婴幼儿心脏外科的神经保护

随着外科技术和围术期管理的提高，先天性心脏病（congenital heart disease，CHD）外科手术病死率和术后并发症显著下降。人们越来越关注术后患儿的生活质量，其中最引人注目的就是神经系统并发症。随着存活病人的增长，人们逐渐意识到，在婴幼儿时期进行开胸心脏手术的病人，在发育和成熟过程中，很多出现神经系统并发症。有报道高达50%患儿在学龄期时出现神经发育迟缓问题，主要表现在注意力和学习方面。这些将对病人及其家庭造成巨大的心理压力和经济负担。

CHD引起的神经系统损伤的机制是复杂的、多因素的，可发生于任何时间，包括产前和围生期。可能发生在宫内时［脑部畸形和（或）胎儿循环紊乱］，在出生后等待手术时（发绀、脑血管调节失常、血流动力学不稳定所致的缺血缺氧），在术中（体外循环、低温、血液稀释、脑栓塞），以及术后（低心排综合征、抽搐、全身感染等）。而且远期神经功能的发育也受到基因、社会和环境因素、心脏病变类型（决定了手术的时间及方式）等多种因素的影响。在幼婴儿时期进行心脏外科手术，其神经系统受到影响因素将更多。越来越多的文献表明：病人在出生后一周内行心脏外科手术，到学龄期时，将更有可能出现学习障碍及行为异常。而在婴幼儿进行心脏外科手术，且为多次姑息手术，可能更容易出现神经损伤。

CHD婴幼儿与成年人不同的病理生理特点，使其神经损伤的机制也有所不同。以往神经保护主要集中在改进术中的管理策略。可使术后早期的神经并发症的发生率有所下降，但远期神经发育的情况并没有变化。通过神经并发症的危险因素分析，对相似人群细胞的损伤及保护机制的研究，以建立CHD婴幼儿心脏手术神经损伤的诊断、预防和治疗的新策略。

一、CHD婴幼儿外科手术神经损伤的病因

（一）CHD外科手术神经损伤的危险因素

引起神经损伤的相关危险因素。通过对婴幼儿CHD外科手术病人进行回顾性分析，得到急性神经损伤和慢性神经损伤的危险因素。主要有：低手术年龄、低体重、使用深低温停循环（deep hypothermic circulatory arrest，DHCA）、过长的体外循环（cardiopulmonary bypass，CPB）时间、再次手术、CPB时的低温程度、CPB时的血红蛋白比容。通过这些危险因素的分析可以了解心脏外科手术对神经损伤的可能机制，对外科技术、CPB、麻醉等环节进行改进，以期减少神经系统的损伤。

（二）CHD婴儿的神经易损性

CHD外科手术所致的神经系统损伤很显著的一个危险因素是低手术年龄，特别是出生后1周内进行心脏外科手术的病人。婴幼儿与成人在病理生理有着明显的不同，婴幼儿进行心脏外科手术所致的神经系统损伤，除了手术引起的损伤，与婴幼生理有密切的关系。越来越多的证据表明，很多复杂CHD病人胎儿期合并脑发育迟缓或异常，这可能使胎儿在围生期容易遭受神经损害。最近神经影像学研究显示，刚出生CHD足月新生儿（尚未手术）的影像与早产儿缺血缺氧的影像相似。早产儿缺血缺氧最常见的神经病理损伤是脑室周围白质软化病（periventricular leukomalacia，PVL）。有研究显示，在CHD足月儿在出生后的影像提示有PVL高达20%，而术后上升至50%。说明有部分合并CHD的新生儿出生时就存在着脑神经损伤，而经心脏外科手术后，部分病人脑神经损伤加重。存活早产儿和在婴幼儿期进行外科手术的CHD病人，在长大后都表现出广泛的神经发育不良。提示CHD婴儿行外科手术后，与早产儿一样容易出现脑白质损伤和神经发育迟缓。但并不是所有人认为CHD婴幼儿术后出现神经损伤与手术有关，由于CHD婴幼儿术前往往已经合并脑损伤，所以有部分学者经过研究认为，CHD患儿术后出现神经发育异常并不是由于手术所导致，而是术前已经存在神经病变，成长后出现相应的神经系统症状。

