脓毒性休克中心室动脉耦联的病理生理学意义

介绍

左心室（LV）射血期间心脏功能与动脉系统的相互作用被称为心室-动脉耦联（VAC），反映了全身心血管功能和效率。LV射血的目标是增加中央动脉压力，从而使下游器官能够根据其代谢需求自动调节血液灌注量。VAC关联的决定因素是复杂的，但可以通过逐拍VAC分析在床旁评估，并有助于定义心血管状态并预测治疗反应。类似的VAC也会出现在右心室（RV），但通常不具有临床相关性，因为肺动脉负荷较低。然而，如果肺动脉压力升高，RV VAC也会变得临床相关。

脓毒性休克是一种危及生命的状况，由宿主对感染的不受控制的炎症反应引起，导致急性心血管功能失调和严重的血流动力学障碍。感染性休克的主要特征是系统性动脉低血压，由于血管舒张，这本身会影响外周灌注，导致组织缺氧的供应不足，与总体血流量无关。相关的细胞内代谢紊乱导致了严重的微循环障碍和多器官功能障碍。

在这方面，脓毒性休克可以破坏心脏射出的每搏输出量与接收它的中央动脉血管之间的正常相互作用，导致心室-动脉失耦联。在脓毒性休克中，这种失耦联是血流动力学不稳定的病理过程的关键因素，也是心血管对特定治疗的反应性的主要决定因素。

本综述将重点关注脓毒性休克中左心室-动脉耦联的宏观生理方面，以及为什么旨在恢复心血管稳态的治疗会受到影响。

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什么是心室动脉耦联

心室-动脉耦联（VAC）是指心室泵血和随后动脉压力变化之间的动态相互作用。它反映了全身心血管功能和效率。因此，VAC描述了心室（左心室和右心室）在每个心脏周期中的收缩功能与动脉负荷之间的关系。由于疾病、时间或治疗的影响，VAC的变化可能与微循环血流和末梢器官功能的变化趋势无关，而这些变化在休克复苏过程中通常会影响所有的宏循环测量。左心室负责将含氧血液泵入系统循环，而右心室将去氧血联合的系统中，心室能够有效地匹配其泵血能力与动脉负荷，并产生相应的动脉压力，使得外周血流在整个血管系统中能够自动调节。健康的VAC可以产生最佳的心输出量、足够的外周器官灌注和高效的循环，而不平衡现象，即“失耦联”，可能会导致心脏功能受损和潜在的心血管衰竭。了解和维持VAC有助于评估心脏功能，并设计有效的治疗方案来处理各种心血管疾病。VAC可以通过在心脏周期中使用心室压力-容积关系并将相关的动脉压力与每搏输出量关系进行叠加来进行图形描述。

左心室收缩泵功能可以简单地用舒张末压力-容积关系（ESPVR）来进行量化，其斜率被称为舒张末弹性（Ees）（图1），它定义了最大的LV僵硬度或弹性在舒张末期。重要的是，无论动脉压力如何，ESPVR和Ees都与动脉压力无关，但精确的舒张末期容积以及单搏输出量对动脉压力高度依赖。如果对于相同的Ees，动脉压力增加，舒张末期容积也会成比例地增加。如果左心室收缩能力降低，表现为Ees减少，而收缩能力增加则会增加Ees。

图1，描述心室-动脉耦,联的压力/容积环路。Plv 左心室压力、Vlv 左心室容积、ESP 左心室收缩末期压力、ESV 左心室收缩末期容积、EDV 左心室舒张末期容积、Ea 动脉弹性、Ees 收缩末期弹性、VAC 心室-动脉耦合、LVeff 左心室效率、PVA 压力/容积面积、SW 搏出功、PE 势能、SV 搏出量。

类似地，动脉流出压力也可以描述为左心室每搏输出量与舒张末压力的关系（图1）。描述每搏输出量随动脉压力变化的线的斜率定义了动脉血管的僵硬度，是血管运动调节和大动脉血管壁的粘弹性特性的函数。类似于Ees，它被称为动脉弹性（Ea）。就像Ees一样，如果动脉张力减少，Ea会减少；如果动脉张力增加，Ea会增加。传统上，人们在左心室压力-容积关系中绘制Ea，以一条具有负斜率的直线开始，该直线从零压力和最大舒张末期容积开始，在舒张末期与左心室压力-容积环相交。

