通过一项前瞻性随机临床研究比较三种不同的ECMO系统

目的：对于发生严重呼吸功能衰竭的患者而言，ECMO是一种抢救性治疗方式。ECMO主要的并发症是出血、血栓形成以及溶血。这项研究的目的旨在比较不同的体外膜肺系统在V-V ECMO治疗过程中对成人凝血功能的影响。

设计：单中心前瞻性随机研究。

实施单位：德国雷根斯堡大学附属医院

患者：合并严重的急性呼吸窘迫综合症需要接受V-V ECMO治疗的患者。

干预治疗：无。

方法和主要结果：三种不同的ECMO系统：Cardiohelp系统（Maquet Cardiopulmonary AG），Dideco ECC.O5（Sorin Group），以及Deltastream系统，Hilite7000LT+DP3pumphead（Medos Medizintechnik AG），对三者进行比较。监测凝血，抗凝，溶血和炎症相关的指标。本研究纳入54例患者，每18例随机分配到三个不同的ecmo组中。排除标准：急性肾功能衰竭，创伤，以及两天内曾接受过手术者。V-V ECMO支持的中位时间是13.5天（4-70天）。中位血小板计数从ECMO治疗前的220.5 G/L降至ECMO支持最后一天最低的133G/L。在ECMO治疗开始的5天里，凝血酶原片段1.2（F1.2）（1.36-2.4 uM），凝血酶-抗凝血酶复合物（14.5-50 ug/L），以及D-二聚体（6.00-27.0 mg/L）升高了，同时纤维蛋白原值从5.8降至4.1g/L。三种不同的ECOM系统在凝血、抗凝、溶血以及炎症指标在ECMO开始的5天里没有显示出显著的不同。

结论：随着时间的延长，小型的V-V ECMO逐渐激活了凝血过程。不同型号的膜肺和泵头在改变凝血状态中并没有表现出显著的不同。（Crit Care Med 2016；44:747-754）

对合并有严重的急性呼吸窘迫综合症（ARDS）的患者而言，如果保守治疗无效，那么vvECMO是能够提供充分的气体交换的治疗策略（1）。

近年来，在循环管路上，包括表面涂层、减少接触面积、预冲以及泵相关的技术，已经获得了很大的进展。在严重的成人呼衰治疗中，与保守通气辅助支持治疗相比，ECMO治疗表现出了良好的结果，包括在严重的可逆转的呼衰治疗中的良好的成本效益和更高的生存率，因此，目前vvECMO治疗引起了越来越广泛的兴趣（2）。并且，在H1N1流感大流行中，配对分析显示ECMO组表现出良好的结果（3-5）。因此，应用vvECMO的医疗中心的数量正在进行性增多。

尽管技术在不断改进，出血、血栓形成和溶血仍然是患者接受vvECMO治疗时主要的并发症和死亡原因。需要考虑到这些副反应，并应该在ECMO治疗过程中监测相应的指标。一旦血液与ECMO管路接触，人体即启动了一系列凝血和炎性反应，因此系统性的抗凝是必须的（6，7）。

本研究旨在通过分析凝血指标（包括D-二聚体，纤维蛋白原，凝血酶，凝血酶-抗凝血酶复合物和凝血酶原片段1，2），溶血和炎性指标来检测不同的vvECMO系统对凝血功能的影响。

方法

研究对象

本项研究是一个前瞻性的随机平行研究，在雷根斯堡大学医学中心进行的单中心初步研究。自2011年4月至2013年8月，共54例急性呼衰的成人患者接受了vvECMO治疗，纳入了本研究。vvECMO的适应症为：严重的ARDS患者，Murray肺损伤指数在3-4（8），并且在最优化的保守治疗状态下氧合指数<80mmHg。vvECMO的相对适应症为：Murray指数在2-3，氧合指数<150mmHg，严重的呼吸性酸中毒（pH<7.25），吸气压峰值>30cmH2O,或者严重的漏气。最佳的气体交换方案依照既往经验进行，包括肺复张策略，俯卧位通气，以及在特定患者中采用吸入NO或者伊洛前列腺素。患者的基本资料见表1.

