体外膜氧合与免疫系统间相互作用的研究进展
体外膜氧合与免疫系统间相互作用的研究进展
体外膜氧合（ECMO）将血液引流到体外，在氧合器中进行氧合和二氧化碳清除，再回输回体内，为严重心肺功能衰竭的患者提供短期的呼吸和（或）循环支持，使心脏与肺脏得到休息，赢得恢复与治疗的时间［1］。近年来，ECMO的应用呈爆发式增长［2］，并在提高危重患者的生存率、支持复杂手术与器官移植等方面功不可没。但ECMO辅助相关并发症严重影响患者器官功能与预后，其中全身炎症反应综合征（SIRS）、感染、多器官功能障碍综合征（MODS）和血栓等发生率较高［3］，并与免疫反应密切相关。本文就ECMO与机体免疫系统间的相互作用进行综述，回顾ECMO辅助下免疫系统的失衡与代偿过程、与并发症的关系以及维持免疫系统平衡的治疗新进展，以期寻找维持免疫稳态的方法，改善患者预后。
一、ECMO与免疫系统失衡
ECMO将血液引流到体外后，机体免疫应答迅速发生，有多个系统参与其中。血液与非生物表面接触后可激活凝血系统与补体系统，通过活化凝血酶、激活血小板和释放多种细胞因子，造成免疫反应失衡［4］（图1）。
（一）凝血系统与补体系统
血液被引流到体外后，其中的纤维蛋白原能够立即吸附到无内皮细胞覆盖的ECMO管路表面，继而结合凝血因子、补体C3等成分，激活内源性凝血途径与补体系统［5］。纤维蛋白原的黏附是ECMO启动免疫反应的重要环节。研究表明，ECMO开始辅助后的24 h内血液中纤维蛋白原含量比对照组低30%左右［6］。
在内源性凝血过程中，凝血因子（F）-Ⅻ、激肽释放酶、缓激肽等迅速活化。其中激肽释放酶与缓激肽可促进一氧化氮（NO）、肿瘤坏死因子（TNF）-α和白细胞介素（IL）-10等的释放，诱导炎症反应［7］。此外，活化的凝血酶可刺激内皮细胞表达选择素-P、选择素-E、血小板活化因子（PAF），促进IL-1a、IL-6和IL-8等的产生［8］，增强中性粒细胞的黏附与活化［9］。
血液接触外源性异物后主要通过旁路途径激活补体系统［10］。研究显示，在ECMO辅助的新生儿患者中，C3a含量在1~2 h迅速增加，可持续至辅助后的2~3 d，并且体内比体外增加更明显，这说明补体系统的激活主要由血液接触非内皮表面诱发［9］。激活的补体（如C3a、C5a）有增加白细胞募集、提高血管通透性和诱导炎性分子释放的作用［11］。
（二）血小板
ECMO开始辅助后，肝素化、凝血与补体途径激活等均会使血小板活化。血小板通过释放炎症介质、与免疫细胞相互作用的方式参与固有免疫应答［12］。活化的血小板可脱颗粒，释放5-羟色胺、趋化因子和黏附分子，促进更多血小板活化，加剧炎症反应［12, 13］。血小板也可通过分泌sCD40L、产生血小板因子（PF）-4、表达主要组织相容性复合体（MHC）-Ⅰ等方式，刺激浆细胞样树突状细胞分泌细胞因子，辅助Th细胞分化，诱导CD8+T细胞参与适应性免疫应答。此外，血小板表达的CD40L和P-选择素可分别与内皮细胞表面CD40和中性粒细胞表达的P-选择素糖蛋白配体（PSGL）-1结合，从而促进单核细胞活化、中性粒细胞募集以及细胞因子的释放（如IL-1b、IL-8等）［14］。在心外科手术体外循环（CPB）的患者中能够观察到血小板与白细胞复合物的聚集。但相关研究发现ECMO患者接受二磷酸腺苷（ADP）等刺激后血小板白细胞聚合物减少［15］。这一发现可能表明血小板不能在ECMO辅助期间发挥全部的免疫功能，这与最近关于ECMO辅助期间血小板的数量显著下降并出现功能障碍的报道一致［16, 17］。