Ees/Ea比值定义了VAC（图1）。在正常情况下，正常的VAC值接近于1，范围在0.8到1.36之间。当VAC值超出这个范围时，就被定义为失耦联。选择性降低收缩能力（图2a）会导致舒张末动脉压力降低和舒张末容积增加，从而使每搏输出量减少。同样，选择性降低动脉血管运动调节张力（图2b）也会降低舒张末动脉压力，但舒张末容积会减少，导致每搏输出量增加。因此，对于相同的动脉压力降低，每搏输出量可以增加或减少，这取决于造成这种变化的主要原因，即心室收缩能力还是动脉张力。在严重脓毒症中，实际上既可以抑制动脉张力，也可以抑制心室收缩能力。然而，如果Ees和Ea之间存在明显的差异，就会发生失耦联，导致左心室射血效率下降。如果这种失耦联持续存在，就可能发生急性心力衰竭。重要的是，失耦联可能是由Ees、Ea或两者的变化引起的。

图2，Ees （A）或 Ea （B）的变化对每搏输出量的影响。P 左心室压力，V 左心室容积，ESP 左心室收缩末期压力，EDP 左心室舒张末期压力，ESV 左心室收缩末期容积，EDV 左心室舒张末期容积，Ea 动脉弹性，Ees 收缩末期弹性

在心血管系统受到疾病状态的影响，无论是直接还是间接受到治疗的影响，VAC常常发生改变。此外，正如下面将要讨论的，VAC估计对于定义脓毒性休克中心血管功能的病理生理改变，并指导治疗干预是非常有价值的。

将VAC的生理学应用于床边临床实践中

脓毒性休克患者对标准治疗的反应存在较大的异质性，这导致在不同患者之间有效应用标准化治疗变得困难。通过对VAC的分析，可以理解为什么对治疗的反应存在这种异质性的病理生理原因。为了说明这一点，我们下面描述了在脓毒性休克中经常遇到的三种主要临床情况：

a) 心肌抑制但心输出量（CO）保持正常

b) 低血压时对血管加压药物的不均一反应

c) 急性呼吸窘迫综合征（ARDS）中的肺动脉高压

心肌抑制但心输出量保持正常

在脓毒性休克患者中，心肌抑制经常会出现，尽管如果同时进行液体复苏，心输出量可能不会减少，因为感染引起的血管扩张会降低动脉压力。我们之前已经描述了危重病患者中VAC的生理学，并介绍了在脓毒性休克特定情境下改变的VAC在其中的作用。

在对一组脓毒性休克患者进行分析时，我们测量了多个时间间隔内的Ea和Ees，我们注意到大多数脓毒性休克患者在诊断感染性休克时存在心室-动脉失耦联，尽管与此同时伴随着动脉血管舒缩调节降低，但心肌收缩能力也有所减弱。

大多数临床医生认为心肌功能下降应该导致全身血流减少。然而，在分析感染时的VAC时，可以看到尽管Ees降低、左心室射血分数（LVEF）保持不变，但血流仍然能够维持。请记住，LVEF取决于收缩能力和动脉弹性。血管扩张剂会增加LVEF，而血管加压药会降低LVEF。这意味着在心肌抑制的感染性休克患者中，使用血管加压药或其他选择性增加动脉张力的药物，虽然可能改善血压，但可能会降低LVEF足以减少心输出量。事实上，用于感染中的一氧化氮合酶抑制剂统一表明，增加动脉压力与减少心输出量相关。此外，我们还记录到一些接受去甲肾上腺素治疗的低血压患者心输出量的减少。

在液体复苏后，脓毒性休克患者出现心肌抑制但心输出量保持正常的情况，很好地说明了通过测量VAC，我们可以了解治疗是否会产生血流动力学上的影响，超越床边监测显示的明显响应（例如心输出量保持正常）或非响应（持续低MAP）的宏观血流动力学数值。失耦联的生理状态意味着为了维持“正常值”的心输出量，心肌需要付出高能耗，这也解释了为什么尽管心输出量保持正常，仅仅通过液体输注血压经常无法达到推荐的目标阈值，同时指示对增加动脉弹性的药物要谨慎使用，因为在受损Ees情况下可能会恶化失耦联（参见图3）

图4，在 Ees 降低的情况下，血管舒张剂对收缩压和每搏容积的影响。P 左室压力、V 左室容积、ESP 左室收缩末压、EDP 左室舒张末压、ESV 左室收缩末容积、EDV 左室舒张末容积、Ea 动脉弹性、Ees 收缩末弹性、VAC 心室-动脉耦联、LVeff 左室效率、CO 心输出量、CI 心脏指数、NE 去甲肾上腺素。

其中一个患者的情况典型地描述了这种病理生理推断对临床治疗的影响。在这个案例中，尽管进行了液体复苏，并且心输出量保持正常，平均动脉压（MAP）仍<65 mmHg，我们给予去甲肾上腺素来恢复血压。然而，我们观察到血管加压药虽然提高了MAP，却进一步恶化了VAC，导致左心室收缩末期容积增加和每搏输出量减少，使得心血管系统效率低下，并未增加心输出量（参见图3）。

