胡 臻 李 川 余蓓蕾 古晓燕 孔 凌 董建华 杨 茜 黄 力 吴 边 葛永纯 龚德华

摘 要

目的:通过猪高碳酸血症模型,研究低流量体外循环二氧化碳清除(ECCO2R)装置的二氧化碳(CO2)清除效率及其影响因素。

方法:采用控制性低潮气量建立高碳酸血症模型后,6头实验猪接受基于连续性肾脏替代治疗(CRRT)平台进行的ECCO2R治疗。在治疗的前2 h内,交替采用面积为0.8 m2、1.2 m2的2种膜装置,在气体流量12 L/min情况下,每15 min调整一次,观察血流量(BF)100 mL/min、250 mL/min及400 mL/min时CO2清除量(VCO2)的变化;后续2 h则采用0.8 m2面积的装置及BF 400 mL/min情况下,每15 min调整一次,观察气体流量4 L/min、8 L/min及12 L/min时VCO2的变化;在第3个2 h,膜装置不变及固定12 L/min气体流量情况下,同样调整潮气量以改变膜前CO2分压(PCO2pre),观察BF 100 mL/min、250 mL/min及400 mL/min情况下VCO2的变化;在后续时间继续使用原膜装置,固定BF 400 mL/min、气体流量12 L/min及PCO2pre70 mmHg左右条件持续治疗24 h,观察血气指标随治疗而变化情况。

结果:6头猪共5头完成实验,其中一头因膜装置严重凝血而中断治疗。相同BF情况下2种面积的膜装置校正VCO2无显著差异;气体流量变化对VCO2亦无显著影响;而随着BF增大及PCO2pre升高VCO2则显著增加,三者之间的关系可采用下述拟合方程表示:VCO2 (mL/min)=0.18×BF (mL/min)+1.21×PCO2pre(mmHg)-59.89 (P<0.000 1,条件R2=0.82)。持续24 h治疗中,VCO2基线时最高,达119.33±23.16 mL/min,后续呈缓慢下降并逐渐稳定在60～70 mL/min。动脉CO2分压(PaCO2)第1 h由基线59.22±5.22 mmHg降至48.36±5.02 mmHg, pH值由7.30±0.05升至7.39±0.02(P<0.05)。后续治疗中, PaCO2维持在较平稳状态, 24 h时为51.04±3.98mmHg(P<0.05);pH值略有回落,24 h时为7.34±0.03(P>0.05)。

结论:低流量的ECCO2R的CO2清除效率主要与BF相关,也受到血CO2分压(PCO2)的影响。而0.8 m2或1.2 m2膜面积及4～12 L/min的气体流量对CO2清除效率无明显影响。借助于CRRT平台的低流量持续ECCO2R可有效降低PaCO2。

关键词 高碳酸血症   连续性肾脏替代治疗   低血流量   体外循环二氧化碳清除

ABSTRACT

Objective：To investigate the efficiency and effective factors of a low-flow extracorporeal carbon dioxide removal (ECCO2R) device in a group of hypercapnia pigs. 

Methodology：Controlled by low tidal volume, 6 hypercapnia pigs were treated with extracorporeal carbon dioxide removal (ECCO2R) combined with continuous renal replacement therapy (CRRT). During the first 2 hours, at the gas flow of 12 L/min, 2 membrane devices with the surface area of 0.8 m2 and 1.2 m2 were alternately applicated, adjustments were made every 15 minutes to measure the volume of CO2 removement (VCO2) at blood flow (BF) of 100 mL/min, 250 mL/min, and 400 mL/min. For the next 2 hours, a 0.8m2 area device and a BF of 400 mL/min were provided, and adjustments were also made every 15 minutes at gas flow of 4 L/min, 8 L/min, and 12 L/min. In the third 2 hours, with the 0.8 m2 area device and the gas flow of 12 L/min, adjusted the tidal volume to change the pre-membrane CO2 partial pressure (PCO2pre), measuring the VCO2 at BF 100 mL/min, 250 mL/min, and 400 mL/min. Using the previous membrane device, with the BF 400 mL/min, gas flow 12 L/min and PCO2pre at 70 mmHg for the continuous 24-hour treatment, the changes of indicators in blood gas analysis were observed. 

