氦-氧機械通氣在慢性阻塞性肺疾病急性加重期的作用

朱帥俊，陳冬梅，何鑫敏，翁欽永*

(1.福建醫科大學附屬協和醫院重癥醫學科，福建 福州 350001；2.福建醫科大學研究生院，福建 福州 350001)

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氦-氧機械通氣在慢性阻塞性肺疾病急性加重期的作用

朱帥俊1，陳冬梅1，何鑫敏2，翁欽永1*

(1.福建醫科大學附屬協和醫院重癥醫學科，福建 福州 350001；2.福建醫科大學研究生院，福建 福州 350001)

[摘要]目的探討氦-氧機械通氣對慢性阻塞性肺疾病急性加重期(acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease, AECOPD) 患者氣道峰壓(peak airway pressure,P peak)、二氧化碳分壓(partial pressure of carbon dioxide,PaCO2)、氧分壓(partial pressure of oxygen，PaO2)以及炎癥相關細胞因子白細胞介素8(interleukin 8 ，IL-8)和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)的作用。方法選擇AECOPD機械通氣患者60例，隨機分為試驗組和對照組各30例。所有患者采用改良后的密閉式呼吸機，試驗組行氦-氧機械通氣(60%氦∶40%氧)，對照組行氮-氧機械通氣(60%氮∶40%氧)，觀察2組治療前和治療后30、90、120 min患者P peak、PaO2、PaCO2的變化，并用酶聯免疫吸附測定法分別檢測2組4個時間點患者血清中IL-8和TNF-α的濃度。結果試驗組P peak和PaCO2在治療后30 min開始顯著降低(P<0.05)，隨后維持穩定，但對照組較治療前沒有明顯改善；試驗組PaO2在治療后30 min開始顯著升高(P<0.05)，隨后維持穩定，而對照組較治療前沒有明顯改善；試驗組IL-8和TNF-α在治療120 min后開始明顯下降(P<0.05)，而對照組始終沒有得到改善。結論氦-氧機械通氣能夠顯著降低AECOPD患者的氣道壓力，改善氧合，減少二氧化碳潴留，增加有效通氣量，而且治療達到一定時間后能降低炎癥相關細胞因子IL-8和TNF-α的濃度，對慢性氣道炎癥有一定的調節作用，同時改良后的呼吸機實現了氦氣的可循環利用，大大節約了治療成本。

[關鍵詞]肺疾病,慢性阻塞性；氦-氧機械通氣；細胞因子類

doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.05.007

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)患者一旦并發感染進入急性加重期, 呼吸困難顯著加重, 呼吸肌疲勞度明顯增加,二氧化碳分壓(partial pressure of carbon dioxide,PaCO2)可明顯增高, 部分患者在抗感染治療同時, 需氣管插管行有創機械通氣以挽救生命[1]。機械通氣作為治療呼吸衰竭的最后有效手段,卻多因采用正壓通氣方式, 很難避免機械通氣所致肺損傷。氦氣是一種小分子的惰性氣體，結構穩定，具有低密度、高運動黏性系數的特性，氦氣與氧氣混合形成的氦氧混合氣同樣具有這樣的特點[2]。自1935年氦氧混合氣應用臨床以來[3]，多項研究表明，氦氧混合氣具有減低氣流在氣道中的阻力、降低氣道壓、促進氧氣向肺泡彌散及二氧化碳(carbon dioxide，CO2)的排除、減少呼吸作功、減少并發癥等優點，能夠用于急性重癥哮喘、COPD、支氣管肺發育不全和上氣道阻塞性疾病的治療[4-5]，但目前國內相關研究多為動物實驗或小樣本臨床試驗。本研究通過改進呼吸機回路實現氦氣循環利用，以慢性阻塞性肺疾病急性加重期(acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease, AECOPD)患者為研究對象，觀察氦-氧機械通氣治療后患者氣道峰壓(peak airway pressure,P peak)、動脈血氧分壓(partial pressure of oxygen，PaO2)、PaCO2以及相關細胞因子的變化，旨在探討氦-氧機械通氣作為AECOPD患者常規治療手段的可行性。

1　資料與方法

1.1一般資料選擇2010年1月—2014年1月福建醫科大學附屬協和醫院重癥醫學科收治的因AECOPD行有創機械通氣患者60例。入選標準：①符合中華醫學會呼吸病學會指定的AECOPD的診斷規范；②需機械通氣治療；③呼吸機參數吸入氣中氧濃度分數(fraction of spiration O2,FiO2)維持在40%。排除標準：①呼吸機參數FiO2>40%或<40%；②血流動力學不穩定。隨機分為試驗組和對照組各30例。試驗組男性21例，女性9例， 年齡45～85歲，平均(63.0±12.8)歲，對照組男性21例，女性9例， 年齡47～82歲，平均(65.7±11.4)歲。 2組性別、年齡差異均無統計學意義(P>0.05),具有可比性。