排除标准是：创伤，在开始ECMO治疗前48小时内接受过外科手术，以及那些需要接受肾移植治疗的患者，因为这些混杂因素会对检测值产生显著的影响。为纳入研究，每个患者的法定代理人都获得书面知情同意书。本研究通过了雷根斯堡大学伦理委员会的审核，并且遵循赫尔辛基宣言。

患者按照1：1：1的比例被随机安排到三组中，为了分配给每一个组，采用区组随机化表，每一组包含18个病人，不同的组采用不同的ECMO系统。

一般按照既定的输血指南推荐，当血红蛋白低于8g/dL时，给予输注红细胞。只有在使用ECMO后仍存在低氧血症的患者中，将输血标准提到12g/dL。

体外生命支持技术

 在本研究中使用的ECMO系统是：Cardiohelp系统（Maquet Cardiopulmonary，德国），Dideco ECC.O5（Sorin Group，意大利），以及Deltastream系统，Hilite 7000LT+DP3泵头（Medos Medizintechnik AG，德国）。这三组系统的膜肺均采用聚甲基戊烯纤维。Sorin系统的膜接触面积最小，且采用磷酸胆碱涂层。Maquet和Medos系统均采用肝素涂层。Medos系统中使用滚轴泵，而另两个系统采用离心泵。所有的氧合器相关技术数据见补充数据（表S1）。整个系统的预冲量在500-700mL，主要取决于管路的长度。其中十个病人使用的是Avalon Elite管道，41个病人使用HLS管道，另3个病人采用Novaport管道。管道的选择由起始ECMO时的医务人员决定，非本课题研究内容。

血样和实验室分析

所有的病人在本研究过程中需采取8次血样，ECMO起始前采集一次，起始后的前5天每天采一次，ECMO治疗的最后一天采集一次，撤机之后的一天采集一次。因为每个氧合器采血样的时间点不同，我们选取开始ECMO之前采血的时间点，在开始ECMO后的前5天都在这一时间点采集血样，从而使数据更具可比性。另外，在ECMO的最后一天以及撤机后的那天所收集的样本数据是被独立分析的，主要分析在脱离ECMO后凝血状态的变化。

ECMO治疗期间，每天常规的血样检测包括一整套的内容，游离血红蛋白（fHb），乳酸脱氢酶（LDH），肌酸激酶，肌酐，天冬氨酸转氨酶，快速检测（主要检测外源性凝血通路，以区别于INR值），APTT，D-二聚体，纤维蛋白原，凝血酶，CRP，IL-6以及IL-8。为了这个研究，我们另外增加检测了中性粒细胞弹性蛋白酶，XIII因子，TAT（凝血酶-抗凝血酶）复合物，凝血酶原1.2片段。样本经离心（12分钟，2000*g，4℃）后获得去血小板血浆，在分析前等分后贮存于-80℃环境下。去血小板血浆用来检测TAT复合物的浓度，F1.2，中性粒细胞弹性蛋白酶和XIII因子。由一位不知道患者诊断和ECMO相关信息的技术员来做酶联免疫吸附试验。数据的收集是前瞻性的，并直接转移到ECMO数据库中。患者的血气分析，辅助通气指标，血流动力学指标和血管活性药物的使用情况的相关数据均在启动ECMO之前、开始后2小时、开始后的每天、ECMO结束前以及ECMO结束后一天进行采集收录。

样本量和统计学方法

这个初步研究基于主要终点设计为探索性实验性研究，并没有进行预实验以估计样本量。每18个患者为一组，我们认为这个样本量是可行的，并足以发现临床上因不同的系统所产生的差异。

  为了比较ECMO系统间的差异所进行的分析人群的要求是至少接受vvECMO治疗5天的患者，并且完全随机的分配到各组中。由于没有患者严重违反协议或改变ECMO系统，分析对象能够代表意向治疗以及遵循研究方案的受试者。

