文献精读 | 心脏手术中氧化应激损伤对术后谵妄发生的影响

2020
09/21

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米勒之声
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心脏手术中氧化应激损伤对术后谵妄发生的影响

本文由“山中麻署”授权转载

前言

术后谵妄是麻醉和手术后急性脑功能障碍的一种。25%-52%接受心脏手术的患者术后出现谵妄,可能导致患者术后死亡率增加,住院时间延长和长期认知能力下降。心脏手术术后谵妄的潜在病理生理机制尚不清楚,可能与急性炎症、麻醉、体外循环以及微栓塞有关。心脏手术中全身和区域灌注、充氧,体外循环(CPB)的变化,血浆pH值和细胞代谢的快速变化,都会诱发氧化应激,可能导致术后谵妄。过氧化氢是一种组织缺血和再灌注过程中产生的活性氧,可抑制神经元功能,研究表明谵妄易感小鼠的全身氧化应激增加,降低氧化应激可有效降低谵妄发生率。氧化应激会导致氧化损伤,但是血脑屏障可以减少体循环内氧化剂对神经元的伤害作用,一但血脑屏障被破坏,这种保护性机制将会减弱。

F2-异前列腺素和异呋喃是花生四烯酸过氧化作用的终产物,随氧化应激成比例增加,对自由基引发的氧化具有特异性,在血浆中稳定,并且在心脏手术后与其他器官损伤无关。这项研究用以检验以下假设:术中氧化损伤增加与术后谵妄和神经元损伤增加有关,而血脑屏障的破坏改变了这些联系。


方法

研究对象: 这项观察性研究是他汀类药物治疗临床试验的一部分,他汀类药物治疗可减少心脏手术后的肾脏损伤和谵妄。纳入对象为接受选择性冠状动脉搭桥术(有或没有CPB),心脏瓣膜手术或在范德比尔特大学医学中心(田纳西州纳什维尔)进行升主动脉手术的成年患者。排除标准:不能参加术前认知功能测试、患有急性冠状动脉综合征、肝炎、慢性肝功能不全、他汀类药物耐受、使用细胞色素P450 3A4抑制剂或使用环孢霉素、妊娠、透析状态、有肾脏移植病史或血液供应不足的患者。

基线评估:刚入院时护士使用MMSE量表评估术前认知功能,通过查尔森合并症指数评估疾病的严重程度,并记录既往病史,生命体征和基线实验室数据。

标准化患者管理:围手术期、麻醉、手术中和术后患者管理根据机构规程进行。谵妄的评估从手术晚起,研究人员分别使用RASS和CAM评估方法,每天两次对患者的觉醒和谵妄水平进行评估,一直持续到患者转移出重症监护病房,参与围术期评估的研究人员对治疗和生物标志物数据不知情。使用CAM-ICU评估方法可通过评估精神状态的急性变化或波动过程,注意力不集中,意识水平改变以及思维混乱等诊断谵妄。非昏迷状态(RASS评分为-3或更高)且满足CAM-ICU评估标准的参与者被认为有谵妄。

氧化损伤,血脑屏障破坏和神经元损伤的量化:采集血液标本时间:1、重症监护病房入院时;2、在开始CPB或非体外循环冠状动脉搭桥术(CABG)后30分钟;3、CPB终止或非体外循环CABG结束后30分钟;4、在全身麻醉(基线)诱导下收集动脉血;5、术后第1天的上午9:00。实验室技术人员对谵妄评估和所有临床数据的结果不知晓。F2-异前列腺素和异呋喃的组合指标最能反映全身脂质过氧化反应。在患者刚入院、入重症监护病房和术后第1天分别使用酶染色免疫吸附试验测量了血浆中泛素羧基末端水解酶同工酶L1的浓度,以此来量化神经损伤程度。泛素羧基末端水解酶同工酶L1是一种神经元特异性酶,它用泛素标记蛋白质,用于蛋白酶体降解,并协助泛素的循环利用以及其他神经元特异性功能。血浆中泛素羧基末端水解酶同工酶L1的浓度反映了与血脑屏障破坏相关的神经损伤。

