体外循环围术期改良GIK液心脏保护及机制研究

发布时间：2020-08-25 04:33

【摘要】：体外循环(Cardiopulmonary bypass,CPB)是绝大部分心脏病外科直视手术的必需前提条件。然而,在心脏直视手术期间心脏缺血再灌注损伤以及组织灌注不良,可引起心衰、心梗、心律失常等并发症。心脏外科手术中如何减小CPB不良反应、有效保护心脏功能对于降低术后并发症和死亡率至关重要。GIK应用于缺血性心脏病的辅助治疗已经有超过50年的历史,我们研究协作组前期研究发现GIK具有心肌保护作用,并发现胰岛素是心肌保护作用的关键成分,受到国际专家的广泛认可。但是否需对心脏病人普遍应用GIK治疗仍然存在分歧。虽然有越来越多的临床研究支持GIK是有益的,但是对于GIK应用于心脏手术的范畴的临床研究均存在样本量少,术种单一的问题。而且目前的临床研究的关注点都集中在术后心指数(CI)的变化以及房颤(AF)的发生率上,却忽略了死亡率、围术期心梗等重要临床指标的发生率。不仅如此,体外循环过程中发生的的高血糖被认为是影响术后死亡率的独立危险因素。然而临床常用的GIK中,胰岛素与葡萄糖的比例一般是1:4或1:5,这导致以往的研究中出现了很多难控性高血糖病例。那么,对于应用于体外循环心脏外科手术的GIK配方中,胰岛素和葡萄糖的比例该做调整吗?蛋白质O-糖基化修饰是体内的一种主要的营养物和应激反应蛋白,这些蛋白的改变与糖尿病、癌症以及心血管病的发病相关。二磷酸尿核苷-乙酰基葡萄糖(UDP-Glc NAc)是蛋白质O-糖基化的底物,也是己糖胺通路的终产物。Laczy B et al发现通过添加氨基葡萄糖使己糖胺通路急性激活可在大幅提高使心肌脂肪酸代谢的同时减少葡萄糖代谢,提示己糖胺通路及蛋白质O-糖基化在心肌中起着代谢的调节作用。我们的前期研究和来自他人实验室的工作均表明,胰岛素可通过促进心肌葡萄糖利用、抑制心肌细胞凋亡、减轻炎症反应保护缺血心肌,但是GIK的作用机制一直未被完全阐明,尤其在心脏外科体外循环的条件下,己糖胺通路及蛋白质O-糖基化是否参与了GIK的心肌保护作用,尚不清楚。研究目的:1.开展单中心较大样本的随机对照临床研究,观察改良GIK液(胰岛素与葡萄糖比例为1:3)是否能够降低心脏外科体外循环术后主要不良心血管事件发生率、死亡率及术后并发症的发生率,进一步明确改良极化液对体外循环心脏手术患者是否具有保护作用。2.探讨围术期应用改良GIK保护体外循环心脏的作用机制,尤其是己糖胺通路和蛋白质O-糖基化在其中的关键作用。研究方法:1.临床研究方法:(1)本研究纳入符合入选和排除标准的经体外循环心脏手术患者共930例,进行单中心双盲随机对照研究。分别在麻醉诱导前给患者输注GIK液(20%葡萄糖750ml,普通胰岛素50IU,10%氯化钾45ml)和平衡盐对照组(平衡盐溶液:乳酸钠3.1g,氯化钠6.0g,氯化钾0.3g,氯化钙0.2g)。(2)临床观察指标:主要研究指标为受试者住院期间主要不良心血管事件。具体包括:急性心梗发生率、心脏停搏并成功抢救、充血性心衰、低心排综合征发生率、心律失常发生率以及全因死亡率。次要观察指标为两组患者术后30天及180天死亡率、术后重症监护室滞留时间、术后住院时间以及呼吸机时间、正性肌力药物治疗、败血症及感染、肾脏并发症、二次手术等术后并发症发生率。(3)围术期其它指标:通过二维超声检测患者术前、术后1天及出院前的左室射血分数(LVEF),动态观察患者心脏功能的变化。通过检测患者术前及术后6h、24h、48h的血浆肌钙蛋白含量变化以及术前、术后24h、48h的血肌酸激酶同工酶,来反映是否应用GIK对患者心肌损伤程度的影响。观察患者血糖乳酸的动态变化,计算两组患者主动脉阻闭前及开放后心肌耗氧量的变化以及心肌的糖摄取和心肌乳酸摄取/排出来研究GIK对体外循环期间心肌能量代谢的影响。2.动物实验方法:(1)利用18只小型猪建立了90分钟体外循环(主动脉夹闭30分钟)的动物模型,随机分为①平衡盐对照组,于麻醉诱导后开始于中心静脉输入平衡盐(6m L/kg?h)至手术结束。②GIK组,于麻醉诱导后开始于中心静脉输入同等剂量GIK至手术结束。③阻滞剂组,在经冠状动脉灌入己糖胺通路的抑制剂DON(40μmol/L)。并分别于体外循环前、体外循环5分钟、主动脉阻闭5分钟、主动脉开放5分钟以及主动脉开放60分钟和主动脉开放120分钟六个时间点分别留取动脉血进行分析。并在体外循环前、体外循环5分钟、主动脉阻闭5分钟、主动脉开放5分钟四个时间点留取小型猪的心肌组织标本。(2)对小型猪术前及术后进行二维超声检测,对比观察术前术后左室射血分数变化情况。对术前、术后的心肌组织进行原位TUNEL染色观察对比不同处理对心肌凋亡的影响,同时还采用透射电镜观察不同处理组术前后心肌超微结构的变化。(3)利用实时定量PCR和western blotting检测心肌组织中己糖胺通路的重要限速酶果糖-6磷酸胺基转移酶(GFAT)、蛋白质糖基化唯一催化酶N-乙酰氨基葡萄糖转移酶(OGT)的m RNA和蛋白表达变化;western blotting检测心肌组织蛋白质O-糖基化修饰变化、胰岛素下信号通路中IRS-1、Akt及GSK3-β的表达及磷酸化水平。