  连续性数据由中位数及其四分位距表示，分类数据以率表示。由于分析变量的偏斜分布，因此所有分析都采用非参数统计方法。采用Kruskal-Wallis实验进行基线特征中连续性数据的比较，采用卡方检验进行二项变量的分析。针对ECMO最后一天以及撤机24h后的实验室数值的的变化，我们采用Wilcoxon符号秩检验进行分析。根据Hodges-Lehmann计算相应的95%有效区间。为了分析ECMO系统以及临床检测时间的影响，我们采用基于秩的线性混合模型。因为我们进行的是探索性分析，没有对多项检测分析进行调整。p值小于0.05被认为是有显著差异。所有的统计检测均使用SAS 9.3软件，Stata (version 12.1; StataCorp LP, College Station, TX)，和Minitab (version 15.1.30; Minitab, State College, PA)。

结果

研究对象

  共有54例患者纳入本研究并随机分配为3组，每组18例。每组使用不同型号的vvECMO系统。本研究中引起呼吸衰竭的主要病因是肺炎（85%，n=46），其他原因是创伤（创伤的发生时间距离装vvECMO超过48小时，n=3），败血症（n=3），肺栓塞（n=1），中毒性肺水肿（n=1）。

三组患者在病人人口学或者疾病严重程度上没有差异。所有的数据见表1。

vvECMO支持的中位时间为13.5天，范围在4-70天，54例患者中44例（81%）在ECMO过程中保持存活状态，有10例患者在ECMO过程中死亡，另有6例患者在撤机后死亡。

抗凝治疗

 除了一名患者，其余的病人在ECMO辅助期间均接受了持续的肝素抗凝治疗。而这位患者是使用Dideco ECC.O5组的，采用阿加曲班作为抗凝药物，因为当时怀疑该患者存在肝素诱导的血小板减少症。但这种怀疑在2天后被排除了，然后这名患者也转为使用肝素抗凝。

肝素和阿加曲班的剂量均根据APTT结果进行调整，APTT的目标值为50-60秒，肝素的初始剂量给予1000IE/hr，每4小时监测APTT直到达到目标值。一旦达到目标值，并且没有出血倾向，氧合器的膜肺工作正常，那么每24小时监测APTT。

在ECMO治疗过程中APTT的结果见图1A。没有患者接受抗血小板药物治疗。

抗凝

血小板计数在抗凝中起到很大的作用，我们测到的其ECMO起始前的中位值为221g/L(IQR,161-284g/L)，这个数值到vvECMO进行至第5天时逐渐降至150g/L(IQR, 101-236 g/L)(p<0.001)。这个根据时间变化的过程见图1B，此结果在3组vvECMO系统间未发现显著的差异，三者比较的结果描述见图1B。

XIII因子的检测结果提示，随着时间的延长，在血浆中FXIII是进行性下降的，这在三组间也没有发现显著的差异（图1C）。

在ECMO开始的5天里，所有的患者均显示出F1.2(1.36–2.4 μM), TAT 复合物(14.5–50 μg/L), and D-二聚体 (6.00–27.0mg/L)中位数的进行性升高，这个根据时间变化的过程见图1，D-F。这个结果在三组间也没有显著的差异(F1.2, p = 0.137; TAT复合物， p = 0.356; and D-二聚体, p = 0.626) 。

在ECMO开始的5天里，所有的患者均显示出纤维蛋白原中位数水平的下降(开始前, 5.7g/L [IQR, 3.8–to 7.7 g/L]; 第5天, 4.4 g/L [IQR, 3.0–5.9 g/L]; p < 0.001) 。与此同时，抗凝血酶水平从ECMO开始前的70%（IQR，57-85%）升至第5天的90%（IQR，75-106%）（p<0.001）。见图2A和B，这个结果在三组间也没有显著差异（纤维蛋白原，p=0.311；抗凝血酶，p=0.427）。

