新型白细胞去除滤器在体外循环中的应用

原创于 2025-10-15 00:18:32 发布 · 905 阅读

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#白细胞去除 #体外循环 #炎症反应 #滤器 #器官保护

新型白细胞去除滤器在体外循环中的潜力

体外循环下接受心脏手术患者的全身炎症反应和器官损伤

体外心肺支持（如体外循环（CPB））有助于在心脏手术期间为重要器官提供充足的氧气供应和血流 [1–4]。然而，CPB会引发炎症，可能导致全身炎症反应综合征（SIRS）（图1）。事实上，血液接触非内皮化的人工表面（如体外循环管路、氧合器、热交换器）以及接触空气，加上低体温、高度血液稀释、非生理性血流（连续泵血流）和空气及固体栓塞等因素，均可引起白细胞活化、细胞因子风暴和全身炎症反应综合征（SIRS）[5,6]。白细胞（尤其是中性粒细胞）的活化是这一炎症过程的重要组成部分 [7–9]，并直接导致术后并发症的发生，包括肾功能障碍 [10,11]、呼吸衰竭 [12] 和凝血功能障碍 [13]。白细胞活化会导致大量促炎介质释放，例如白细胞介素、肿瘤坏死因子和内毒素 [14]，这些物质均可激活单核细胞，促进组织因子表面表达增加。这种炎症反应可能参与术后并发症的发展，包括心肌功能障碍、呼吸衰竭、肾功能障碍和神经功能障碍、出血性疾病、肝功能异常，最终可能导致多器官功能衰竭。

急性肾损伤（AKI）发生在5%的住院患者中[10]，而在5–30%接受心脏手术的患者中会发生急性肾损伤，其中死亡率为1–5%[10,11]。此外，急性肾损伤是接受心脏手术的患者短期、中期和长期死亡率的独立预测因素[15, 16]。约有1–8%发生术后急性肾损伤的患者需要术后肾脏替代治疗，而接受肾脏替代治疗的该类患者院内死亡率增加（20–24%）[17, 18]。

此外，体外循环通过诱导全身炎症反应影响肺功能，其中活化的中性粒细胞在缺血再灌注损伤的发生中起着重要的致病作用[12]。在体外循环期间，由于静脉血回流经由体外循环回路，肺部相对处于缺血状态。有实验证据表明，在体外循环期间支气管动脉的血流不足以防止肺缺血[19]。中性粒细胞在体外循环期间被激活，并在主动脉阻断钳解除后肺再灌注的早期阶段黏附于肺血管内皮[12,20]。活化的白细胞释放毒性物质，可导致肺损伤，引起呼吸气体交换障碍和动脉氧合降低[20]。

此外，主动脉阻断解除后的心肌再灌注会产生巨大应激，可能激活白细胞。这主要基于白细胞数量/活性与术后心房颤动发生率之间的关联；术后白细胞计数较高的患者发生术后心房颤动的可能性显著增加[21–24]，而发生术后心房颤动的患者往往表现出更明显的单核细胞活化，表现为CD11b表达升高[25]。此外，术前和冠状动脉旁路移植术（CABG）患者术后中性粒细胞/淋巴细胞比值升高与术后心房颤动发生率增加相关[26]。

此外，体外循环心脏手术会导致活性氧产生（氧化应激）和凝血功能障碍。最终，这些现象可能导致多器官功能衰竭和不良结局。

体外循环会引起多种并发症，而白细胞（尤其是中性粒细胞和单核细胞）的激活会导致接受体外循环心脏手术的患者预后更差。

一项关于随机对照试验（RCTs）[27]的系统性综述分析了用于减少体外循环相关并发症的抗炎策略。该分析表明，白细胞滤器应用[28–31]、糖皮质激素给药[32–34]以及微型体外循环回路（MECC）[35–37]可调节炎症反应。