(4)采用18F-FDG PET显像技术观察体外循环术后心肌糖摄取情况。研究结果:1.临床研究结果(1)共纳入拟进行体外循环下心脏外科手术的病人930例,其中改良极化液组465例,平衡盐对照组465例。两组患者的一般构成、患者术前心血管疾病和心血管手术相关危险因素、以及术前心功能指标均无统计差别。两组患者手术组成,手术相关的手术时间、体外循环时间,以及阻闭时间均无显著差别。(2)改良GIK液治疗显著降低了主要不良心血管事件发生率(OR 0.57;95%CI 0.43-0.75;P0.001),特别是术后低心排综合征(OR 0.71;95%CI 0.51-0.99;P=0.042)、心率失常和房颤的发生率(OR 0.47;95%CI 0.30-0.78;P=0.002)。此外,GIK治疗还可减小患者术后早期LVEF下降程度(术后7天EF值,GIK组55.0±6.0%,平衡盐对照组51.8±6.0%,两组相比P0.001),促进LVEF恢复,降低术后血浆CK-MB(GIK组为43[32-58]U/L,平衡盐对照组为46[34.5-67.5]U/L,与基础值相比P0.001,与平衡盐对照组相比P=0.016)及CTn I(术后6小时,GIK组c Tn I值为3.4[2.1-6.6]U/L,平衡盐对照组Tn I值为4.6[2.6-8.5]U/L,两组相比P=0.001;术后12小时,GIK组c Tn I值为4.0[2.2-6.6]U/L,平衡盐对照组c Tn I值为4.2[2.9-8.0]U/L,两组相比P=0.028)的增高程度。(3)与平衡盐对照组相比,GIK组术后30天死亡率(GIK组1.6%,平衡盐对照组2.7%,P=0.37)和180天死亡率(GIK组2.2%,平衡盐对照组3.0%,P=0.41)略低,但是两组之间无显著性差异。而且GIK治疗可减少延长通气时间(大于24h)、延长ICU时间(大于3d)患者的人数。(4)虽然两组之间的二次手术率、中风以及严重感染例数无统计差别,但GIK组术后正性肌力药物的应用以及肾脏并发症的发病率(GIK组4.9%,平衡盐对照组8.8%,P=0.02)都显著降低。(5)GIK还提高了患者心肌的糖摄取,提高了心肌能量代谢中糖代谢的比例(阻闭前:GIK组8.4%±3.2%,平衡盐对照组5.5%±2.8%,P=0.024;开放后,GIK组10.7%±5.7%,平衡盐对照组6.8%±4.3%,P0.01)减少了再灌注后心肌乳酸的排出(GIK组8.7%±3.2%,对照组31.1%±19.3%,P0.01),加快了恢复灌注后心肌有氧代谢的恢复。2.动物实验研究结果(1)在小型猪的体外循环模型上,我们发现术中血糖显著升高,与平衡盐对照组相比,围术期给予GIK可减轻术中血糖的升高。(2)体外循环期间己糖胺通路的关键酶GFAT以及糖基化唯一催化酶OGT的基因及蛋白表达显著提高,而GIK可显著抑制GFAT及OGT的过度激活。(3)CPB后小型猪LVEF值显著降低(CON组术前49.1%±12.6%vs术后62.2±7.8,GIK组术前56.4±14.2 vs术后61.9±8.0,DON组术前53±10 vs术后62.9±10.7,n=6,P均0.05),而给予GIK或DON均可改善CPB术后的LVEF(GIK组56.4±14.2 vs CON组49.1±12.6,p=0.286,N=6,DON组53±10 vs CON组49.1±12.6 p=0.044)。透射电镜结果显示体外循环后心肌组织出现线粒体的破坏,肌丝溶解断裂,糖原耗竭。与平衡盐对照组相比,GIK或DON处理组的心肌线粒体及肌丝形态较好,肌丝间隙可见大量糖原。(4)心肌组织原位凋亡染色显示CPB后心肌细胞凋亡显著增加,而给予GIK可显著抑制心肌细胞凋亡。(5)18F-FDG PET实验结果表明,CPB可导致心肌糖摄取受抑制,而给予GIK可促进心肌糖摄取。进一步研究发现,CPB可导致胰岛素重要下游信号通路Akt及GSK-3β的磷酸化水平显著下调。而围术期给予GIK可使Akt及GSK-3β的磷酸化水平显著增强。结论:我们进行的双盲随机对照临床研究表明,体外循环心脏手术病人围术期加用改良GIK治疗可显著降低术后主要不良心血管事件的发生率,改善患者的心脏功能,降低术后CK-MB及CTn I的增高程度。但对术后30天死亡率,及180天死亡率无显著影响。体外循环90分钟(主动脉阻闭30分钟)后心肌己糖胺合成通路过度激活,蛋白质O-糖基化增多;同时Akt通路受抑制,心脏功能下降。围术期给予改良GIK治疗可抑制己糖胺通路和蛋白质O-糖基化,促进Akt磷酸化,减少心肌细胞凋亡,保护心脏功能。这可能是改良GIK液保护心肌功能的主要分子机制。
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R654.1
【图文】：

