全身炎症反应综合征与体外循环

    侯晓彬（综 述），肖明第（审 校）

（上海交通大学附属第一人民医院心脏外科，上海  200080）

 

    体外循环(Cardiopulmonary bypass, CPB)使心内直视手术成为可能，但因为

它是一个“控制性休克”过程，可以导致全身炎症反应综合征(Systemic inflamm

atory response syndrome, SIRS)，从而影响心脏手术效果。CPB心内直视手术是

一个复杂的刺激过程，既有物理因素，如手术创伤等机械刺激，又有化学刺激，如

CPB中炎性介质、细胞因子的产生等，加上机体反应的不同，使CPB后信号转导表现

出复杂的形式。CPB后SIRS发病机理迄今尚未完全阐明，现在较为公认的“二次打

击”学说认为, CPB应激可以导致第一次打击,使机体免疫细胞处于激活状态；如再

出现肠道细菌移位、缺血-再灌注等第二次打击，即可引起失控的炎症反应,效应细

胞释放炎症介质,进而引发瀑布效应，全身炎症反应不断放大,影响器官正常功能，

甚至导致或加速单个或多个器官功能不全或衰竭的发生。在此过程中，过度炎症反

应激活效应细胞并释放炎性细胞因子起到重要作用。SIRS的产生和发展是一个极其

复杂的级联过程，其严重程度主要是由下游促炎细胞因子（TNF-α、IL-6、IL-8等

）和抗炎细胞因子（IL-10等）的平衡状态决定的。因此，研究和探讨CPB后SIRS引

起的各种细胞因子的释放和变化规律，以及阐明影响其变化的机制和因素，成为近

年来的研究热点。



1  CPB中各种细胞因子的主要来源 



    细胞因子是一类由多种细胞产生释放，具有多种生理活性的、能调节免疫功能

、参与炎症反应和创伤愈合的内源性小分子多肽，包括肿瘤坏死因子、白细胞介素

、干扰素、集落刺激因子、转化生长因子、趋化因子等。参与CPB后SIRS发生发展

的细胞因子是TNF-α、IL-6、IL-8、IL-10等，炎性细胞因子的水平高低直接反映

CPB后SIRS的严重程度。Wan S等［1］在CPB术前、再灌注后、术后1、6、18h等不

同时间采取周围动脉血、冠状窦血、肺动脉血进行细胞因子的监测，发现CPB中心

肌是TNF-α、IL-6、IL-8等细胞因子的主要来源，进一步还证实了TNF-α、IL-6主

要来源于再灌注后的心肌；在更严重的心肌损伤中才释放IL-8 。Liebold［2］ 等

研究显示CPB中心肌产生释放促炎因子TNF-α、IL-6、IL-8，而肺脏消耗这些促炎

因子；抗炎细胞因子IL-10的产生和消耗既不在心脏，也不在肺脏。有研究提示［

3］在给予类固醇激素的CPB心脏手术中，肝脏是IL-10的主要来源。



2  CPB中细胞因子的变化规律



    细胞因子在CPB中的变化有明显的规律性，且不同细胞因子的变化规律并不一

致。Hennein等［4］研究发现，TNF-α、IL-6、IL-8在CPB心脏手术中均有2次高峰

。细胞因子血浆水平的变化与其CPB时间，主动脉阻断时间成正相关［5］。TNF-α

血浆水平在CPB后2h出现第一次高峰，18 ~ 24h出现第二次高峰，48h后基本降至正

常水平； IL-6的血浆水平在CPB后即开始升高，2h后出现第一次高峰，5 ~ 6h降至

术前水平，12 ~ 18h后又出现第二次高峰，48h后降至术前水平；IL-8水平在CPB开

始1 ~ 2h出现第一次高峰，CPB后16 ~ 18h出现第二次高峰， 48h后降至正常；IL

-10水平在升主动脉开放后即升高，90min后达到高峰浓度，CPB结束后4h恢复基础

水平。另外，Kalfin RE等［6］报道IL-1 beta 和IL-8均在术后24h达峰值，在各

时间点均未检测到抗IL-1 beta或IL-8 的抗体；同时IL-8在CPB 后的多形核白细胞

和T淋巴细胞的激活和募集中起到重要作用。



    除上述一般变化规律外，SIRS严重程度与CPB时间也有很大关系。Furunaga A

等［7］研究指出，CPB时间超过120min比少于120min时SIRS的发生更为频繁，持续

时间明显延长。SIRS持续状态与CPB时间和血浆IL-6、IL-8水平相关。心肌缺血引

发的SIRS对心肌损害可能较轻且可逆，而再灌注引发的SIRS则可造成更严重的心肌