本文旨在回顾有关新型白细胞去除滤器在接受体外循环患者中的临床潜力的数据。

白细胞去除滤器：结构、技术和方法

1928年，病理学家弗莱明首次使用棉绒塞作为过滤器，从血液中去除白细胞。该过滤器利用过滤压力来清除白细胞[38]。1961年，斯旺克在研究小血管模型中的血液黏度时，偶然做出了一项重要观察——血管。他的观察结果成为输血相关过滤技术快速发展的里程碑，因为它证明了白细胞去除的重要性。他使用了一种微滤器，需要很高的压力才能将储存于酸性柠檬酸葡萄糖中2至10天的血液压过滤器。对过滤器进行显微镜检查发现，许多孔隙被碎片以及血小板和白细胞的聚集体堵塞[39]。随后，斯旺克将陈旧血液先通过玻璃棉过滤器处理，发现经过该步骤后，将血液压过微滤器所需的压力与新鲜血液相似。他的第二个观察结果是，经离心去除白细胞和血小板后的血浆，即使储存10天，也不需要高压即可顺利通过微滤器。

相比之下，含有白细胞和血小板的血浆在储存10天后表现出与全血相同的过滤困难。基于这些发现，血库扩展了其过滤程序，并开始开发白细胞耗竭过滤器[39,40]。

白细胞去除过滤器结构可分为两种类型。第一种依靠多孔泡沫进行白细胞去除，而第二种则使用纤维结构来去除白细胞。多孔泡沫在去除白细胞方面的效能与多孔材料的厚度以及白细胞减少率呈线性关系。研究者还发现，不同血细胞的变形性可能在其被截留以及随后从泡沫中的捕获位点清除过程中起重要作用。这表明，白细胞与红细胞之间变形性的差异可能是多孔材料实现白细胞选择性去除的主要原因。

有趣的是，这种过滤器的效率随着血液温度的降低而增加，这进一步支持了细胞变形性在此类过滤器白细胞耗竭过程中起主要作用的观点。当添加叠氮化钠以抑制白细胞代谢时，白细胞去除率增加，表明在此类过滤器中白细胞表现为非生物颗粒[42]。

带纤维的过滤器中白细胞去除的机制也与无纺布的厚度呈线性关系。在保持纤维腔室相同填充密度的同时，改变过滤器内含的平均纤维直径，可以改变白细胞去除的程度。当平均纤维直径从1.7减小到1.2 μm时，白细胞耗竭量增加了一倍[43]。由于两种无纺布使用了相同的填充密度，因此在单位体积内，直径为1.2 μm的纤维长度是直径为1.7 μm的纤维长度的两倍。这种尺寸减小导致两根或更多纤维相互接触的点数量大幅增加，而这些交叉点是白细胞吸附的主要位点。当通过添加叠氮化钠减弱白细胞代谢时，白细胞清除率也随之降低，这表明在使用纤维进行白细胞耗竭时存在主动细胞粘附的成分。

白细胞去除滤器首次应用于体外循环是在1991年。图2展示了体外循环期间的白细胞去除情况。首个用于体外循环管路的白细胞耗竭型动脉管路滤器由Pall生物医学产品公司（纽约州东山）研制，该过滤器称为帕尔LeukoGuard‐6（LG6）动脉血滤器，已有许多研究对该过滤器在体外循环期间的白细胞耗竭能力及其在改善预后方面的有效性进行了评估。Pall LeukoGuard‐6 过滤器由一个40 微米级聚酯筛网、透明的表面改性聚碳酸酯外壳以及一个白细胞减少型聚酯滤芯 [44, 45] 组成。该过滤器提供三级气体分离系统，在流速高达6 L/min时可实现自动排气 [44,45]。预充体积为220 ml，当体外循环泵流速为6 L/min时，过滤器的压降约为50 毫米汞柱 [44,45]。随后，Pall 生物医学产品公司开发了首款白细胞减少型血液停跳液过滤器：Pall LeukoGuard BC 过滤器。与 LeukoGuard‐6类似，该过滤器包含一个40 微米级筛网，能够捕获气态和颗粒状微栓子，并设有非织造聚酯层以减少循环白细胞 [44, 46]。该过滤器设计用于最高达500 mL/min的流速，其白细胞减少能力取决于输送给患者的停跳液容量以及停跳液给药条件 [44, 46]。

目前，新一代过滤器（Pall RC400）已上市，该过滤器结合了快速流动和优异的白细胞清除率（约100%），适用于输血。在体外循环手术期间，白细胞去除率操作为 96.8% [47]。然而，体外循环动脉管路过滤器的白细胞清除率尚未确定。