为了测量血脑屏障的破坏情况,在患者刚入院、重症监护病房入院和术后第1天分别使用ELISA对血浆中S100钙结合蛋白B浓度进行了测量。S100钙结合蛋白B在损伤或缺血后从星形胶质细胞中释放出来,并已通过比较脑脊液-血清白蛋白商和血脑屏障损伤后的磁共振图像,证实其为血脑屏障破坏的标记物。


结果

01

患者特征与谵妄发生的关系

该研究总共纳入400名患者。其中12例患者缺失基线MMSE,33例患者缺失基线F2 -异前列素和异呋喃水平,22名患者没有检测到S100钙结合蛋白B,9名患者没有检测到泛素羧基末端水解酶同工酶L1。所有有信息缺失的患者均被排除研究。

患者的中位(第10百分位数,第90百分位数)年龄为67(50,81)岁,32.8%为女性,30.8%为糖尿病患者,70.8%为手术中CPB患者(表1)。

109名患者(27.3%)发生术后谵妄,中位时间为1.0(0.5,3.0)天。谵妄发病的中位时间在术后第1天的早晨(入重症监护室后0.5[0.0,2.0]天)。与未谵妄的病人相比,谵妄的患者术后房颤发生率(47.7%比30.2%)和急性肾损伤发生率(30.3%比20.6%)增加,在重症监护病房和医院停留的时间比未发生谵妄的患者长2.0天。研究用药(阿托伐他汀与安慰剂)对谵妄没有影响。

 


02

氧化损伤和术后谵妄

患者术前血浆中F2-异前列腺素的基线中位数浓度(第10个百分位数,第90个百分位数)为28.9 pg/ml (14.8, 58.4), CPB或无泵CABG 30分钟后升高至峰值40.8 pg/ml(20.6, 79.6),术后第1天向基线水平下降(图1A)。异呋喃的血浆中位浓度在基线时为46.1 pg/ml(22.3, 110.2),在整个手术过程中持续增加,到入重症监护病房时达到峰值64.0 pg/ml(32.6, 132.3),并在术后第1天下降(图1B)。

术中氧化损伤的增加与术后谵妄发生率的增加独立相关。结合术中F2-异前列腺素和异呋喃浓度,通过定量计算,发现术中氧化损伤水平位于90%百分位的患者发生谵妄的概率是位于10%位置患者的3.7倍。(OR=3.70 [95% CI, 1.41 to 9.70]; P = 0.008.)F2 -异前列素和异氟呋喃的基线浓度与谵妄无关(P = 0.200)。单独使用F2 -异前列烷或异氟呋喃的浓度测量氧化损伤,与联合使用F2 -异前列烷和异呋喃测量的结果在定性上是相似的。

 


03

氧化损伤和术后神经元损伤

泛素羧基末端水解酶同工酶L1血浆浓度的中位数在基线时为6.3 ng/ml(2.7, 14.9),手术期间增加到12.2 ng/ml(5.0, 42.7),术后第1天达到最高值12.4 ng/ml(7.9, 31.2)(图1C)。泛素羧基末端水解酶同工酶L1重复测定的变异系数均值为5.23%。术中氧化损伤的增加与术后泛素羧基末端水解酶L1的增加独立相关。术中F2-异前列腺素和异呋喃浓度在第90个百分位数的患者,术后平均泛素羧基末端水解酶同工酶L1的浓度比在第10个百分点的患者平均高41.8%(几何平均值的比值为1.42 [95%CI,1.11至1.81] ; P = 0.005)。该结果校正了潜在混杂因素、谵妄的危险因素以及基线F2-异前列腺素和异呋喃浓度。

 