损害。主动脉阻断时间是一个预测术后血浆细胞因子水平的独立因素。



    CPB术后血栓素(Tx)水平亦升高，Erez E等［8］研究发现TXB2水平在CPB全过

程中均升高，阿司匹林可显著降低CPB中Tx产量，或许对CPB后预防心肺功能损伤起

到重要作用。



3  CPB中温度对细胞因子的影响



    CPB中温度对炎性介质和细胞因子的释放也有明确的影响。Menasche［9］等研

究比较了常温与低温CPB中血浆细胞因子的水平，发现常温CPB中TNF-α、IL-1β、

IL-6、IL-8水平显著高于低温CPB，说明温度显著影响中性粒细胞和内皮细胞的相

互作用，常温CPB在炎性介质介导的器官损害中有更高的风险。Seghage 等还报道

［10］低温可以增加抗炎性细胞因子IL-10的释放。Grunenfelder［11］报道超滤

可以在低温CPB中减少粘附分子和细胞因子的水平，而在常温则无此作用。Lichte

nstein［12］研究报道浅低温(30~33℃) CPB细胞因子TNF-α、IL-6水平相对低于

常温，从而证明了浅低温是最理想的CPB方式。Qing M等［13］还实验研究CPB中中

心温度是否可以影响围术期全身炎症反应和术后器官功能障碍，检测常温、浅低温

和深低温CPB围术期白细胞活化、内皮素释放、IL-10、TNF-α 水平及 CPB后6h各

器官损伤情况，发现浅低温CPB组全血白细胞计数、TNF-α水平明显比其他组低，

而IL-10水平则显著高于其他组。弹性蛋白酶活性、白三烯B4(LTB4）和内皮素水平

则不受中心温度影响，浅低温器官损伤指数最低而常温组最高；所有动物的心脏、

肺脏和肾脏功能都与CPB后TNF-α水平密切相关，表明心脏手术中TNF-α的生成与

术后各器官功能损伤关系明确。浅低温CPB可增加IL-10生成、减少TNF-α生成, 对

器官功能保护有利。



4  细胞因子对CPB术后患者的影响



    细胞因子网络、心衰的细胞因子假说是当前心衰研究的热点之一。炎性细胞因

子参与心衰的发生发展已得到普遍承认。细胞因子在达到一定浓度时可引起心衰的

一些特征性表现：如左室功能障碍、肺水肿、左室重构、致死基因表达、心肌病等

。“心衰的细胞因子假说”认为至少在部分程度上心衰的进程是由于细胞因子对心

脏循环的直接毒性作用，促炎细胞因子对心脏和其他器官产生有害的影响，可以改

变心肌收缩力、降低外周血管阻力、增加肺血管阻力，引起CPB术后的心功能、血

流动力学和呼吸功能的改变。CPB中细胞因子的变化与CPB后并发症密切相关［14］

。



    目前已有充分证据表明，持久的炎性细胞因子表达，可使心脏功能显著下降。

患者血清TNF-α、IL-6水平升高与左室射血分数成负相关［15］，且TNF-α的升高

提示预后不良［16］，在给动物输注TNF-α后，可以引发血压下降，心率增快，每

搏作功和左室射血分数降低及发热、酸中毒、白细胞减少等中毒性休克表现，最终

导致器官功能衰竭及宿主致病和死亡；CPB 中TNF-α的水平在术后并发症中起着重

要的核心作用。另外，Wan S等［1］认为IL-6可以反映CPB术后炎症反应的程度，

它产生于缺血心肌，并引起再灌注后中性粒细胞浸润的心肌损害，导致CPB术后左

室壁的运动功能障碍。TNF-α、IL-6均可促进诱导型一氧化氮合成酶增加，使心肌

环磷酸鸟苷(cGMP)水平升高，钙内流减少。另一方面抑制β肾上腺素能刺激，降低

心肌细胞环磷酸腺苷(cAMP)水平，造成心肌损伤［17］，细胞因子产生快速的或延

迟的负性变力作用，可能是由于激活了不同的细胞内信号转导途径。Hennein等［

14］在CABG病人中监测左室壁的运动功能，并检测不同时间点IL-6、IL-8的水平，

证实CPB后左室壁运动功能障碍与IL-6、IL-8的水平直接相关，IL-8的血浆水平是

严重组织损伤的标志之一；IL-10是细胞因子网络中一个重要的内源性抗炎因子，

在转录水平抑制多种与NFκB相关的炎性介质的基因表达，对抗TNF-α、IL-6、IL

-8等促炎细胞因子的作用，减轻SIRS引起的自身组织破坏，对组织器官的损伤起到

一定的保护作用。



    炎性细胞因子在心室重构中也产生重要影响。TNF-α在啮齿动物有促进肥厚和