溶血

检测血浆LDH和fHb水平来评估患者溶血的发生。研究结果提示LDH和fHb水平都出现了波动(LDH: 开始前, 404U/L [IQR, 287–574U/L]; 第5天, 425U/L [IQR, 327–574U/L); p = 0.328 以及 fHb: 开始前, 48 mg/dL [IQR, 34–81 mg/dL]; 第5天, 40 mg/dL [IQR, 27–61 mg/dL]; p = 0.033). 见图2，C和D，这在不同的ECMO系统间也未见显著差异(LDH, p = 0.537 and fHb, p = 0.767) 。

炎症反应

鉴于炎症反应可能激活凝血过程，我们同期检测了不同的炎症相关指标（CRP，IL-6，IL-8，中性粒细胞弹性蛋白酶）。在ECMO治疗开始后，所有入组的患者显示出CRP，中性粒细胞弹性蛋白酶，IL-6和IL-8的下降（均p<0.001）。然而，在不同的系统间没用显著差异(CRP, p = 0.786; 中性粒细胞弹性蛋白酶, p= 0.551; IL-6, p = 0.733; IL-8, p = 0.668) 。结果见图3，A-D。

ECMO治疗的终止

本研究的另一个目的是检测止血、凝血、溶血和炎症反应在ECMO撤机后的变化。因此，我们比较了ECMO最后一天和撤机后的所有检测指标，发现凝血指标出现了最明显的变化，F1.2、TAT和D-二聚体在24小时内明显下降。抗凝血酶、血小板计数和纤维蛋白原水平在撤除ECMO管道后逐渐稳定。fHb的结果提示溶血反应减少了。但是，炎症指标不受ECMO撤机的影响。所有的结果见表2。

讨论

在本前瞻性研究中，三种不同的成人用ECMO系统被患者使用，它们的生物涂层、氧合器面积以及泵速均不相同，这是第一次比较这几个不同的系统对患者血浆凝血和溶血反应的影响。在本研究中未发现各系统间显著的差异（表S2）。血流量的调整以保证足够的气体交换为前提，但是在不同的辅助通气和ECMO设备上差异很大。因此，我们假设在血流量接近的状态下（<3.5L/min）,这三个ECMO系统都适用于长期适用。调节其他参数的情况下，比如，更高的血流量或者更细的管道都会提高血液的剪应力，由此可能得到不同的结果。

既往文献提示，D-二聚体、TAT复合物以及F1.2是评价凝血旁路途径的激活状态的敏感指标（10）。在我们的研究中，D-二聚体、TAT和F1.2在ECMO治疗中持续性增高，且结果提示调整一个指标（比如：D-二聚体）可能就足以评价凝血系统的激活状态。这三个ECMO系统的结果相似。

未发现别的病理性因素状态下，比如DIC、肺栓塞、创伤或者手术，D-二聚体被证实是能够反映ECMO是否引起了凝血级联反应被激活的指标（11，12）。可以进一步研究比较这些指标是否可以作为预测指标，指导何时因为血栓沉积而需要更换氧合器。

监测ECMO治疗期间的血小板计数是必须的。与之前的研究结果相一致的是，我们这些患者的血小板计数在ECMO开始前5天下降少于25%，但到治疗将结束的时候，下降大约40%（13，14）。我们的结果提示上述现象与ECMO系统本身无关。血小板的迅速减少以至于可能引起严重的出血，其可能原因不仅仅与ECMO管路或者泵相关，也可能是肝素诱导的血小板减少症（15-17），败血症以及药物的毒性反应。鉴于在ECMO治疗期间输注血小板的指征并不明确，我们通常在患者出现出血或者数值低于20g/L时，给予输注血小板。