04

血脑屏障破坏对氧化损伤与谵妄关系的影响,以及术中氧化损伤与神经元损伤之间的关系

S100钙结合蛋白B的血浆中位浓度基线为17.2 pg/ml(9.0,32.3),在重症监护病房入院时最高为163.4 pg/ml(70.1、414.0),术后第1天趋于基线水平下降(图1D)。S100钙结合蛋白B重复测定的平均变异系数为5.99%。在重症监护病房过程中,S100钙结合蛋白B血浆浓度的升高与谵妄发展和术后神经损伤的增加独立相关。S100钙结合蛋白B浓度在第90百分位的患者发生术后谵妄的几率比在10%百分位的患者平均要高出2.5倍(OR=2.50 [95% CI, 1.13至5.51];P = 0.024),调整了可能的混杂因素和谵妄危险因素。患者入重症监护病房时,S100钙结合蛋白B浓度位于第90百分位的患者与位于第10百分位的患者相比,术后第1天血浆泛素羧基末端水解酶同工酶L1浓度平均增加30%(几何平均值比为1.30 [95% CI为1.04 ~ 1.63]; P = 0.024),(表2)。

血脑屏障的破坏程度并没有改变氧化损伤和谵妄发生几率之间的联系(P = 0.665; 表 2, fig. 2A),但改变了氧化损伤和神经元损伤之间的联系(P = 0.049;表2)。在S100钙结合蛋白B的第10个百分位时,氧化损伤的增加与泛素羧基末端水解酶同工酶L1之间没有相关性(几何平均值比1.02 [95% CI, 0.75 ~ 1.41];P = 0.881), 在S100钙结合蛋白B位于第90个百分位的患者中,术中F2 -异前列素和异呋喃浓度在第90个百分位的患者比在第10个百分位的患者,术后泛素羧基末端水解酶同工酶L1浓度增加54%(几何平均值比, 1.54 [95% CI, 1.09 to 2.18]; P = 0.014)。fig 2B显示了S100钙结合蛋白B对术中氧化损伤和神经元损伤之间关系的影响修饰。

 
 
 


05

神经损伤和术后谵妄

在敏感性分析中,术后神经损伤也与谵妄相关。在调整了泛素羧基末端水解酶L1和谵妄之间的氧化损伤和潜在混杂物的影响后,平均而言,术后泛素羧基末端水解酶同工酶L1浓度为第90百分位的患者比位于第10百分位的患者发生术后谵妄的几率高2.16倍(OR= 2.16 [95% CI, 1.05 to 4.43]; P = 0.043)。


讨论

在心脏手术患者队列中,术中氧化损伤的增加与术后谵妄和术后神经损伤独立相关。此外,血脑屏障的破坏改变了氧化损伤与术后神经损伤的关系。S100钙结合蛋白B升高的患者术中氧化损伤增加。这些发现提示术中全身氧化损伤可能促进术后脑功能障碍和损伤,血脑屏障破坏和神经元损伤可能导致术后脑功能障碍。

临床医生使用神经认知工具来评估注意力不集中、行为改变和混乱,从而诊断患者谵妄。关于术后谵妄可能是由于氧化损伤和直接神经损伤导致的结果的证据是有限的。例如,以往的许多研究都侧重于麻醉药和镇静剂在术后谵妄发生发展中的作用。本研究表明,术中很常见的、先前被认为与急性肾脏和心肌损伤有关的氧化损伤,与术后脑功能障碍和损伤是独立相关的。