这些过滤器从血液中去除循环白细胞的主要机制是黏附 [40,44]。过滤材料上的范德华力和静电作用力吸引带负电荷的白细胞，导致它们黏附在过滤器上 [40,44]。可能影响黏附效率的因素包括过滤材料、表面电荷以及滤器的亲水性 [40,44]。

在接受心脏手术的患者中，使用白细胞去除滤器可通过减少内皮细胞活化及随后的中性粒细胞跨膜迁移，减轻体外循环诱导的炎症反应中的内皮介导组分[48]。此外，在临床研究中，白细胞去除滤器对主要器官也具有实际影响。

一些研究已探讨了白细胞去除对肾功能的影响。唐等人对40名术前肾功能正常的冠状动脉旁路移植术患者进行了一项关于白细胞滤器的前瞻性随机研究。通过尿微量白蛋白排泄和视黄醇结合蛋白与肌酐的比值来评估肾小球和肾小管损伤，使用过滤器后该值显著降低。这些指标在术后第一天达到峰值，并在研究结束时恢复至基线值。在研究微量白蛋白/肌酐比值时也观察到类似结果。研究人员得出结论：体外循环期间白细胞去除可提供肾脏保护作用。一项采用猪模型离体肾脏灌注的研究显示，白细胞去除可通过减少髓过氧化物酶细胞的浸润，从而降低细胞凋亡、caspase‐3活性以及白细胞介素（IL）‐激活，进而改善缺血后肾功能和结构。

在亚历克西乌等人的一项研究中，评估了接受冠状动脉血运重建手术的患者在体外循环期间和之后的肺部炎症和呼吸指数[51]。他们发现，与对照组相比，白细胞过滤组的总白细胞计数显著降低。此外，在各个时间点，活化白细胞计数也显著较低。在白细胞过滤组中。对照组在体外循环后肺泡呼出一氧化氮（NO）生成率（NO是肺部炎症的有用标志物）显著升高[51]。呼吸指数（肺泡‐动脉氧合指数：AaOI）在两组中均升高，但白细胞过滤组的该值显著低于对照组。两组间插管持续时间、重症监护室（ICU）住院时间和住院时间无显著差异[51]。Rubino等人报道，白细胞减少患者术后 PaO2/FiO2更高，且对术后无创通气的需求更低。此外，白细胞减少患者术后促炎性细胞因子（IL‐6，IL‐8）的释放较低[52]。陈等人报道，对照组在体外循环期间及术后血浆中P‐选择素、细胞间粘附分子（ICAM）‐1、白细胞介素‐8、血小板内皮细胞粘附分子（PECAM）‐1和丙二醛（MDA）水平显著升高。有趣的是，与对照组相比，白细胞过滤组血浆中P‐选择素、ICAM‐1、IL‐8、PECAM‐1和MDA水平显著降低，且肺功能得到更好的保护[48]。

白细胞耗竭还可能影响接受心脏手术且术前肺功能正常的患者肺泡呼出一氧化氮的生成速率[53,54]。事实上，在体外循环后，白细胞过滤组和对照组的呼出一氧化氮生成速率均有所增加，但白细胞过滤组的一氧化氮生成速率显著较低[53,54]。这两项研究均得出结论：白细胞耗竭在降低体外循环后肺泡呼出一氧化氮生成速率方面是有效的，这意味着白细胞耗竭引起的NO生成减少对肺部具有保护作用。

对于慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者，早期再灌注时进行全身性白细胞去除与更好的氧合、更短的插管时间以及更短的重症监护室和住院时间相关。体外循环期间进行白细胞过滤最有可能通过减轻肺再灌注损伤来保护肺功能 [55]。同样，谢泼德等人研究了白细胞耗竭在伴有轻度肺功能障碍并接受冠状动脉血运重建手术的患者中的有效性 [56]。他们发现，与对照组相比，白细胞耗竭组术后肺泡‐动脉氧梯度指数（AaOI）显著改善 [56]。此外，与对照组相比，白细胞耗竭组的术后机械通气时间和血管外肺水积聚量均减少 [56]。这些数据表明，使用白细胞去除滤器可改善肺功能。