除了缺血缺氧损伤，CHD婴幼儿还可因栓子（血栓、气栓）导致的局灶性神经损伤。栓子出现与心脏病变及手术过程相关。CHD病人进行开胸心脏外科手术，围术期发生脑梗死的确切发生率仍不明确。栓塞发生率可能与心脏病变类型、手术年龄、围术期血红蛋白压积及CPB时间等有关。最近一次研究表明，婴幼儿心脏外科手术，MRI上表现有10%出现没有临床表现的微梗死，较术前增加了50%。

术中神经系统的损伤除了受炎症、应激氧化、栓塞、脑血流紊乱等因素相关外，脑出血可能也是其中一个病因。有报道，进行双心室纠治的婴儿，其MRI表现为含铁血黄素病灶，提示也颅内有出血病灶。而这种出血损伤与心理发育指数偏低相关。表明颅内出血也是婴幼儿行心脏外科手术脑损伤的因素之一。

（三）术后不稳定的生理状态

术后早期的神经易损性：由于心肌储备的限制，低心排综合征（low cardiac output syndrome，LCOS）在儿童中常见，多发生在术后6～18h，而以新生儿或婴幼儿可高达25%。姑息手术的LCOS相关的发病率及病死率更高。术后LOCS的血流动力学不稳定，导致全身的低灌注以及神经系统及其他终末器官的损伤。药物的使用能防止LCOS的发生，并改善手术的预后。尽管这些因子被认为有间接神经保护作用，但它们在远期神经发育的作用还没有正常的研究。

术后远期的神经易损性：很多CHD病人渡过围术期后，仍有进行性神经损伤。不理想的血流动力学、残存的心内右向左分流、高凝、心律失常都可以导致血栓及相应的CNS损伤。姑息术的发绀与神经发育不良有关。

二、以往婴幼儿心脏外科手术神经保护策略

（一）技术改进

自从20世纪40年代发明DHCA，50年代发明CPB，心脏外科手术成功率得到极大的提高。已经证明，这些技术并发神经系统早期和远期并发症。对于如何减少手术期间脑缺血损伤风险，集中于围术期技术的改进，目的在于优化脑血流、减少脑组织的氧耗、避免神经细胞损伤。早期神经保护策略包括以深低温低流量代替DHCA，CPB过程中的pH及血气管理，以及对血液稀释、低温、复温有不同的管理方案。这些措施在急性神经损伤中对神经保护有益，但暂没有证明表明对长期神经保护有利。

（二）药物措施

一直以来，人们利用药物在围术期脑神经减少受损。主要药物有：挥发性麻醉药、甲泼尼龙、抑肽酶、别嘌醇等。基于大量的实验数据，这些作用也许有神经保保护用，可在心脏外科手术时减轻缺血损伤。然而，在临床，没有一种药物被证明在婴儿心脏外科手术过程中有降低神经损伤的风险。别嘌醇已经被证实不能降低病死率和减轻神经损伤；而抑肽酶，由于在成年人研究中发现CPB后增加肾衰竭及终末器官的损伤而被禁用。而其他药物在CHD病人尚未进行系统的研究，暂无远期效果以及安全性结论。

三、研究的限制

低发病率及个体的差异性：许多因素影响了CHD病人神经保护方法的发展。其中一个就是CHD的发病率。CHD的发病率为0.6%～0.8%，除了大型的医疗中心外，其他医疗中心无法进行高质量的随机对照试验。而多中心试验常因不同医疗中心不同的术式及不同的管理方法而出现研究的混乱。而且，CHD有多种不同的分型；就算相同分型的病人，由于个体生理及血流动力学不同，也使神经损伤的风险不同，这些都阻碍对CHD引发神经损伤进行系统的研究。

神经并发症出现的时间：神经系统的损伤是复杂的，虽然部分严重的神经功能损害在手术后很快表现出来，而大部分的神经并发症，只有随着患儿发育才逐渐表现，比如直到学龄期才会表现神经心理学病变（如学习困难、行为异常、运动滞后、注意力不集中、多动症等）。干预措施与神经病变出现时间相距过长，从而影响了研究的进行。

成年人与婴幼儿的不同：目前很多神经保护策略来自于实验室或成年人的心脏外科手术。而这些策略也许并不适合于婴儿CHD神经保护。婴幼儿不同于成年人病理生理，使研究方法有所不同。