术中氧化损伤是活性氧、活性氮和脂类自由基产生过多或消除减少的结果。这些化合物在手术过程中继发于缺血再灌注、高氧、线粒体功能障碍和溶血。术中自由基和氧化应激终产物(包括F2 -异前列腺素和异氟呋喃)的组织特异性来源尚不清楚,系统氧化剂对大脑的影响及血脑屏障对F2 -异前列腺素和异氟脲类在体循环与大脑间运动的作用也不清楚。异前列素和异氟脲类确实具有血管生物活性,可影响大脑,先前一项对接受髋关节手术的老年患者的研究发现,术后急性脑功能障碍患者F2-异前列素浓度增加。在之前的一项研究中,也使用了参与这项临床试验的其中一组患者,通过脑氧测定,术中高氧脑再灌注与术后氧化损伤和谵妄增加相关,而术后氧化损伤部分介导了这种关联,并与谵妄独立相关。本研究在此基础上进一步研究了术中氧化损伤、神经元损伤和血脑屏障破坏的标记物,以更好地表征脑损伤的时间和性质。

当神经元或血脑屏障受损时,释放到血浆中的细胞内蛋白质提供了人类神经损伤的测定方法。泛素羧基末端水解酶同工酶L1浓度的增加与脑损伤严重程度以及创伤性头部损伤和危重症后认知障碍患者的神经系统预后不良有关。血浆中S100钙结合蛋白B浓度的升高与危重症时的感染性脑病和谵妄有关。在这项研究中,这些标记物与谵妄的时间关系以及S100钙结合蛋白B的修饰对F2 -异前列烷和异呋喃与泛素羧基末端水解酶同工酶L1的关系的影响,为术中系统氧化应激可增加神经损伤并导致谵妄提供了证据。因此,谵妄可能是氧化损伤诱导的神经损伤的行为表现,减少氧化损伤的治疗可能有助于减少患者谵妄的发展。

本研究的优势:训练有素的研究人员前瞻性地收集临床试验中谵妄的结果;在各个时间点测量了氧化损伤、神经损伤和血脑屏障破坏的标志物,共近4000个样本;大队列包括多种类型的心脏手术,增加了结果的普遍性。


局限性

本研究的观察设计阻止了因果关系的确定并且受制于未知的混杂,尽管能够对几个重要的潜在基线和医院病程混杂因素进行调整。此外,本研究没有直接测量大脑中的细胞活动,依赖于对损伤通路的有效替代测量。选择这些特定的血浆标志物是因为之前的研究表明这些标记反映了这些过程:氧化损伤、神经损伤和血脑屏障破坏。然而,这些标志物有限制性。例如,血浆中泛素羧基末端水解酶同工酶L1的浓度反映神经损伤,但是需要泛素羧基末端水解酶同工酶L1通过被动和主动过程从大脑转移到体循环。血浆中S100钙结合蛋白B的浓度也可能受到类似的外排机制的影响,在脑损伤时也会升高,可能受到颅外源的影响。这些特点都是将S100钙结合蛋白B作为检测血脑屏障破坏标志的的潜在限制。在手术结束时S100钙结合蛋白B升高的患者中,观察到了术中氧化损伤与术后泛素羧基末端水解酶L1之间相关性的增加。然而,它支持了以下结论:血脑屏障的破坏与氧化应激和神经损伤之间的相关性增加有关,泛素羧基末端水解酶同工酶L1和S100钙结合蛋白B不是同一过程的测量标记物。使用脑脊液进行的研究(尽管在大多数手术人群中很难进行),或者采用组学方法来检测血浆中富含神经单位的蛋白,可以提供额外的有价值的数据。


结论

术中氧化损伤与术后谵妄的发生和术后神经损伤是独立相关的。血脑屏障破坏的增加改变了氧化损伤增加和神经损伤增加之间的联系,也与谵妄的发展有关。这些发现支持了术后谵妄可能部分是神经损伤的结果,而术中氧化损伤可能影响这一过程的观点。


原始文献:

Lopez MG, Hughes CG, DeMatteo A, et al. Intraoperative Oxidative Damage and Delirium after Cardiac Surgery. Anesthesiology. 2020;132(3):551-561. doi:10.1097/ALN.0000000000003016

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关键词:
心脏手术,文献,精读,应激,氧化,损伤,谵妄,浓度,血浆

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