血液灌流治疗内毒素血症机理及研究进展

血液灌流治疗内毒素血症机理及研究进展【摘要】内毒素血症是由于血液中细菌或病灶内细菌释放出大量内毒素至血液而引起的一种病理生理表现。其会引起多器官衰竭、发生不可逆休克甚至造成死亡，具有较高的死亡率。细菌内毒素则是引起内毒素血症的主要因素，目前临床上尚缺乏安全有效的药物用于治疗内毒素血症。研究结果表明，通过血液净化方法可有效降低血液中内毒素水平，从而达到治疗内毒素血症的目的。探讨了内毒素血症的致病机理，介绍了血液灌流治疗技术的发展，不同血液灌流吸附树脂吸附内毒素的机理和研究现状以及用于治疗内毒素血症的血液灌流吸附材料的性能和安全性要求，旨在为治疗内毒素血症合成新型血液灌流吸附材料提供理论支持。0引言内毒素血症是由革兰氏阴性菌的外细胞壁上的内毒素释放到血液中而导致的一系列反应，最后可引起多器官衰竭，发生不可逆休克甚至造成死亡，内毒素血症患者死亡率高达40～90％。目前内毒素血症的治疗原则多主张降低血液中内毒素水平，改善内毒素引起的微循环障碍。随着血液净化技术的发展，采用吸附疗法清除血液中内毒素已成为此研究的主要方向，因而亟需研制出安全有效的特异性内毒素吸附材料，用于患者进行血浆灌流以治疗内毒素血症。1内毒素血症的致病机理细菌内毒素对于引发内毒素血症和多器官功能衰竭呈现十分重要的作用。研究结果表明/发现：介导革兰阴性菌内毒素的重要启动因子是激活成分脂多糖（LPS）。机体识别和调控内毒素作用的关键因素是：脂多糖结合蛋白；脂多糖受体系统。LPS的基本骨架由3部分组成：核心多糖；类脂A；多糖O-抗原。其中内毒素的毒性中心和生物学活性中心是类脂A：类脂A是一种于氨基和羟基处连接有脂肪酸的二氨基葡萄糖，它既是双向分子，又是酸碱两性分子；细菌内毒素具有多种的生物活性与类脂A的独特结构密切相关。内毒素引起炎症反应的病理作用包括系统方面和细胞方面。病理作用内毒素主要引起的具体反应系统水平方面可激活补体系统，增加纤维蛋白的形成，促使血小板凝集；这些反应共同参与凝血系统的激活；凝血系统的激活是血栓形成的重要基础。细胞水平方面能刺激某些特定效应细胞产生活性因子；同时刺激淋巴细胞分泌多克隆抗体；促进血小板分泌生长和凝集分子；使中性粒细胞释放活性氧化分子。研究结果表明：肿瘤白细胞介素-1（IL-1）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）及白细胞介素-6（IL-6）等促炎性细胞因子是巨噬细胞、内皮细胞、单核细胞通过内毒素刺激而产生。这些细胞因子可活化不同的器官和组织细胞，导致激素水平、机体代谢以及神经内分泌的改变，从而引起细胞功能发生异常和多器官发生衰竭的现象（图1）。2血液灌流技术血液灌流是近三十年发生发展的一种新型血液净化技术，其通过血液灌流器特异性吸附剂的吸附作用可清除血液中的致病物质，调节血液内环境，净化血液从而达到治疗某些疾病的目的。在内毒素血症治疗方面，众多专家及学者一直致力于安全且有效的方法去除患者体内内毒素。近年来，血液净化技术得到快速发展，采用吸附疗法去除血液中的内毒素是目前研究的热点之一。吸附疗法就是选择能与内毒素进行特异亲和性吸附的配基，将其固定在某些基质载体上，通过血浆/液灌流、血浆滤过吸附以及免疫吸附等多种方法，从而达到治疗疾病的目的。3不同血液灌流吸附材料吸附内毒素机理及研究现状3.1活性炭树脂3.1.1吸附机理活性炭是最常用的吸附剂之一，其是广谱型吸附剂中的一种，具有比表面积高、孔径分布范围较宽、具有较大孔隙率等特点。物理吸附是活性炭类吸附剂的主要吸附机理。活性炭树脂的微孔结构对毒素的吸附能力具有决定性作用；但也有一些活性炭吸附机理是化学吸附。活性炭对于许多物质均具有一定的吸附作用，所以它的吸附作用属于非特异性吸附，但对不同类型的物质吸附性不同。