四、缺血预处理

缺血预处理（ischemic preconditioning，IPC）指预先暴露在一系列低于细胞凋亡剂量下的伤害下，以加强内源性防御机制，从而对随后出现细胞致死量的伤害有更加的保护能力。IPC在1986年由Murry等人在心肌梗死中描述，随后在心脏外器官，包括脑、肝、肾中报道。人们通过对脑和心脏IPC介导的保护机制的研究，认识了很多急性应激介导的细胞凋亡途径。

（一）IPC的信号通道

神经元和心肌细胞的特点都是高代谢、低增生能力。尽管神经元心肌细胞有很多共同的特性，但不同的代谢和信号传导主要仍决定各自的诱导的内源性保护机制的不同。

心脏与神经在预处理其中一个很大的不同是神经缺血的模型缺乏早期的保护窗口。心肌细胞进行短暂的缺血缺氧预处理后，先诱发了快速短暂的第一保护阶段，随后数小时后出现第二保护阶段并持续数天。心肌有缺血预处理可以诱发两个保护阶段，而神经只有第二保护阶段。

心肌的早期IPC与阿片类和缓激肽受体途径激活有关，在适当的刺激后，所有信号汇聚激活蛋白激酶C（PKC）。PKC充当了IPC触发的最后共同通道。

中枢神经系统的神经激酶预处理保护相关途径远远不如心脏。线粒体水平应激信号似乎是神经元预处理的必要条件，神经预处理包括新的蛋白合成，热休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）激活，ATP依赖的钾通道的开放。经过IPC，激活了氧化还原敏感通道，再灌注时通过第二次应激后，改变了代谢状况。但这种保护形式激活远远慢于心肌的预处理，需要数小时到数天才起效。IPC的保护作用，除了必要的IPC激酶通路的激活，在非致命应激后数小时进行新的蛋白转录，包括上调HSPs和缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）等。而休克蛋白是细胞分子伴侣，在细胞内对细胞应激反应为直接降解蛋白或重新折叠蛋白。

通过对预处理的应激，提高这些分子的调控力，当对以后出现其他致死性的损伤时进行补救，提高细胞的生存。HIF是一种转录因子，调节由细胞缺血诱发的数百种因子，包括那些调节内皮细胞NO产生，促红细胞生成素合成，多种葡萄糖转运、糖酵解、血管增生。HIF已经证实是预处理进行细胞保护必需的介质。可以是通过无糖酵解来保存线粒体功能。这些改变是非常复杂的，因为每一个激活的蛋白具有独特的效应分子，从而调节基因转录，细胞膜离子通道特性和代谢功能。

（二）IPC的临床应用

通过对IPC介导途径的了解，人们逐渐将IPC引向临床，其中比较有效的就是远程缺血预处理（remote ischemic preconditioning，RIPC）。RIPC指在远处的地方进行预处理刺激，如对手或足用血压计加压，而在远处目标产生类似IPC的保护作用［如脑和（或）心］。

RIPC的远距离效应的确切机制仍然未知，但临床前期的调查提示可能有多种途径参与，包括了体液调节及神经调节。已有不同的实验证实了RIPC这两个调节机制的存在。虽然RIPC的确切保护机制需要进一步探索，目前一些临床RIPC应用已正在测试。这些措施包括对急性心肌梗死、卒中、甚至周围的心脏手术，进行远程前处理和后处理。一个随机对照研究证明RIPC在CHD儿童外科手术提供心肌保护（肌钙蛋白降低和术后强心药减少）。虽然还没有在心脏手术期间RIPC对神经损伤作用的研究，但我们相信在CHD病人施行RIPC，进行CPB时会有更好的神经保护结果。

五、未来婴儿心脏手术的神经保护

尽管在过去20年里，没有明显改善CHD儿童神经系统发育，但分子科学及技术的飞跃发展，使我们对很多模型的神经病理学有更好的理解，从而对CHD病人提供全新脑神经损伤诊断和预防的方法。

（一）术前设想

对准备分娩的胎儿，通过胎儿超声心动，早期准确地诊断复杂性CHD，进行快速的医学治疗，可以降低血流动力学并发症的风险，对某些类型的CHD有可能改善神经系统的预后。对于某些病例，通过产前诊断可以进行专门的胎儿心脏干预措施，以优化胎儿的血流动力学，不但有可能改善心脏的预后，也有可能恢复正常的脑血流循环，理论上可促进中枢神经正常发育。虽然近期有一项研究表明，对主动脉狭窄的胎儿干预后，脑血流并没有明显改变。但不断地改进和研究这些相关技术将有利于评估任何影响远期神经发育的因素。