凋亡的作用［18］。TNF-α通过活化ASK1（一种激活SAPK/JNK和P38信号通路的MA

PK激酶），活化P38丝裂原活化蛋白激酶(P38 MAPK)而诱导凋亡［19］。TNF-α和

IL-1β都能激活溶胶原的酶系--基质金属蛋白酶(MMPs)，导致基质降解。TNF-α和

IL-1都能刺激成纤维细胞增殖，参与心室重构，导致左心室扩大。这样过度激活的

前炎性细胞因子通过包括细胞或非细胞成分在内的不同机制促成左室重构［14］。



5  CPB中减轻SIRS采取的预防措施和策略



    为了更好的预防由细胞因子参与介导的CPB术后SIRS，减少促炎细胞因子的产

生，增加抗炎细胞因子的释放，从而保护心肌等器官的正常功能，目前采取了多种

措施和策略，取得了一定临床效果。



    5.1  CPB管道的肝素化  使之更接近生理状态，改善血液与管道材料的生物相

容性，减少补体激活，抑制粘附分子的表达，减少了血小板的粘附，从而减少了T

NF-α、IL-6、IL-8等的释放，明显提高临床效果。但也有报道［20］说CPB肝素膜

化管道并不能减少促炎细胞因子的释放。



    5.2  抑肽酶和类固醇激素在CPB中的应用  Hill等［21］报道抑肽酶可减少C

PB中TNF-α、IL-6、IL-8的释放和CD11b的表达。近来研究［22］证实，类固醇激

素可减少CPB中的补体激活，抑制TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8等的释放，提高IL

-10的水平，利于术后患者康复。



    5.3  其他措施  如血液超滤、白细胞清除、各种抗炎性细胞因子的单克隆抗

体研制等，目的均在于减轻CPB中SIRS的发生发展和由此引起的组织损害，防止术

后并发症的发展。



    总之，在CPB后SIRS中，细胞因子激活中性粒细胞、单核巨噬细胞等效应细胞

，产生效应物，造成细胞、组织、器官的损伤，导致CPB术后多种并发症的发生和

发展。采取适当措施抑制促炎细胞因子的产生，增加抗炎细胞因子的合成，对减轻

CPB后SIRS、改善患者预后具有重要的意义。但SIRS是一个庞大复杂的级联反应，

还有许多问题有待进一步探索、了解。在分子水平有效调控炎症反应的过程可能具

有较为广阔的应用前景。



参考文献：



［1］Wan S, Desmet JM, Barvais L, et al. Myocardium is a major source o

f proinflammatory cytokines in patient undergoing cardiopulmonary bypas

s［J］. J Thorac Cardiovasc Surg ,1996,112(3): 806-811.



［2］Liebold A, Keyl L, Birnbaum DE, et al. The heart produces, but lun

gs consume proinflammatory cytokines following cardiopulmonary bypass［

J］. J Cardiothorac  Surg, 1999, 15(3): 340-345.



［3］Wan S, Leclerc JI, Schmart ZD, et al. Hepatic release of interleuk

in-10 during cardiopulmonary bypass in steroidpretreated patients［J］.

 Am Heart J, 1997,133(4): 335-339.



［4］Hennein HA, Ebba H, Rodriguez JI, et al. Relationship of the proin

flammatory cytokines to myocardial ischemia and dysfunction after uncom

plicated coronary revascularization［J］. J Thorac Cardiovasc Surg, 199

4, 108(1): 625-636.