在主体外循环回路中使用白细胞去除滤器，同时结合输血滤器用于从心脏停搏液中去除白细胞，可能有益处[44, 46]。血液心脏停搏液目前广泛用于心脏手术缺血期间的心肌保护。与晶体液相比，血液心脏停搏液因其具有更多的生理特性，在氧输送方面通常被认为能提供更优越的心肌保护，但白细胞和血小板的存在可能导致再灌注损伤和毛细血管堵塞。

多项动物研究表明，对血液心脏停搏液进行白细胞耗竭可减少心肌损伤程度，并改善心脏功能。在一项使用离体犬心的研究中，白细胞减少的心脏停搏液组显示出可募集的每搏功和心输出量显著增加，即使在低温保存24小时后，白细胞减少组的心脏功能恢复也更好[57]。一些使用离体羔羊和猪心脏的研究也表明，白细胞减少组的心肌机械功能和内皮功能的恢复更佳[58,59]。

尽管已有若干研究探讨了在临床实践中将白细胞去除滤器用于心脏停搏液的效果，但相关研究仍较少，且缺乏充分证据。

使用白细胞去除滤器也具有成本效益。接受体外循环期间白细胞去除的低风险患者，其住院时间减少了1天，平均住院费用降低了2000至6000美元[60]。

然而，白细胞过滤也可能产生负面效应。一些关于白细胞去除的研究表明，在体外循环期间使用或不使用白细胞去除滤器时，白细胞计数差异不大。即使白细胞去除滤器在清除白细胞方面有效，其可能的缺点也包括因白细胞（特别是中性粒细胞）被清除而导致感染易感性增加[28]。两项研究报告称，在体外循环期间进行白细胞耗竭并未改变医院结局[29,30]。此外，白细胞去除滤器可能因继发性血小板减少症而增加出血风险 [29, 31]。随后提出了总白细胞控制（TLC）的概念，即在动脉管路滤器、静脉管路滤器、心脏停搏液滤器、输血滤器和回收滤器中均进行白细胞去除[61]。然而，根据萨拉蒙森发表的一项研究，白细胞滤过组与非白细胞滤过组在术后住院时间（主要结局指标）、ICU住院时间或死亡率方面均无显著差异。白细胞去除滤器可在体外循环期间截留白细胞，但“活化的白细胞”仍可能释放炎症因子进入循环血液。换句话说，传统的白细胞去除滤器很可能无法捕获“有害白细胞”。这是许多研究中临床结果与白细胞去除滤器之间没有差异的原因之一。

由于不同研究之间的滤器类型、方法、数据分析以及患者状况各不相同，因此很难对白细胞滤器的有效性得出明确的结论。例如，在这些临床研究中，整个或部分体外循环期间使用了动脉管路过滤 [28–31]。手术过程中过滤的时机和持续时间以及所用滤器的类型都可能导致滤器效能的差异。与从体外循环开始时即启动的体外循环管路过滤类似，白细胞去除滤器可能通过血液与体外循环系统中异物材料接触的首过效应捕获活化的白细胞。这种策略是动脉管路（主体外循环回路）白细胞去除滤器的一个明显优势 [60, 62]。

然而，由于动脉管路滤器在体外循环灌注的整个期间均被使用，观察到滤器容量饱和以及降低循环白细胞的效率较低 [63,64]。在这种普遍的白细胞耗竭时机策略（体外循环灌注全程）下，滤器容量在再灌注期之前就已经耗尽（图2）。需要进一步的临床研究来探讨这些问题的重要性。

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专家评论

这些过滤器从血液中去除循环白细胞的主要机制是黏附[40]。过滤器材料上的范德华力和静电作用力吸引带负电荷的白细胞，导致它们黏附到过滤器[40]。影响黏附效率的因素包括过滤材料、过滤器的表面电荷和亲水性[40]。