一般而言，其对亲水性或有极性分子的吸附性小于对疏水性、低极性或无极性的分子的吸附。3.1.2研究现状即使活性炭对许多毒素都具有较好的清除作用，但是，活性炭因具有许多缺点而限制了它的进一步发展，例如：非特异性吸附导致其选择性差，具有的机械强度较差，对于血液内的有效成份吸附较大，血液相容性较差。因此，为保证活性炭的吸附力，提高其他性能，需选择合适的材料对其进行包裹，包裹技术及包裹后其性能都有待研究。部分学者认为，活性炭包膜的厚度一般应低于5μm，且需较高的强度，包膜孔径应在5Å~45Å，包膜材料不能与血液的有效成分发生黏着或凝聚且应有良好的血液相容性等。研究结果发现，活性炭能有效清除LPS及IL-6。Odnopozov等使用活性炭对内毒素血症休克的实验猪实施血液灌流治疗，发现血液灌流能提高猪器官血流的输出量且其生存率有所提高。另有学者报道，联合使用BHP-1活性炭和离子交换树脂XAD-7可在很大水平上降低LPS和细胞因子诱发的全身性影响。3.2中性大孔树脂3.2.1吸附机理大孔树脂是一种球状高聚物，具有多孔骨架结构、比表面积高、理化性质稳定的优点。它的多孔性结构使其对于分子大小不同的物质具有筛选作用。对于大分子物质和中等分子而言，需要较大尺寸的孔径，孔径的大小为被吸附物质几何尺寸的几倍时，吸附物质分子可自由进入孔道，此外还要求具备适当的比表面积。大孔吸附树脂按其极性大小和所选用的单体分子结构不同，可分为非极性、中极性和极性3类。中性大孔吸附树脂对于非极性有机化合物以及脂溶性物质具有较强的选择性，吸附过程属于物理吸附。3.2.2研究现状刘娟娟等研究结果表明，德国Serva大孔树脂AmberliteXAD-7对被注入致死量LPS大鼠在内毒素攻击前期实施灌流后能有效降低LPS，且IL-1和肿瘤坏死因子明显降低，可改善实验性内毒素休克大鼠收缩压，减轻各组织脏器损伤以延长实验动物的存活时间。3.3具有阳离子官能团的吸附树脂3.3.1吸附机理具有阳离子官能团的吸附树脂带有多种极性基团如酯基、羟基、酰胺基等，一般而言其通过静电结合方式吸附带有阴离子基团的内毒素分子。3.3.2研究现状因具有阳离子官能团的吸附树脂上固定有阳离子基团，而内毒素分子上带有阴离子基团，因此，其能有效吸附血中的内毒素。由于LPS上LipidA具有磷酸负电荷基团，从而可与阳离子发生作用，且LPS即有亲水和疏水基团。因此，此类树脂对LPS吸附效果较好，对蛋白组分影响较小。聚乙烯酰胺（PEI）是一种可通过调节pH值而改变电荷量的亲水性高聚物。研究结果发现，将PEI固定在纤维素微球上后，血液灌流过程中可更有效清除LPS；另有研究者指出，将PEI接枝在聚乙烯醇（PVA）膜上，对于高浓度LPS清除效果较好。目前研究热点为多聚赖氨酸，因为其具有较强疏水性，以多聚赖氨酸为配基的纤维素树脂对蛋白质中的LPS去除率较高。部分研究者认为，针对合成清除内毒素的吸附剂时，应尽量制备具有阳离子配体的聚合物，当配体B位含羟基基团时，可与内毒素分子之间形成氢键作用，从而进一步增加对内毒素的吸附性。3.4免疫吸附树脂3.4.1吸附机理免疫吸附树脂是通过一定方法将抗体或抗原连接到树脂上，由于抗体或抗原之间具有特异识别作用，从而达到吸附清除某些特定致病抗体或抗原的目的。根据被吸附物质和吸附树脂间作用的机理，可将吸附树脂分为两类：①生物亲合型吸附树脂，如抗体固定型、蛋白A型以及抗原固定型等。②物理化学亲合型吸附树脂，如：疏水结合型以及静电结合型等。对于生物亲合型吸附树脂，由于树脂上固定有免疫特异性的配体，因此，此类树脂具有较大吸附容量、较高特异性等优点。然而，固定的特异性配体易失活，与血液接触过程中可能会引发副作用。物理化学亲合型吸附树脂虽然具有较高的使用安全性、可稳定储存、可灭菌等特点，但其选择性相对较差。