Гипоксия, реоксигенация и системное снижение лейкоцитов в

Гипоксия, реоксигенация и системное снижение лейкоцитов в детской
кардиохирургии.
B. Allen, M. Ilbawi
Perfusion 2001; V. 16(suppl):19-29
Широкое применение искусственного кровообращения при операциях по поводу
врожденных пороков сердца у новорожденных и младенцев обусловило существенный
прогресс в аспекте хирургической техники. Однако роль ИК в развитии миокардиальной и
легочной дисфункции исследована мало. Особую проблему послеоперационная органная
дисфункция представляет у цианотичных детей. В данной статье представлены
результаты
экспериментальных
и
клинических
исследований
повреждения,
развивающегося в результате быстрой реоксигенации гипоксического (цианотичного)
сердца. Изучена роль постепенной реоксигенации и снижения количества лейкоцитов в
лимитировании данного повреждения. Сделан вывод, что реоксигенационное
повреждение миокарда у цианотичных детей можно уменьшить, изменив тактику
проведения ИК.
Введение
Вопреки сравнительно успешной с хирургической точки зрения коррекции цианотичных
врожденных пороков у детей раннего возраста послеоперационная дисфункция миокарда
и легких остается основной причиной осложнений и летальности. Играет роль также
пониженная, по сравнению со взрослыми, чувствительность сердца ребенка к инотропным
препаратам. Таким образом, сохранение функции миокарда при операции на сердце
приобретает еще большее значение.
У взрослых наиболее частым предоперационным патологическим фактором,
воздействующим на сердце, является ишемия как результат поражения коронарных
артерий. Основной проблемой в этом случае будет предупреждение реперфузионного
повреждения. У пациентов раннего возраста главным стрессовым фактором является
гипоксия (цианоз). Следовательно, проблемой будет развитие повреждения, подобного
реперфузионному, при быстром повышении содержания кислорода в крови. Такое
повреждение может быть даже более тяжелым, поскольку гипоксия затрагивает все
органы, а не только сердце. Исследования по реоксигенации легких показали, что
проведение ЭКМО при дыхательной недостаточности и устранение хронических
ателектазов сопровождается повреждением легких.
Существует мнение, что детский миокард обладает повышенной толерантностью к
ишемии из-за адаптивных механизмов, и повреждение вследствие хирургической ишемии
менее вероятно. Однако хронический цианоз вызывает уменьшение количества
эндогенных антиоксидантов в миокарде. Имеется множество экспериментальных и
клинических свидетельств повышенной чувствительности цианотичного миокарда к
кислород-опосредованному повреждению. Начало ИК устраняет гипоксемию. Обычно
при этом pO2 быстро возрастает до 400-500 мм рт.ст. Таким резким увеличением
количества кислорода и может объясняться меньшая устойчивость цианотичного сердца к
хирургической ишемии по сравнению с нормоксическим.
Экспериментальные, а затем клинические исследования повреждения, вызываемого
внезапной реоксигенацией гипоксического (цианотичного) сердца, а также применение
постепенной реоксигенации и снижение количества лейкоцитов с целью ограничения
данного повреждения позволили сделать следующие выводы: 1) реоксигенационное
повреждение – реальный источник послеоперационной сердечной и легочной
дисфункции; 2) лейкоциты играют важную роль в продукции свободных радикалов
кислорода, ответственных за повреждение; 3) данное повреждение у цианотичных детей
можно уменьшить, изменив тактику проведения ИК.
Экспериментальные исследования
Экспериментальная часть исследования была выполнена на новорожденных поросятах.