其他产前治疗可能对某些产前诊断为CHD的胎儿有益，比如目前在早产儿已用于预防PVL及远期脑损伤，如母体应用自由基本清除剂，如维生素E、抗炎性及抗细胞因子性药物。继续研究早产儿与CHD婴儿的共同路径是必要的，特别是对于PVL的发展，比如缺血再灌注和自由基损伤，将会推动神经保护策略的发展。

最后，随着近年来对CHD的基因及分子基础的研究发展，已经确认多个基因与多个心脏畸形相关，而这些CHD的基本遗传已得到确认。同理，对CHD病人的异常神经发育的基因研究也在探索中。Gaynor等描述了多态性的Apo-E等位基因可能与不良的神经结局相关。随着该领域的发展，基因对神经风险的预测将变得非常重要，而病人将得到更加个性化的分析及治疗。

（二）术中设想

术中的管理策略仍是重要改进的因素。最新的术中技术包括对左心发育不良综合征的Hybrid治疗、选择性低流量脑灌注、正在研究的近红外光谱，尽管目前这些措施对远期效果可能没有改进。

另外，灌注方法的改进，如使用涂层循环管道、白细胞滤器、改良超滤、小型化管路或血液优化，还有正在研究试验的常温常氧灌注方案。这些远期效果尚未清楚。虽然儿童组织的特殊性，但与成年人及基本科学的相近性将有利于理解CPB相关的并发症，而将有利于发展成年人和儿童在心脏外科手术出现的多器官功能失常的预防和治疗。

术中脑保护的另一个热点是药物治疗。目前在术中使用的药物，包括激素及麻醉药，都将要进一步研究。而且，IPC介导的保护作用的途径得到更多的阐明，实验人员及临床医生都在研究心脏外科手术所致的缺血损伤的本质，期以内源性细胞的保护机制进行治疗。其中一个较多的方法是利用siRNA阻止脯氨酰羟化酶的翻译，而脯氨酰羟化酶在正常情况下对HIF－1α进行蛋白降解。在心肌梗死的老鼠模型中，使用siRNA PHD阻滞药以激活HIF，产生缺血保护作用，而这些作用与缺血预处理的细胞也同样见到。其他的研究显示，分子伴侣HSP70是细胞内预处理产生保护的一个基本物质，释放到细胞外可能也有神经保护作用，而外源性的HSP70也许可以诱发类似预处理的神经保护。当然，所有这些类预处理的治疗方法看起来是很吸引人的，但仍需要更多的研究。

（三）术后设想

临床处理CHD婴儿不良的神经结果的一个重大的挑战是缺乏能够及时评估神经损伤的工具。随着快速及特异的神经损伤生物标记物的发展，将对这方面有所帮助。候选的生物标记物有HSPs，IL-6，CRP，S-100b，NSE，血清钙和激活素A。这些已经在CPB及其他引起神经损伤的模型中研究。我们等待着这些标记物对远期效果的价值的评估。

人们热衷于发展中枢神经应激的外周标记物，这将可以在不同临床方面得到应用。如异前列腺素、类前列腺素分子，由花生四烯酸在体内经自由基氧化产生，在不同的神经变性疾病中证实合成增加。对于氧化应激定量的金标准，F2-IsoP群系目前在不同的病种中研究，但暂没有新生儿缺氧或CHD儿童的资料。同样，由自主基介导产生的二十二碳六烯酸（DHA），在正常人类大脑神经元中主要的脂肪酸，neuroprostane的构成物，也许是一个氧化损伤更敏感的生物标记物，特别是大脑。

六、总 结

婴幼儿进行CHD外科手术后不良的神经发育是存活患者发育过程中一个常见的并发症。CHD婴幼儿是一个特殊的群体，有着不同的病理生理特点，其心脏外科手术所致的神经损伤机制与成人也不尽相同。以往术中管理策略对急性脑神经损伤有益，但没有显示对远期脑神经损伤有所改善。通对早产儿、IPC等模型的神经损伤机制的研究，有助于提供更多新的神经损伤预防和保护方案。随着科学的不断不发，特别是基因的研究，当CHD相关的神经损伤基因及分子基础得到阐明时，将能对不同的风险进行相应的个性化治疗。

（罗丹东 陈寄梅）