3.4.2研究现状有研究者通过共价作用将纯化的人血清白蛋白交联在大孔聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）上，研究结果发现，此吸附树脂对LPS、肿瘤坏死因子以及IL-6等均有较高的亲和力，这主要是通过静电作用实现，现已用于治疗全身性感染患者。另有学者把氨基酸作为配基接枝在纤维素微球上以亲和吸附LPS，此方法主要利用氨基酸与LPS间的疏水作用和静电作用。此外，还有研究者进行单克隆抗体改性生物材料制备免疫吸附柱、LPS清除效果研究，这些研究均取得了较有意义的成果。以大孔PMMA微球作为载体，人血白蛋白作为配基合成的MATISSE吸附柱对类脂A、脂多糖、细胞因子等均有较好的亲和力，可直接与患者血液接触，以有效清除血中炎性因子和内毒素。该吸附柱虽然体外实验结果较好，然而临床Ⅱ期结果却令人失望。目前，临床应用的部分商品化免疫吸附树脂情况及相应吸附机理如表1所示。3.5多黏菌素B为配基的吸附材料3.5.1作用机理多黏菌素B（PMB）基本结构为类环状多肽序列，其含有一个多聚阳离子七肽环和含氨基酸残基端的肪酸尾的三肽侧链，PMB主要依靠其环状结构和疏水性发挥生物活性。PMB抗内毒素的活性主要通过其多聚阳离子环与革兰阴性菌上内毒素活性分子上的脂质A发生作用。PMB分子上5个带正电荷的γ-氨基正丁酸，与内毒素分子中带负电荷的磷酸基通过电作用结合；同时，PMB环形多肽能与内毒素脂质A部分长链脂肪酸结合，使内毒素失去活性。此外，PMB与内毒素的结合还有疏水性作用的参与，PMB清除内毒素机理如图2所示。3.5.2研究现状目前，PMB已被证明可有效吸附内毒素，但其毒副作用（主要包括肾毒性和神经毒性）则限制了其在全身范围的应用，因此将PMB固定在载体上用于血液中内毒素清除成为研究热点。1994年，日本首先研制出具有固定PMB的血液灌流器用于清除血液中内毒素，目前在日本已超过30000例多脏器功能障碍综合征的患者使用此方法治疗全身性感染患者。患者经固定PMB的血液灌流器治疗后，其内毒素水平由治疗前的76ng/L降至21ng/L。在用于感染性休克治疗方面，有研究者使用多黏菌素B纤维吸附柱（PMX-F）进行直接血液灌流清除内毒素时发现可有效减少高水平内毒素。研究结果发现，血液灌流清除内毒素治疗后可有效减少革兰阴性菌引起的败血症休克情况。有研究结果证实，使用PMX-F灌流治疗后，脓毒症患者血液中内毒素水平明显下降。PMX-20R吸附柱专用于吸附内毒素而进行的全血灌流，PMB经胺甲基化反应共价键合到微孔PS纤维载体上，通过静电作用和疏水作用与内毒素发生结合，PMX-20R吸附柱具有良好的安全性与生物相容性，经治疗后患者血液中内毒素水平呈显著下降。4结语由于血液灌流治疗内毒素血症过程需直接与人体的血液进行接触，因此，此类材料需具有一些特定的要求。如：应具有较高的血液相容性，在使用过程中不会对人体血液内的细胞造成损害，不会诱导刺激白细胞释放各类因子，不影响血浆成分，不会造成电解质失衡，不破坏酶系统，不能引起有害的免疫反应和过敏反应，不能具有致癌性，不能引起溶血反应，不能产生毒性，不能引起血栓等，应对人体具有较高的使用安全性，不会对人体造成不必要的损害；该类材料具有较高的化学稳定性，在使用过程中不能发生物理以及化学变化；该材料具有较高的使用疗效等。相信随着血液灌流技术的不断发展，有望在不久的将来研制出安全有效的特异性内毒素吸附材料，在临床上通过血液灌流为患者治疗内素血症。利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突。参考文献李依宸，刘娟娟，郭红星，等.血液灌流治疗内毒素血症机理及研究进展[J].国际生物医学工程杂志，2019，42（5）：441-445.