Животных подвергали часовой гипоксии посредством снижения фракции вдыхаемого
кислорода до 8-10%, что приводило к уменьшению артериального pO2 до 25-35 мм рт.ст. и
сатурации гемоглобина до 65-70%. Предварительно животным переливалась эритромасса
с целью достижения гематокрита более 35% с тем, чтобы симулировать хронические
адаптивные изменения, происходящие в организме цианотичного ребенка. В период
гипоксии в миокарде не наблюдалось продукции лактата и ацидоза, сохранялся
нормальный уровень АТФ, сердечный выброс не изменялся, и все животные оставались
гемодинамически стабильными. Таким образом, был получен гипоксический стресс в
чистом виде без признаков ишемии. Затем животных быстро реоксигенировали путем
увеличения фракции вдыхаемого кислорода до 100%, либо подключением к АИК с 100%м FiO2. В любом случае реоксигенация приводила к свободно-радикальному
повреждению, которое проявлялось повышением содержания конъюгированных диенов и
истощением антиоксидантного потенциала миокарда. Последний определяли добавлением
сильного прооксиданта (t-бутил гидропероксида) к ткани миокарда с последующим
измерением способности ткани связывать образующиеся радикалы кислорода и
предотвращать образование малонового диальдегида. Повышенная выработка свободных
радикалов после реокигенации гипоксемического сердца приводила к снижению
сердечного выброса, депрессии функции левого желудочка, увеличению легочного
сосудистого сопротивления и повреждению альвеолярного аппарата легких, которое
проявлялось снижением артериально-альвеолярного индекса. Данное повреждение
возникало независимо от метода реоксигенации, и, следовательно, в первую очередь было
связано с внезапным повышением содержания кислорода, но не с эффектами ИК. Данное
наблюдение может объяснить, почему цианотичные дети более чувствительны к
хирургической ишемии и часто страдают от дисфункции миокарда вопреки технически
успешно выполненной коррекции с хорошей защитой миокарда.
Таким образом, ограничить реоксигенационное повреждение можно путем постепенного
повышения уровня кислорода либо удалением из крови лейкоцитов как основного
источника свободных радикалов кислорода. Обе эти гипотезы были проверены на той же
модели. Вместо быстрой реоксигенации с pO2 400-500 мм рт.ст. ИК начинали с pO2 80-100
мм рт.ст., а фракцию вдыхаемого кислорода постепенно (за 10-20 мин) повышали до 50%.
В другой группе кровяная составляющая объема заполнения была полностью очищена от
лейкоцитов, а в контур был включен специальный фильтр (Pall BC1) для непрерывного
удаления белых клеток из крови.
Нормоксемия позволила существенно снизить окислительное повреждение и уменьшить
проявления дисфункции миокарда. Это подтверждает pO2-зависимую природу
реоксигенационного повреждения, поскольку, по данным ряда авторов, генерация
свободных радикалов и повреждение миокарда после реоксигенации изолированного
сердца пропорциональны напряжению кислорода.
Лейкоциты при определенных патологических условиях также могут вызывать
повреждение миокарда, легких и сосудов. Было показано, что активированные лейкоциты
играют главную роль в генерации свободных радикалов кислорода после ишемии. Вполне
вероятно, что лейкоциты будут активироваться и при реоксигенации после гипоксии.
Деплеция лейкоцитов является доступным методом, позволяющим свести к минимуму
повреждающее действие нейтрофилов без побочных эффектов, свойственных
фармакологическим препаратам, применяемым с целью подавления функции лейкоцитов
или предупреждения свободно-радикального повреждения путем использования
экзогенных антиоксидантов. Лейкоциты эффективно удалялись фильтрацией на всем
протяжении ИК. Активированные лейкоциты связываются с активированными
тромбоцитами, а поскольку такие комплексы имеют большие размеры, они с большей
вероятностью захватываются фильтром. Таким образом, даже если число нейтрофилов не
уменьшается до нуля, вероятно, весьма малое количество активированных белых клеток
проходит через фильтр. Кроме того, за счет удаления активированных тромбоцитов
лейкоцитарный фильтр может способствовать предотвращению нежелательного
воздействия тромбоксана и вазоконстрикции. Использование лейкоцитарного фильтра
позволило существенно ослабить формирование свободных радикалов кислорода,
сохранить сократимость и диастолический комплайнс левого желудочка, поддержать
нормальный газообмен в легких. Легочное сосудистое сопротивление повышалось лишь
незначительно. Данные эффекты наблюдались вопреки использованию 100%-го
кислорода в данной группе. Фактически, легочное сосудистое сопротивление у животных
этой группы было даже ниже, чем в контрольной (негипоксической) группе, подвергнутой
ИК, что позволяет сделать вывод о целесообразности проведения лейкофильтрации при
всех операциях у детей, когда послеоперационная легочная гипертензия может стать
проблемой.