（三）免疫细胞
1.固有免疫细胞：在ECMO运转期间，中性粒细胞与单核细胞主要被补体激活，二者的数量在插管2 h内急剧下降［10，18］。中性粒细胞是ECMO运转期间炎症反应的主要参与者［19］。在ECMO辅助开始后30 min内，中性粒细胞的活性显著增强，并在最初的几小时达到高峰［9］。除补体途径外，活化的内皮细胞、凝血酶及释放出的细胞因子均可使中性粒细胞脱颗粒，释放细胞毒性酶、氧自由基等多种炎症介质，诱导炎症级联反应［19］。但在ECMO辅助3~4 h后，中性粒细胞的活化程度逐渐下降，且持续时间较长［20］，其原因需进一步研究。
ECMO辅助后，随着CD11b的表达增多，单核细胞活化增强［9］，其中经典型（CD14++CD16-）与中间型（CD14++CD16+）的数量增加尤为显著［21］。单核细胞也可通过分泌TNF-α、IL-1β、前列腺素-F2α等促进炎症反应；也可通过表达CD163，清除血红蛋白-结合珠蛋白复合物发挥抗炎作用［10］。然而在辅助期间，单核细胞的刺激性减弱，出现细胞功能障碍。例如，在用小分子蛋白F7检测单核细胞功能时，ECMO患者单核细胞的刺激性较对照组下降约30%［21］。单核细胞的功能障碍可能与细胞表面分子发生改变有关，如Toll样受体（TLR）-4、人类白细胞抗原（HLA）-DR和CD63等［22］。研究发现单核细胞的相关检测（单核细胞数量的恢复时间、中间型亚群数量、与单核细胞的活化状态）与患者预后存在相关性［21，23, 24］。去除血液中的白细胞曾被认为可减轻过度炎症反应的打击，但目前的研究显示，使用白细胞过滤器或直接使用去除白细胞的血液并不能降低SIRS的发生率［25］。
2.适应性免疫细胞：T和B淋巴细胞是适应性免疫系统的重要成员，具有免疫防御功能，能够提供长期的免疫保护，与患者的长期预后相关。研究发现，淋巴细胞数减少、撤机后淋巴细胞数目恢复障碍与死亡率升高相关［20］。例如，在辅助第3天，死亡患者中的调节性T细胞（Treg）较少，而具有免疫抑制效应的IL-10较多［20，26］。目前，ECMO辅助期间T淋巴细胞与B淋巴细胞的变化存在争议，且尚无较详细的淋巴细胞表型分析，仍然需要更多的研究来进一步阐述ECMO在适应性免疫反应中的作用［27］。
（四）细胞因子
ECMO运转期间，凝血、补体和固有免疫系统的激活可诱导大量细胞因子产生，如TNF-α、IL-1β、IL-2、IL-6、IL-8、IL-10、IL-18、和IL-22等［28］。这些细胞因子可进一步激活机体的免疫系统，产生更多的细胞因子，带来“细胞因子风暴”［10］，导致细胞损伤及器官功能障碍。目前，有关TNF-α、IL-6的相关研究较多。其中，TNF-α能够在辅助2 h内迅速增加，激活中性粒细胞以及内皮细胞、增加前列腺素与凝血酶的形成，在早期炎症反应中发挥重要作用［9］。研究发现，血浆TNF-α的迅速升高可能与补体激活肠黏膜肥大细胞脱颗粒相关［29］。
IL-6可在ECMO辅助4~6 h后持续升高，既能抑制炎症因子的表达，又能促进T、B淋巴细胞活化扩增，具有促炎与抗炎的双重作用［30, 31］。IL-6可能用于患者存活率的预测，有研究显示，在ECMO辅助2 d后，死亡患者的IL-6持续升高，而存活患者的IL-6趋近正常［9］。