对血管加压药的不均一反应

目前推荐的方法是，在脓毒性休克诊断后的最初几个小时内，迅速对抗感染对血流的影响，及时恢复足够的血流和灌注压。这包括通过使用晶体液进行初始容量扩充（VE），以达到至少65 mmHg的平均动脉压（MAP）。如果初始治疗无法恢复MAP，临床医生可以使用血管加压药物，并随后使用正性肌力药来实现这个目标。

这种标准化的心血管稳定方法在大多数患者中能够实现恢复平均动脉压的目标，但并非所有患者都能如此。以往报道的容量扩充成功率约为60％，我们也报告了这种方法并不适用于所有案例，并强调了平均动脉压的不均一反应。

从生理学角度来看，液体复苏增加了循环血容量，从而增加了平均体循环压（Pms），这是驱动静脉回流并允许心输出量增加的上游压力。然而，要使Pms增加以增加心输出量，右心室需要具有容量反应性，表现为右心房压力（Pra）到Pms梯度的增加，因为仅当该梯度增加、静脉回流阻力减少或两者兼而有之时，静脉回流才能增加。最后，在对液体有反应的脓毒性休克患者中，为了使MAP与心输出量的增加呈平行关系，动脉张力必须足够，以实现Ea所量化的流量增加所带来的压力增加。尽管这种生理学方法具备强大的合理性，但目前仍不清楚这些过程在个别低血压感染患者中如何发挥作用，以及为什么有时对血管加压药的反应会令人失望。

我们在之前的一项临床研究中发现，NE 可以增加大多数低血压脓毒症患者的 Ea 和 MAP，但并不能使大多数患者的 MAP > 65 mmHg，而且还会诱导心室-动脉失耦联，使其达到复苏前的水平。这种左心室射血效率的下降如果持续，可能会损害左心室的功能。这些数据支持临床发现，脓毒性休克患者持续使用血管加压药 > 6 小时以维持血压 > 75 mmHg 与死亡率增加有关。我们观察到，只有 Ees 较高且 VAC 恢复正常的患者才会在输注 NE 期间增加 CO，这可能是因为他们能够耐受增加的后负荷。

当多巴酚丁胺被加入到容量扩充和去甲肾上腺素治疗中时，它恢复了正常的心室-动脉耦联（VAC）和心输出量（CO），这表明在脓毒性心肌病患者中，正性肌力支持可能改善收缩力。

这些观察结果支持在感染性休克患者中在床边监测心室-动脉耦联（VAC）的概念，以个体化治疗并评估治疗反应。我们最近提出了一种结构化方法，将VAC测量和血流动力学监测纳入其中，以更好地指导治疗决策（FIG BEAT修改版。基于弹性值及其比率，可以将治疗重点放在容量方面或血管加压药和正性肌力药物方面。此外，在实现血流动力学稳定后仍表现出持续心动过速的感染患者中，通过评估VAC可以帮助确定是否适当引入β受体阻滞剂以降低心率并提高心肌效能。具体而言，如果证据显示存在保留的Ees和增加的Ea（图4），则支持给予β受体阻滞剂的决策，而不会带来负面的血流动力学后果。

心室-动脉耦联引导的血流动力学治疗。Ees 心室弹性，EA 动脉弹性，VAC 心室-动脉耦联。

ARDS 和脓毒症中的肺动脉高压

在脓毒性休克合并急性呼吸窘迫综合征（ARDS）的情况下，肺动脉高压（PulHPT）和右心室（RV）功能异常可能产生重要的影响。约有6-7%的感染性休克患者会发生ARDS，无论是因为原发性肺部病变（如肺炎、误吸）或继发性病变（如腹膜炎、胰腺炎）。在脓毒性休克期间，机体对感染的反应会引发广泛的炎症，并导致ARDS的发展，其特点是严重的呼吸衰竭。尽管大多数临床医生关注ARDS对气体交换和肺顺应性的影响，但肺动脉阻力（Ea）也可能增加，特别是在接受机械通气和较高水平的呼气末正压时。无论原发疾病是什么，全身性炎症都可能损害肺血管系统，导致肺血管阻力增加和肺动脉压力升高，进而发展成肺动脉高压。随着PulHPT的恶化，右心室面临增加的后负荷。这种增加的负荷可能导致右心室功能障碍，影响心脏有效地泵血和维持心排出量的能力。

在脓毒性休克和ARDS的并发症中，肺动脉高压的发展导致右侧心室-动脉耦合（VAC）紊乱，从而产生以下病理生理情况：

肺动脉高压导致右心室（RV）的后负荷增加。在感染性休克合并ARDS和肺动脉高压的情况下，由于肺动脉阻抗（Ea）增加和右心室舒张末压（Ees）降低，导致RV心室-动脉失耦联。因此，右心室产生压力和维持心输出量的能力受到限制。随着RV工作负荷的进一步增加，其收缩功能可能受损，进一步降低了RV每搏出量和心输出量，同时增加了右房压力。这种静脉淤血进一步影响器官的血液流动。