所有患者均簽署知情同意書，本研究經醫院倫理委員會審批(2013004)。

1.2方法

1.2.1呼吸機準備通過改進麻醉機(drag，德國)呼吸回路，實現氦氣的循環利用。首先調節麻醉機空氣流量為零，氦氣接麻醉機一氧化二氮通路，改一氧化二氮通路為氦氣通路，在試驗開始前先予純氧通氣約2 h，并不斷把氦氣引入回路從而排盡呼吸回路內的氮氣，呼吸管路“Y”形口接氧濃度測量儀，通過不斷調整氦氣和氧氣的流量達到預設的氧濃度(40%)。

1.2.2呼吸參數設置容量控制模式：潮氣量為8 mL/kg；呼吸頻率為16 次/min；吸呼比為1∶2；FiO2為40%；呼吸末正壓通氣為 5 cmH2O；低壓報警為≤10 cmH2O；高壓報警為≥50 cmH2O。

1.3治療2組均采用常規藥物治療(包括抗生素、支氣管擴張劑、祛痰劑、糖皮質激素等)和機械通氣治療，待血流動力學穩定(未應用血管活性藥物且維持在基礎血壓)和呼吸機參數穩定后開始下一步的治療。試驗組將氮氧通氣換成氦氧通氣(60%氦∶40%氧，FiO2為40%)(純度>99.99%的氦來源于廣東省深圳空氣化工產品氣體有限公司)，對照組繼續氮氧通氣(60%氮∶40 %氧，FiO2為40%)，記錄所有患者治療前和治療后30、90、120 min 4個時間點的P peak，并抽取5 mL動脈血，其中1 mL用于血氣分析，4 mL及時離心取上清液，采用酶聯免疫吸附測定法檢測所有患者血清中白細胞介素8(interleukin 8 ，IL-8)和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)濃度，IL-8和TNF-α檢測試劑盒購于英國 Abcam 公司，均按照試劑盒說明書操作。

2　結　　果

試驗組P peak和PaCO2在治療后30 min開始降低，之后穩定維持，但對照組變化不大；試驗組的PaO2在治療后30 min開始升高，之后穩定維持，而對照組變化不大；試驗組的IL-8和TNF-α只在治療后120 min明顯下降，而對照組變化不大。 2組P peak、PaCO2和PaO2、IL-8和TNF-α在不同時點間、組間·時點間的交互作用差異均有統計學意義(P<0.01)。見表1。

表12組治療前后P peak、PaO2、PaCO2、TNF-α和IL-8比較

3　討　　論

氦氧混合氣是氦氣與氧氣按一定比例混合后制成的一種低密度氣體，首次應用于人類以來，至今已有70 多年的歷史，最早潛水行業利用其來預防減壓病的發生。隨著對氦氧混合氣研究的深入，發現它具有降低氣道阻力、減輕呼吸肌疲勞、促進氧合等優點，甚至還具有一定生物化學作用和細胞保護作用，有報道它能降低生物新陳代謝率，減少能量消耗[6]，減輕臟器缺血后炎癥反應[7-8]，減輕肺組織的炎癥滲出[9]，減輕生物體重要器官如心臟、大腦的缺血-再灌注損傷[10-11]，降低機械通氣使用率[12]等。但上述作用的具體機制尚不清楚。本研究創新性地實現了氦氣的循環利用，旨在研究氦-氧機械通氣對AECOPD患者P peak、PaO2、PaCO2以及細胞因子IL-8和TNF-α的影響，探討氦-氧機械通氣作為AECOPD常規治療手段的可行性。

AECOPD患者因長期氣道慢性炎癥，中小氣道變形、氣道重塑非常明顯, 加之分泌物較多而且黏稠，在進行傳統機械通氣治療時往往P peak較高，而高氣道阻力則會阻礙進行有效氧合和CO2的排出[13]。本研究結果顯示，AECOPD患者氦-氧機械通氣后各時間點P peak較對照組明顯降低，同時各時間點PaCO2較對照組明顯降低，PaO2較對照組也有較明顯的改善。氦-氧機械通氣之所以有上述效果，是因為氣道阻力除了受氣道內徑的影響外，還受吸入氣體的運動狀態的影響，而氦氧混合氣體具有低密度、雷諾系數小的特點，更傾向于層流運動，故在相同的氣道內徑情況下，吸入低密度氦氧混合氣體進行機械通氣與常規治療相比，在降低氣道壓力和氣道阻力方面具有顯著的優勢，從而改善氧合和促進CO2的排出。但AECOPD患者PaCO2、PaO2受到通氣/血流比、彌散功能以及分流等眾多因素影響，單靠氦氧混合氣低密度、低阻力的物理特性，無法很好地解釋氧合及CO2排出的改善。因此，推測氦氧混合氣可能進一步改善肺組織彈性，令肺組織能最大限度地回縮，從而使通氣/血流比失衡及彌散功能得到明顯改善，一定程度上改善氧合，減少CO2潴留。相關文獻亦有報道[14]。