目前，对于辅助期间去除细胞因子能否改善患者预后仍有争议。例如，CPB中细胞因子吸附剂的使用并未使IL-6等细胞因子显著减少，也未降低患者的死亡率［10，32, 33］。原因可能是细胞因子的作用仅为复杂的免疫反应中的一个方面，且细胞因子去除装置并未减少细胞因子的产生，并未从源头解决原发病与ECMO相关的免疫损害。因此，ECMO辅助期间细胞因子的作用以及清除细胞因子的益处仍需更充分的研究进一步阐明。
二、ECMO辅助期间免疫失衡的代偿
ECMO辅助期间的抗炎反应会在一定程度上代偿免疫系统的失衡。但过度的抗炎反应则会造成代偿性抗炎反应综合征（CARS），使患者抵抗力持续下降，感染风险增加，影响长期预后（图1）。
（一）免疫细胞与细胞因子的代偿
炎症反应相关细胞的功能下降以及具有免疫抑制功能细胞的产生可使机体代偿过度的炎症反应［4］。首先，ECMO辅助期间，中性粒细胞杀菌能力下降。研究发现，中性粒细胞表面C5a受体（与清除革兰阳性球菌密切相关）在辅助24 h内明显下降。此外，具有免疫抑制作用的未成熟中性粒细胞比例明显上升，这可能与血浆中粒细胞集落刺激因子（G-CSF）的增加有关［34, 35］。第二，静脉-动脉ECMO（VA-ECMO）可诱导骨髓来源抑制性细胞（MDSC）扩增。MDSC在免疫系统中发挥负向调控作用，能够抑制CD4+和CD8+T细胞的活化，促进T细胞凋亡［36］。并且，凋亡的淋巴细胞可进一步释放具有免疫抑制特性的损伤相关分子模式（DAMP）［35］。第三，树突状细胞及单核细胞上HLA-DR表达减少［22］。有研究在82例儿童患者中检测到，CPB运转72 h时单核细胞HLA-DR的表达降低了60%［37］。HLA-DR的减少与“免疫麻痹”现象相关，并可预测院内感染的发生［38］。第四，ECMO辅助期间，抗炎因子增多。例如，VA-ECMO辅助的心源性休克患者IL-10水平高于未进行辅助的患者［35］。IL-10可减弱巨噬细胞诱导T细胞增殖的能力，协同MDSC负向调控免疫反应。
（二）减少其他合并治疗对免疫稳态的影响
ECMO可改善通气与灌注，减少患者对其他生命支持设备的依赖，从而间接减轻炎症反应带来的损伤。ECMO通过氧合器在体外实现气体交换，从而允许呼吸机施行肺超保护性通气策略（UPLV）［39］。UPLV是一种在体外生命支持技术帮助下实施超低潮气量（潮气量<4 ml/kg）和平台压（<25 cmH2O，1 cmH2O=0.098 kPa）的通气策略。UPLV可减轻呼吸机相关的呼吸系统损伤（VILI），减轻全身炎症反应［40］。研究显示，ECMO支持下的近呼吸暂停通气策略（潮气量为零）相比非保护性的通气策略更能减轻肺损伤［41］。此外，急性呼吸窘迫综合征（ARDS）患者机械通气时的驱动压与许多炎症反应相关细胞因子（包括IL-1、IL-6和TNF-α等）的血浆浓度间存在线性关系，在静脉-静脉ECMO（VV-ECMO）辅助下的持续气道正压通气（CPAP）可降低VILI的风险［42］。但也有研究强调UPLV可能仅在肺顺应性极差、病情极重时改善生存率，且有造成高碳酸血症、肺动脉高压、膈肌萎缩的风险，因此应用该策略时仍需谨慎［43］。
三、ECMO相关免疫反应与其他并发症的关系
（一）感染