众所周知，血泵可能引起一定程度的血液破坏。溶血是由离心泵或管道的负压引起的（18），溶解的红细胞释放LDH和fHb。每天监测fHb和LDH值可能可以帮助我们评价由ECMO管路引起的溶血（19）。LDH或fHb的平均值在我们的研究人群中并没有升高。LDH的特异性比较低，在很多情况下，它都会升高。然而，在ECMO治疗期间，这些患者的LDH并没有升高。在我们的研究中，fHb值在ECMO开始的前5天居然降低了，我们相信这可能是因为脓毒症状减轻所致，这与ECMO管路无关。在三种ECMO系统中都没有发现严重的溶血，也没有三者间的差异。

我们的患者在ECMO期间抗凝血酶的升高可能也是因为败血症脓毒症状的减轻所致。ECMO过程中抗凝血酶下降的现象目前为止只在小儿患者中被报道过（20），但是小儿患者的凝血机制与成人患者不尽相同（21）。

我们知道一旦血液接触到体外管路，炎症反应即被激活。图3A和B显示出IL-6和IL-8在ECMO治疗的第一天显著降低。相似的结果在Xtravent研究中也被报道了（22）。这个发现可以由低潮气量来解释，当ECMO开始后，患者需要的潮气量减少，因此减少了肺上皮和内皮细胞损伤。其他的假说是感染得到控制或者因为pH、PO2和PCO2回归正常。在前5天里中性粒细胞弹性蛋白酶的下降（图3C）也可能是败血症脓毒症状的减轻所致。

在使用vvECMO的早期阶段，出血和血栓形成是严重ARDS患者需要解决的主要问题。现在ECMO的安全性已经因设备、膜和管道的涂层而得到改善(23,24)。

现在大部分氧合器膜的材料采用聚甲基戊烯微纤维，它的血流阻力小，气体交换能力强，且密封性能高。因此认证的ECMO氧合器适合长期使用（25）。我们研究中的这三个成人ECMO系统使用的就是OXYPLUS聚甲基戊烯微纤维（Membrana,Wuppertal,Germany），但预冲量、膜、热交换表面积、泵的型号和生物相容性涂层各不相同。虽然如此，在我们的研究中，这三个ECMO系统在对凝血系统的激活或者溶血反应上并没有显示出差异。

在我们中心，常规使用未分离的肝素作为抗凝治疗药物。常规检测APTT，因为这项检查最常用作成人ECMO治疗过程中抗凝治疗的评估指标（26）。我们的APTT目标值在50-60秒。然而，大多数的血栓栓塞性并发症发生的时候，APTT值也在目标范围内（6）。

我们的研究对象接受了中位时间为13.5天的ECMO治疗。因为ECMO总是激活凝血途径，并引起一定程度的溶血，尽可能缩短治疗过程。我们比较了三种不同的系统在治疗开始前5天的情况。随着治疗持续时间的延长，在一些患者中必须更换氧合器甚至整个ECMO系统，因此我们无法比较不同系统在长期使用过程中的结果。所有入选患者在ECMO撤离后的血浆凝血相关指标（D-二聚体，F1.2和TAT）在一天内趋于稳定（表2）。与此同时，在ECMO结束后fHb和LDH的下降和纤维蛋白原、抗凝血酶和血小板计数的增加，提示该治疗对凝血功能还是产生了很大的影响。

本研究主要的局限性在于我们的结果不具普遍性，因为我们在设置血流量、泵速和选择管道时都是主观的。

另一个局限性在于我们不能通过抗-Xa因子的水平来检测真实的肝素化水平，这在ECMO患者中显得很重要，因为相比抗-Xa因子，APTT值对纤维蛋白原更敏感。与此同时，对于ECMO管路所造成的影响，我们无法监测血小板功能或von  Willebrand因子多聚体。最后我们的研究仅针对成人。

结论

我们的结果显示了长期vvECMO治疗对凝血功能的影响。我们所有的患者表现出持续的凝血系统的激活状态及轻度的溶血反应。不同的泵型号和氧合器在我们的研究中得到了相似的结果。所有检测的设备均适合长期使用。在ECMO治疗结束后，血浆凝血功能的变化在一天内就趋于稳定。

本文来至于 体苑新知   华山医院汪昉睿译