型猪血糖的影响。CON：平衡盐对照组；GIK：GIK 处理组。baselin环前；CPB 5 分钟：体外循环 5 分钟；ACC 5 分钟：主动脉阻闭 5 分5 分钟， AO60 分钟， AO 120 分钟：主动脉开放 5 分钟、60mi 以。实验数据以 Mean±SEM 表示（n=6）。*P<0.05，与 CON 相比;#P<与 basline 相比;# #P<0.01，与 basline 相比

-76- 8：不同处理组体外循环小型猪超声左室射血分数（LVEF%）变化心动图检测体外循环小型猪心脏功能的典型照片。下图为超声 LV结果。CON：平衡盐对照组； GIK;：GIK 处理组。实验数据以 示（n=6）。平衡盐对照组 *P<0.05，与 CON 相比;#P<0.05，与 baP<0.05，与 basline 相比。

-77-TUNEL染色检测不同处理组体外循环主动脉开放后120min时小型猪心肌组织细胞凋亡的变化，A、B为平衡盐对照GIK 组，E、F 为 DON 组（己糖胺通路选择性抑制剂 DON），绿色显示 TUNEL 阳性结果，蓝色以 DAPI 标记细胞核析结果，实验数据以 Mean±SEM 表示（n=6）**P<0.01，与 CON 相比。

本文编号：2803275