ECMO辅助期间多种免疫细胞（如中性粒细胞、单核细胞、T淋巴细胞）出现功能障碍，免疫抑制性细胞增多（如未成熟中性粒细胞、MDSC等），机体对病原体的免疫防御功能下降［35］。例如，VA-ECMO辅助的患者中性粒细胞C5a受体表达降低，影响了中性粒细胞杀伤金黄色葡萄球菌的能力［35］。病原体可通过呼吸道、插管、损伤的肠黏膜等途径入侵免疫功能紊乱的机体。发生感染后，促炎因子（如TNF-α、IL-6）可进一步增多，严重时可发展为SIRS［9］。
辅助期间院内感染的风险为3.5%~64%［44］，严重影响患者预后［45］。但在临床实践中，探寻感染的原因十分困难，ECMO的辅助、抗生素的使用、原发病的影响以及手术操作均会影响患者的免疫功能状态，需要更严谨的研究探寻ECMO在其中起到的作用。
（二）血栓形成
ECMO辅助期间，免疫系统可与凝血系统相互作用，调节血栓形成。首先，活化的白细胞与血小板能够使促进血栓形成的因子增多（如组织因子），加速血凝块形成［46］。此外，抗凝剂的应用（如肝素、阿加曲班）能够促进中性粒细胞对氧合器的黏附，诱导血栓形成［45］。活化的白细胞也可表达白细胞整合素，与内皮细胞细胞间黏附分子（ICAM）-1、血小板黏附分子相互作用，调节血栓形成［47］。
（三）缺血-再灌注损伤与多器官功能障碍
需要ECMO辅助的患者通常存在呼吸或循环功能衰竭，其器官可能存在不同程度的缺血与缺氧。此外，病原体侵入、免疫系统紊乱也可导致微循环障碍，使组织器官发生缺血性损伤。在ECMO辅助后，恢复的血流与供氧可使组织器官在短时间内产生大量自由基，引发钙超载，进一步加强炎症反应［10］。大量的炎症因子可引起细胞的肿胀及损伤，促使血栓形成，引起组织器官低灌注，诱发ARDS、SIRS、MODS等，提高死亡风险［9，48］。
四、维持ECMO辅助期间免疫系统平衡的方法
（一）减少血液与管路的直接接触
减少血液与无内皮细胞覆盖管路的直接接触可阻碍凝血及补体系统激活的炎症反应。目前，表面涂层技术在临床实践中得到广泛应用［11］。表面涂层技术主要分为三类：生物活性表面涂层、生物惰性表面涂层以及表面内皮化涂层［49］。
生物活性表面涂层材料包括肝素、NO、双嘧达莫-赖氨酸和C1-酯酶抑制剂等［50］。这些涂层具有隔离作用，减轻血小板、补体及凝血系统的激活，减少粒细胞的黏附聚集，并抑制血栓形成［11］。生物惰性表面涂层包括白蛋白、磷脂酰胆碱、聚环氧乙烷等［51］。其原理是在接触面形成亲水与疏水微区域，影响蛋白质的吸附，减少细胞与蛋白质间的相互作用，从而抑制炎症反应［49］。表面内皮化涂层是将细胞播种到管路表面，塑造内皮层，以实现血液和管路间良好的相容性［49］。但目前仍需相关研究探寻提高内皮细胞附着力、保持内皮细胞活性以及维持气体交换效率的方法［52］。此外，氧化钛、玉米胰蛋白酶抑制剂、水蛭素衍生物、纹理表面等技术也处于探索阶段［11］。
（二）调节机体免疫系统平衡状态
1.抑制炎症反应：首先，糖皮质激素具有强大的非特异性减轻炎症反应的作用。有研究显示，应用糖皮质激素能够使ECMO辅助心肌梗死及ARDS患者的炎症减轻，白细胞减少［12，53］，但目前糖皮质激素对ECMO辅助患者的预后或并发症的影响仍未明确。一项关于婴儿CPB的研究显示，应用甲泼尼龙并未显著降低患儿死亡率、减少并发症，反而增加了术后高血糖的风险［54］。因此，ECMO辅助期间糖皮质激素的运用可能不会带来想象中的积极作用。
