧合器,流向心肺的血液減少,減輕了內毒素導致的心肺損傷,肺水腫減輕,氣體交換改善;③ ECMO有效避免了機械通氣所致肺損傷和機械通氣時高濃度氧所造成的肺損傷。大鼠經斷頭處死后,LPS組肺組織濕(干)比明顯高于對照組和ECMO組。說明LPS組肺水腫比較嚴重,經 ECMO治療有助于減輕 LPS誘導的急性肺水腫。

由于本實驗采用非機械通氣下的全流量體外循環轉流,初步排出了機械通氣對肺損傷的影響。經采用全流量轉流體外膜肺氧合代替肺臟的氧合作用,減輕由于低血氧導致的自主呼吸頻率加快、CO2蓄積和外周組織缺氧,減輕了肺水腫,有助于改善內毒素致肺損傷時的氣體交換。

[1]莊心良,曾因明,陳伯鑾.現代麻醉學 [M].第 3版.北京:人民衛生出版社,2006:2170-2171.

[2]Vlaar A P,Wolthuis E K,Hofstra J J,et al.Mechanical ventilation aggravatestransfusion-related acutelung injury induced by M HC-I class antibodies[J].Intensive Care Med,2010,36(5):879-887.

[3]Wang H M,Bodenstein M,Markstaller K.Overview of the pathology of three widely used animal models of acute lung injury[J].Eur Surg Res,2008,40(4):305-316.

[4]Pfeifer M.Acute respiratory insufficiency due to severe lung injury-ARDS and ALI[J].Pneumologie,2010,64(9):590-594.

[5]Chagnon F,Bentourkia M, Lecomte R,et al.Endotoxin-induced heart dysfunction in rats:assessment of myocardial perfusion and permeability and the role of fluid resuscitation[J].Crit Care M ed,2006,34(1):127-133.