［5］Kawamura T, Znada K, Okada H, et al. Methylprednisolone inhibits i

ncrease of interleukin 8 and 6 during open heart surgery［J］. Can J An

aesth, 1995, 42(3):399-403.



［6］Kalfin RE, Engelman RM, Rousou JA, et al. Induction of interleukin

-8 expression during cardiopulmonary bypass［J］. Circulation. 1993 Nov

;88(5 Pt 2):II401-6.



［7］Furunaga A, Tsuboi H, Iton H, et al. Significance of systemic infl

ammatory response syndrome at cardiopulmonary bypass［J］. Nippon Kyobu

 Geda Gakkai Zasshi(Japan), 1996, 44(6):790--794.



［8］Erez E, Erman A, Snir E, et al. Thromboxane production in human lu

ng during cardiopulmonary bypass: beneficial effect of aspirin? ［J］ A

nn Thorac Surg. 1998 Jan;65(1):101-106.



［9］Menasche P, Peynet J, Ledeist F, et al. Does temperature in extrac

orporeal circulation affect neutrophil-endothelium in teractions? ［J］

 Arch Mal Coeur Vaiss, 1995, 88(10):1415-1423.



［10］Seghage MC, Duchateau J, Bruniaux J, et al. Interleukin-10 releas

e related to cardiopulmonary bypass in infants undergoing cardiac opera

tions［J］. J Thorac Cardiovasc Surg, 1996,111(1):545-553.



［11］Grunenfelder J, Zund G, Schoeberlein A,et al. Modified ultrafiltr

ation lowers adhesion molecule and cytokine levels after cardiopulmonar

y bypass without clinical relevance in adults［J］. J Cardiothorac Surg

, 2000, 17(1):77-83.



［12］Lichtenstein SV, Abel JG, Panos A, et al. Warm heart surgery expe

rience with long cross-clamp times［J］. Ann Thorac Surg, 1991, 52(4):1

0009-10013.



［13］Qing M, Vazquez-Jimenez JF, Klosterhalfen B, et al. Influence of 

temperature during cardiopulmonary bypass on leukocyte activation, cyto

kine balance, and post-operative organ damage［J］. Shock 2001 May;15(5

):372-377.



［14］Mann DL.Chapter 12, Congestive Heart Failure. Second Edition, Phi

ladelphia:Lippincott Williams &Wilkins, 2000,213-228.



［15］陈亚丽,王士昌,赵维江. 充血性心力衰竭患者血清细胞因子变化与肾素血管

紧张素系统相关性的研究［J］. 临床心血管病杂志, 2001（17）1:26-27.



［16］钱方毅. 重视心力衰竭发病机制中的神经内分泌细胞因子系统的研究［J］

. 中国循环杂志,2001,16（4）:243-251.



［17］傅广,赵水平. 心力衰竭患者TNF-α和IL-6的变化及氯沙坦的影响［J］. 中

国循环杂志, 2001, 16（4）:243-245.



［18］Bozkurt B, Kribbs SB, Clubb F, et al. Pathophysiologically releva

nt concentrations of tumor necrosis factor alpha promote progressive le

ft ventricular dysfunction and remodeling in rats［J］. Circulation, 19

98,97:1382-1391.



［19］Ichijo H, Nishida E, Irie K, et al. Induction of apoptosis by ASK

1, a mammalian MAPKKK that activates SAPK/JNK and P38 signaling pathway

s［J］. Science,1997,275:90-94.



［20］Defraigne JO, Pincemail J, Larbuisson R, et al. Cytokine release 

and neutrophil activation are not prevented by heparin-coated circuits 

and aprotinin administration［J］. Ann Thorac Surg, 2000, 69(4):1084-10

91.



［21］Hill GE, Alonso A, Spurzem JR, et al. Aprotinin and methylprednis

olone equally blunt cardiopulmonary bypass induced inflammatory reactio

n in humans［J］. J Thorac Cardiovasc Surg, 1995,110(5):1658-1662.



［22］Brouicki RA, Backer CL, Baden HP, et al. Dexamethosone reduce the

 inflammatory response to cardiopulmonary bypass in children［J］. Ann 

Thorac Surg , 2000, 69(5):1490-1495.



          来源：体外循环杂志