2.抑制白细胞活化：NO具有抗炎、减弱白细胞活化与黏附的能力。在儿童心外科手术CPB中，将NO输注到管路可改善临床预后，并且重症监护病房住院时间缩短了近50%［55］。此外，特异性抑制白细胞表面分子［如CD11b/CD18、ICAM-1、淋巴细胞功能相关抗原（LFA）-1、E选择素及P选择素等］可减弱白细胞活化，减少其与内皮细胞的相互作用［20］。他汀类药物也被发现有抗炎作用，可与白细胞表面LFA-1结合，进而影响白细胞聚集与内皮细胞的活化［20］。此外，乌司他丁是抑制ECMO相关炎症反应的潜在药物。研究发现，乌司他丁能够激活Treg细胞，通过抑制核因子-κB（NF-κB）信号通路下调促炎因子表达（如TNF-α、IL-6），从而抑制CPB中的炎症反应［56］。
3.抑制凝血系统：目前使用的抗凝剂分为3种，即肝素类、萘莫司他、直接凝血酶抑制剂。目前，肝素应用最广泛［10］，通过增强抗凝血酶Ⅲ活性抑制补体系统与白细胞活化。萘莫司他是一种丝氨酸蛋白酶抑制剂，可抑制凝血酶、FⅩa、FⅫa和激肽系统等，起到抗炎作用［57］。直接凝血酶抑制剂（如比伐卢定、阿加曲班）可直接与凝血酶结合并抑制其活性。但抗凝剂在ECMO中应用情况（如用法用量、检测指标等）仍需研究进一步完善。FⅫa抑制剂是一种单克隆抗体，可在ECMO辅助期间延缓凝血系统激活，抑制中性粒细胞脱颗粒，并降低血栓形成的风险［58］。此外，针对C5的人单克隆抗体能够在CPB辅助期间显著抑制中性粒细胞活化［59］。
4.间充质干细胞（MSC）：MSC是具有自我更新能力的多功能成体干细胞［60］，具有免疫调节作用，能够减少免疫细胞的凋亡，并修复上皮细胞［61］。在ECMO辅助期间，MSC可根据机体的免疫功能状态，调节促炎与抗炎反应，减少器官损伤［62］。有研究发现，ECMO辅助期间MSC数量增加［63］；在CPB犬模型中，MSC与促炎因子减少、减轻肺损伤相关［64］。但MCS的使用时机及剂量，如何减少MSC在氧合器的黏附等问题仍需进一步探究［61］。
五、展望
以往研究普遍认为，ECMO是对危重患者免疫系统除原发病之外的二次打击，且以过度炎症反应为主。但随着认识的深入，目前认为，ECMO辅助与免疫系统的关系是动态且复杂的。机体各系统的参与、原发病的打击、血液与管路的接触、辅助期间的治疗方案均会影响免疫系统的功能状态。临床工作者可从抑制免疫反应的发生、发展及紊乱等方面出发，通过减少血液与管路的直接接触，阻碍凝血与补体系统的作用，抑制免疫细胞的过度激活，补充免疫调节剂等方式维持免疫系统的稳态［65］。
目前，ECMO与免疫系统间关系研究存在许多尚待解决的问题：（1）缺少免疫细胞的亚群分析。未来的研究应建立更全面的免疫谱库，寻找相关信号通路，进行干预治疗。（2）建立具有高度可比性的研究模型。ECMO的发展日新月异，较多以往研究中运用的管路与设备与当前设备已不具备可比性，使得研究结果不能相互印证与比较。（3）缺乏ECMO脱机后的相关数据。应重视患者的随访，关注脱机后免疫反应的强度与趋势，提高患者长期生存质量。
综上，本文综述了ECMO辅助下免疫系统的失衡，以及对免疫失衡的代偿，探讨了ECMO相关免疫反应与并发症的关系，进而总结了维持ECMO辅助期间免疫平衡的治疗方法新进展。未来研究人员应继续深入了解ECMO相关免疫反应的平衡及变化，以期寻找有效的治疗手段，改善患者预后。
引用：于欣睿, 李呈龙, 侯晓彤. 体外膜氧合与免疫系统间相互作用的研究进展[J]. 中华医学杂志, 2024, 104(13): 1080-1086.