总体而言，肺动脉高压和脓毒性休克合并ARDS中的右心室功能障碍对心血管功能产生重要影响。监测和管理这些患者的血流动力学状态是关键，以优化心室性能，并保持全身足够的血液流动。干预措施可能包括使用血管加压药物以维持右心冠状动脉血流、正性肌力药物，以及旨在降低肺血管阻力以改善心室-动脉相互作用和整体心脏功能的治疗方法。

如何在床边测量 VAC

由于心室-动脉耦联（VAC）的定义是指肺动脉阻力（Ea）与左心室（LV）收缩末弹性特性（Ees）之比，所以使用的工具必须能够测量Ea和Ees。

侵入性的心室导管插管可以进行压力/容积环分析，这一方法最初由Suga和Sugawa等人证明，可用于估计收缩末压-容积关系（ESPVR）和左心室收缩末弹性特性（Ees）。然而，这种方法在临床重症监护中并不实用。

陈等人提出的改进的单搏法可以用来估计左心室收缩末弹性特性（Ees）。这是目前最准确和经过验证的方法来估计Ees。这种非侵入性方法利用超声心动图从左心室舒张末面积和收缩末面积以及收缩期和舒张期动脉压力测量来估计Ees。虽然陈等人的方法被认为是非侵入性评估心室-动脉耦联的临床参考标准，但也有其他非侵入性方法可用于估计Ees，例如基于舒张末期容积和收缩末期容积的方法。然而，这些替代方法可能不能充分替代陈等人的方法，用于评估治疗干预引起的心室-动脉耦联变化。

为了方便床边计算Ees，我们开发了一个名为“iElastance”的移动应用程序（图5），可在网上免费使用。该应用程序使用陈等人的方法来计算心室-动脉耦联（VAC）。该应用程序利用超声心动图测量值（每搏量、射血分数、总射血时间和射血前期时间）和血流动力学参数（舒张压和收缩压）来计算 Ea、Ees 以及随后的 VAC。

iElastance 应用程序。操作员插入血压、每搏量、射血分数和射血时间后，可立即显示 Ea、Ees 和 VAC。右侧面板的超声图像显示了如何测量左心室射血分数（EF）和检测收缩期射血时间。文中定义的缩写词

该应用程序易于使用，可通过专注的超声心动图检查快速进行床边VAC评估。虽然该应用程序不能替代临床评估和判断，但在初次治疗干预未达到预期效果的危重患者中，它可能会有所帮助。在最近的文献中，已经报道了iElastance应用程序易于测量并具有临床影响力的结果。

在脓毒性休克患者中测量右心室与动脉系统之间的耦联也是至关重要的，这有助于了解右心室功能及其与肺循环的相互作用，特别是考虑到上述描述的病理生理情况。

与左心类似，有创心室和肺动脉导管检查可进行压力/容积路分析。不过，也有一些无创方法可用于评估右侧心脏，其中大部分都是基于超声心动图。虽然有几种方法可通过肺动脉压力轨迹无创测量肺动脉 Ea，并通过超声心动图评估心室容积来测量 RV 的 Ees，但最有效的右心 VAC 测量方法是三尖瓣环平面收缩期位移（TAPSE）与肺动脉压力（PAPs）的比值。与其他测量方法不同的是，该测量方法可在重症脓毒症患者床旁通过超声心动图快速获得，而无需进行右心室容积测量。

结论

脓毒性休克患者对时间和治疗的反应存在显著的变异性，这在尝试应用标准化干预方案时带来了挑战。这些患者固有的VAC状态的变化会影响Ees、Ea或两者，因此床边临床医生需要进一步了解导致血流动力学不稳定的机制，并在复杂患者中进行VAC测量。非侵入性超声心动图评估VAC已被证明是评估人类脓毒性休克中导致血流动力学损伤的内在因素以及监测治疗干预效果的有价值工具（表1）。

鉴于脓毒性休克患者往往存在心血管储备功能受损，基于容量反应性和心脏动脉耦联的个体化治疗方法可能对从严重脓毒症中实现有效和高效的复苏至关重要。将床边评估的肺动脉阻抗（Ea）和左心室收缩末弹性特性（Ees）与液体反应性的动态指标结合起来，提供了一种多模态的方法，增强了我们对病理生理学的理解，并应指导针对脓毒性休克中的严重血流动力学不稳定的个体化管理。

来源：Pinsky. Pathophysiological implications of ventriculoarterial coupling in septic shock. ICMx 2023;11:87.https://doi.org/10.1186/s40635-023-00573-9.斌哥话重症

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