另一种白细胞去除的潜在策略是通过巨噬细胞的吞噬作用。通过这种方法，将能够选择性去除活化的白细胞（中性粒细胞和单核细胞）。

一种新型滤器已经研发出来，该滤器能够最大限度地减少具有天然免疫功能的淋巴细胞的去除，同时提高对炎症激活的细胞（如粒细胞或单核细胞）选择性去除的效率[65]。这种新型滤器采用低密度三层结构，中间夹有衬布，两侧为无纺布，以抑制水平方向的拉伸。这种三层结构的吸附剂在白细胞分离术过程中有望将具有免疫记忆功能的淋巴细胞的去除降至最低，同时提高对因体内炎症等事件而被激活的粒细胞或单核细胞等细胞的选择性去除效率，从而提升白细胞分离术的选择性[65]。在一项使用脂多糖（LPS）诱导炎症（制造阳性炎症）的试验中，白细胞去除率为：中性粒细胞（61.2± 12.7%）、单核细胞（61.2± 12.7%）和淋巴细胞（7.8±3.3%）[63]。一种用于体外败血症治疗的新型滤器（LEUKOCARE®，莱科卡瑞公司，德国慕尼黑）已经开发出来。该滤器可通过白细胞抑制模块（LIM）技术抑制白细胞活性。LIM技术基于通过体外治疗调节免疫系统的想法而开发。一项针对150名患者（接受体外循环心脏手术的患者）的前瞻性、随机、对照临床试验已经证明LIM技术[66]的安全性和效能。

活化的白细胞导致活性氧产生。与体外循环相关的缺血‐再灌注损伤还涉及活性氧（ROS）、可溶性花生四烯酸代谢物和内皮肽的释放，以及体液放大系统和细胞因子的激活。在分子水平上，体外循环会导致所有这些介质的显著增加。此外，内皮发生显著改变，表现出启动和放大炎症反应及凝血活性的表型。这些因素中的许多具有重叠的功能，并能够激活或增强白细胞的作用。因此，它们的功能不能被视为相互独立[42]。已有研究证明ROS参与了与体外循环相关的缺血‐再灌注损伤[67]。电子顺磁共振波谱数据显示，在心肺再灌注开始后的前5分钟内即存在ROS[68–71]。在心肺移植模型中[72]，超氧化物歧化酶（SOD）有助于组织在缺血‐再灌注损伤后更好地恢复。通过多种酶（过氧化氢酶、巯基丙酰甘氨酸、二甲基硫脲等）清除ROS后，缺血‐再灌注损伤显著减轻。尽管活化的中性粒细胞会产生大量活性氧，但使用SOD脂质体制剂联合白细胞去除显示出额外的保护作用，这支持了白细胞并非活性氧唯一来源的观点[73]。

此外，我们的研究表明，全身炎症反应和器官损伤（包括肺水肿）与细胞因子和超氧化物[74, 75]的产生有关，在大鼠体外循环模型中。此外，我们发现氢气吹入通过清除活性氧并减少体外循环期间血管通透性的增加，从而减轻肺血管内皮损伤和全身炎症反应[74, 75]。

因此，我们认为白细胞去除还可减少活性氧的产生和全身炎症反应。有望成为一种新的策略，并提高白细胞去除滤器的治疗效果。

五年展望

中性粒细胞和单核细胞是炎症反应中的主要细胞类型。如上所述，对于接受体外循环心脏手术的患者，有必要高效且选择性地去除中性粒细胞和单核细胞。然而，许多研究表明，在体外循环期间去除白细胞并无益处。这也是白细胞去除滤器发展不佳的部分原因。我们需要采用极具创新性的方法和技术开发一种具有额外效果的新型滤器。

一项研究报道，IL‐6/IL‐10比值是炎症/抗炎活性的指标，并可预测全身炎症反应综合征（SIRS）的严重程度[76]。除了已有充分记录的促炎细胞因子（肿瘤坏死因子‐α [TNF‐alpha], IL‐6、IL‐8）水平升高外，抗炎细胞因子（IL‐10）的作用以及这些细胞因子之间的平衡在决定炎症反应水平方面可能具有重要意义[77]。这种情况不同程度地适用于体外循环患者。

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）可吸附细胞因子，已应用于血液净化领域[78-80]。细胞因子去除可能是未来研究的一个有趣方向。此外，PMMA纤维效应可能对其他炎症性疾病的治疗有益。另外，我们还需要大量关于新材料开发、白细胞去除滤器的优化及其使用（时机和持续时间）的基础与临床研究。