Таким образом, вопреки ограничениям, связанным с использованием модели острой
гипоксии (имеются в виду отличия от хронического цианоза, имеющего место в клинике),
сходные благоприятные результаты могут быть получены при использовании нормоксии
и лейкодеплеции в клинических условиях. Предупреждение реоксигенационного
повреждения особенно важно при такой патологии как гипоплазия левого желудочка,
когда любое повреждение миокарда или легких может привести к тяжелым последствиям.
Клинические исследования
С целью подтверждения клинической значимости экспериментальных результатов
брались биоптаты ткани миокарда у больных с цианозом и без него перед и через 10 мин
после начала перфузии. В биоптатах определяли антиоксидантный потенциал (по
образованию малонового диальдегида). Это позволяло количественно оценить
образование свободных радикалов кислорода при реоксигенации и сравнить полученные
результаты с многочисленными экспериментальными исследованиями по острой
гипоксии. Оказалось, существует прямая зависимость между истощением эндогенных
антиоксидантов, окислительным повреждением и сердечной и легочной дисфункцией.
Антиоксидантный потенциал служит (АП) предиктором способности миокарда
противостоять ишемии. В сердце с нормальным антиоксидантным потенциалом после
пережатия аорты развиваются лишь минимальные функциональные нарушения, в то
время как при ограниченном АП после кардиоплегической остановки наблюдается
существенная депрессия сократимости .
Предперфузионная величина АП в группах нормы и цианоза не различалась, что
соответствовало результатам экспериментов по острой гипоксии. Начало перфузии у
младенцев низкого риска (без цианоза, с ДМПП или ДМЖП) вызывало минимальные
изменения АП, которые можно объяснить высоким уровнем кислорода (100%) при ИК. В
противоположность этому, резкая реоксигенация цианотичных детей приводила к
значительному обеднению эндогенных тканевых антиоксидантов. Это свидетельствует о
том, что быстрая реоксигенация после хронической гипоксемии приводит к генерации
значительного количества свободных радикалов кислорода.
Наибольшее снижение АП (самый высокий уровень МДА) наблюдалось в группе
цианотичных детей, у которых ИК проводилось при рО2 400-550 мм рт. ст. Данный
феномен окислительного повреждения при резкой реоксигенации согласуется с ранее
полученными клиническими данными, касающимися хирургической коррекции «синих»
пороков. При этом образование МДА у цианотичных детей было в 4-6 раз большим, чем у
животных с острой гипоксией. Это отражает большую продукцию свободных радикалов
при реоксигенации после хронического цианоза. Одним из объяснений данного факта
может служить то, что цианотичные дети, возможно, ишемизируются при нагрузке или
стрессе, и развивающееся повреждение не только гипоксическое, но и ишемическое. С
другой стороны, компенсаторные изменения, происходящие в организме цианотичного
ребенка, могут предрасполагать к генерации большего количества кислородных
радикалов при воздействии высоких концентраций кислорода. Такое окислительное
повреждение, вероятно, объясняет, почему функция желудочков сердца у детей с
цианозом зачастую нарушается после хирургической коррекции или на ЭКМО даже без
периода ишемии. Проведение перфузии с использованием 21% кислорода уменьшало
изменения АП. Это также соответствовало результатам эксперимента, но положительный
эффект был меньшим, чем при острой гипоксии. Однако применение 21% кислорода
приводило к рО2 140–155 мм рт. ст., что было существенно выше, чем рО2 80–100 мм
рт.ст., использовавшееся в эксперименте. Это может частично объяснить не столь
выраженный положительный эффект, поскольку генерация свободных радикалов и
повреждение миокарда после реоксигенации прямо пропорциональны напряжению
кислорода. Для получения рО2 порядка 80-100 мм рт.ст. при использовании современных
мембранных оксигенаторов требуются концентрации кислорода меньше 21%. Было
показано, что при такой величине рО2 улучшается также тканевая перфузия.
Удаление из циркуляции нейтрофилов путем фильтрации позволяло предупредить
нежелательные эффекты резкой реоксигенации, и сохранить АП. Клинические проявления
данного функционального эффекта наблюдали некоторые исследователи, показавшие, что
даже частичное удаление белых клеток снижает легочное сосудистое сопротивление и
улучшает функцию сердца в послеоперационном периоде. Использование 21% кислорода
вместе с фильтрацией лейкоцитов дополнительно подавляло образование свободных
радикалов. В конечном счете, АП у таких детей не отличался от исходных величин.