IL-8主要由肺泡巨噬細胞、氣道上皮細胞、中性粒細胞、淋巴細胞等分泌, 參與聚集和活化中性粒細胞和T淋巴細胞, 調節免疫反應, 促進中性粒細胞的炎癥作用。TNF-α主要由單核細胞和巨噬細胞產生,可以強有力的激活中性粒細胞，刺激其分泌IL-8。有報道稱COPD患者的氣道炎癥與IL-8及TNF-α釋放增多有關,同時氣道炎癥的加重又會刺激IL-8及TNF-α釋放增加，造成惡性循環[15]。本研究結果顯示，AECOPD患者吸入氦氧混合氣后120 min IL-8和TNF-α濃度較對照組顯著降低，推測由于氦氧混合氣降低氣道壓力，減少氣壓傷，一定程度上減輕氣道炎癥，從而減少IL-8、TNF-α等細胞因子的產生；但在吸入氦氧混合氣后30 、90 min并沒有發現這種改變，這是由于細胞因子生成及代謝需要一定反應時限。本研究設計起初，由于安全性考慮僅設計至120 min，但并沒有觀察到任何不良反應，這為以后的研究可以設計出更長時間的安全性提供了經驗。

綜上所述，氦氧混合氣能降低AECOPD患者P peak、CO2潴留，改善氧合，減少損傷性細胞因子，減輕炎癥的負面效應，較普通氣體而言有其獨特的優勢,但因其制備困難, 價格昂貴，且具有高擴散性(能夠從大多數嚴格密封的容器中逸出)，導致其治療成本過高，無法在臨床中廣泛開展。本研究通過改進呼吸機的回路將其改造成密閉式，實現了氦氣的循環利用，將一桶150 L的高純度氦氣的使用時間由15 min延長到20 h，大大降低了氦氧混合氣的使用成本。因此，本研究為氦-氧機械通氣成為AECOPD常規治療手段提供了理論依據和技術支持。

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(本文編輯：許卓文)

[收稿日期]2015-05-15；[修回日期]2015-06-29

[基金項目]福建省科技廳社會發展重點項目(2010Y0026)

[作者簡介]朱帥俊(1980-)，男，河南郟縣人，福建醫科大學附 *通訊作者。E-mail：wqy1961@yahoo.cn

[中圖分類號]R563.9

[文獻標志碼]A

[文章編號]1007-3205(2016)05-0523-05

Effects of Helium-Oxygen Mechanical Ventilationin in patients with acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease

ZHU Shuai-jun1， CHEN Dong-mei1， HE Xin-min2， WONG Qin-yong1*

(1.Department of Intensive Care Unit, Fujian Medical University Union Hospital, Fuzhou 350001,China;2.Department of Graduate School , the Affiliated First Hospital of Fujian Medical University, Fuzhou 350001, China)

【Abstract】ObjectiveTo investigate the effect of helium-oxygen mechanical ventilation on peak airway pressure(P peak), partial pressure of carbon dioxide(PaCO2), partial pressure of oxygen(PaO2), Interleukin 8(IL-8) and tumor necrosis factor α(TNF-α) in patients with acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease(AECOPD). MethodsSixty cases of mechanical ventilation were selected and randomly divided into the experimental group and the control group，with 30 cases in each group. All patients were treated with modified closed ventilator. Experimental group was treated with helium-oxygen mechanical ventilation(60% helium vs 40% oxygen). Control group was treated with nitrogen-oxygen mechanical ventilation(60% nitrogen vs 40% oxygen), The changes of P peak, PaO2, PaCO2 were observed before treatment, 30 min, 90 min, 120 min after treatment. Enzyme linked immunosorbent assay were used to detect serum concentrations of IL-8 and TNF-α at four time points in 2 groups of patients. ResultsThe P peak and PaCO2 in experimental group were decreased significantly 30 min after treatment and then remained stability. But the control group did not improved significantly. The PaO2 in experimental group was increased significantly 30 min after treatment and then remained stability. But the control group did not improved significantly. The IL-8 and TNF-α in experimental group decreased significantly 120 min after treatment, while the control group did not improved significantly. ConclusionHelium-oxygen mechanical ventilation can significantly reduce AECOPD patients airway pressure, improve oxygenation and reduce carbon dioxide retention. When the treatment reaches a certain time, the helium oxygen mechanical ventilation can reduce concentrations of IL-8 and TNF-α, which has a certain regulating effect on chronic airway inflammation. At the same time, The improved ventilator can be achieved using the helium cycle, which greatly saves the cost of treatment.

[Key words]pulmonary disease, chronic obstructive； helium-oxygen mechanical ventilation; cytokines

屬協和醫院主治醫師，醫學碩士，從事危重癥診治研究。