Фильтрация лейкоцитов существенно снижала их число как вначале ИК, так и через 30
мин перфузии. К сожалению, на рынке нет идеального фильтра. Pall BC-1 был выбран как
наиболее эффективный из доступных лейкоцитарный фильтр, хорошо проявивший себя в
экспериментальных исследованиях. При потоках 500-600 мл/мин, которые являются
адекватными для новорожденных весом 3-4 кг, BC-1 удаляет почти все белые клетки за
одно прохождение. Фильтр оставался в перфузионном контуре до 1 часа без всяких
осложнений. Падение давления на фильтре оставалось низким и не менялось значительно
в течение всего времени. Однако при использовании более высоких потоков данные
фильтры менее эффективны, поскольку являются поток-зависимыми. Более того, ВС-1
можно применять только на потоках до 600-700 мл/мин и в течение ограниченного
времени, т.к. они полностью «забиваются» при длительном использовании.
Следовательно, данный фильтр неприменим у более взрослых детей и может создать
проблемы при длительном использовании. Вместо него можно использовать фильтр Pall
LG-6, который длительно выдерживает потоки до 6 л/мин. Этот фильтр менее эффективно
удаляет нейтрофилы, однако при потоках 1-2 л/мин (младенцы и маленькие дети) его
эффективность приемлема, и в настоящее время авторы применяют его в клинике. Вся
кровь, которая добавляется в первичный объем, проходит через пребайпассный
лейкоцитарный фильтр Pall RC-400. Процедура радикально уменьшает количество белых
кровяных клеток в первичном объеме и, как было показано, снижает образование
свободных радикалов и сосудистое легочное сопротивление в послеоперационном
периоде даже у детей без цианоза. Автор твердо убежден, что кровь, добавляемая в
первичный объем, должна быть очищена от лейкоцитов, поскольку наибольшее
образование свободных радикалов происходит при начальном воздействии кислорода.
Этот момент времени наиболее важен. Кроме того, донорская кровь содержит большие
количества активированных лейкоцитов, способных вызвать повреждение даже в
отсутствие гипоксии. Неэффективные фильтры в сочетании с фильтрацией, проводимой
на менее важных этапах – вероятное объяснение неудачных попыток ряда исследователей
показать клинический эффект такой фильтрации. Хотя существует опасение, что
лейкодеплеция может увеличить частоту инфекционных осложнений после операций,
данные 21000 пациентов этого не подтверждают. Напротив, имеются доказательства, что
риск инфекции снижается. Более того, число лейкоцитов у всех больных возвращалось к
исходному уровню к моменту прибытия в БИТ.
Клиническая практика
В настоящее время авторы используют нормоксическую стратегию ИК в сочетании с
лейкодеплецией у всех цианотичных и высокорисковых нормоксичных больных.
Перфузию начинают при FiO2 21% при необходимости медленно повышая FiO2 до 30-50%
в последующие 10-20 мин. Высокий уровень кислорода (FiO2 100%) применяют лишь в
случаях, требующих уменьшения ОСП или циркуляторного ареста с глубокой
гипотермией, т.к. повышенное содержание кислорода важно для нейропротекции. Если в
состав первичного объема входит кровь, ее всегда фильтруют перед началом перфузии
(RC 400), а в контур циркуляции включают фильтр LG-6.
Для оценки клинической эффективности данного подхода проведен ретроспективный
анализ данных всех пациентов, подвергшихся в клинике операции Норвуда за период
1996-2000 гг. Всего прооперировано 72 чел., 41 – с диагнозом синдрома гипоплазии
левого сердца, 31 – с вариантами данного синдрома. Общая летальность составила 22%
(24% и 19%, соответственно). Что более важно, наблюдалось превосходное сохранение
функции миокарда, как сразу после операции (по данным Эхо-КГ), так и несколько
месяцев спустя (по данным ангиографии перед операцией Гленна). Операционная
летальность среди 38 больных, прооперированных по Норвуду до принятия описанной
стратегии, составила 47%. Единственными существенными изменениями, сделанными
между двумя этими временными интервалами, было применение нормоксической
перфузии с фильтрацией лейкоцитов и непрерывной модифицированной (безкалиевой)
кардиоплегии.