Results：Five out of six pigs completed 24-hour treatment, one of them interrupted treatment due to severe coagulation of the membrane device. There is no difference in the adjusted VCO2 of two membrane devices with the same BF, VCO2 did not increased (P>0.05) as the gas flow increased. As BF or PCO2pre increased, VCO2 significantly increased, the relationship could be represented by the following equation: VCO2 (mL/min)=0.18×BF (mL/min)+1.21×PCO2pre(mmHg)-59.89 (P<0.000 1, conditional R2=0.82). During continuous 24-hour treatment, VCO2 reached its maximum at baseline, 119.33±23.16ml/min, followed by a slowly decrease and gradually stabilizing at 60～70 ml/min. Partial pressure of arterial carbon dioxide (PaCO2) decreased to 48.36±5.02 mmHg from 59.22±5.22 mmHg after the first-hour, and the pH value increased from 7.30±0.05 to 7.39±0.02(P<0.05). In the subsequent treatment, PaCO2 remained relatively stable, with a 24-hour value of 51.04±3.98 mmHg(P<0.05) and the pH value slightly decreased, reaching 7.34±0.03(P>0.05) at 24 hours. 

Conclusion：The CO2 removal efficiency of low-flow ECCO2R is mainly related to BF and is also affected by blood PCO2. A membrane area of 0.8 m2 or 1.2 m2 and a gas flow rate of 4 to 12 L/min have no significant effect on CO2 removal efficiency. By utilizing the CRRT platform's low flow continuous ECCO2R, PaCO2can be effectively reduced.

Key words hypercapnia   continuous renal replacement therapy   low blood flow   extracorporeal carbon dioxide removal

图1 VCO2影响因素研究流程图

CO2:二氧化碳;VCO2:CO2清除量;PCO2pre:膜前CO2分压;每组按条件出现顺序进行组合,每种组合条件持续治疗15 min后进行数据测量

前6 h结束后,重新设定潮气量为6 mL/kg,在关闭CO2清除器气体流量情况下继续使用原0.8 m2 CO2清除器体外循环1 h,定义为持续治疗起始点(0 h),设定气体流量12 L/min,BF 400 mL/min持续治疗24 h,分别测量0 h、1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、15 h、18 h、21 h、24 h膜前、膜后及动脉血气结果。治疗24 h后结束实验,测量实验前基线及持续治疗24 h后实验猪血常规、肝肾功能、凝血功能等实验室指标及CRRT机器相关压力参数、呼吸机相关参数等。本实验方案实施前已通过东部战区总医院伦理委员会审查(批准文号2017NZGKJ-019),所有动物实验均在医院比较医学科进行,动物实验相关操作完全符合2016年颁布的《实验动物管理与使用指南》。

动物准备   6头实验猪实验前饲养1周。实验开始前禁食禁水12 h,实验开始后予以肌注替来他明(10 mg/kg)、唑拉西泮(10 mg/kg)、阿托品(1.0 mg)行基础麻醉。麻醉后称重并固定于手术台,通过耳缘静脉持续注入丙泊酚[4 mg/(kg·h)]维持麻醉,阿曲库铵0.15 mg/kg肌肉注射,行气管插管接呼吸机,呼吸模式调整为容量控制模式,呼吸频率10次/min, O2浓度40%,吸呼比1∶2,呼气末正压(PEEP) 5 cmH2O,前6 h通过改变潮气量调节PCO2pre,后24 h潮气量保持为6 mL/kg,其余呼吸参数实验过程中保持不变,阿曲库铵以0.18 mg/(kg·h)持续静脉泵入完全抑制自主呼吸。于右侧颈内静脉、右侧股静脉分别置入两根双腔导管(12.5Fr, BARD, USA)作为血管通路,左侧股动脉穿刺行动脉血压监测,并作为动脉抽血通道。实验结束后予10 mL氯化钾溶液静脉注射处死实验猪。

图2 体外循环二氧化碳(CO2)清除的示意图

校正VCO2:将PCO2pre采用45 mmHg校正[12],即VCO2校正=VCO2测量×(45/PCO2pre)。

实验前后实验猪情况比较   实验前基线及持续治疗24 h后(实验31 h)实验猪体重、体温、心率、血压、CRRT、呼吸机相关参数均未见明显变化(P>0.05)。实验室相关指标中血小板(PLT)、血清肌酐(SCr)、尿素氮(BUN)明显下降,谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)较前显著升高(P<0.05),血红蛋白(Hb)较前下降,但差异并不显著(P>0.05)(表1)。

表1 实验前后情况比较

CRRT:连续性肾脏替代治疗;TV:潮气量;Pplat:气道平台压;Ppeak:气道峰压;Pmean;气道平均压;WBC:白细胞计数;Hb:血红蛋白;HCT:血细胞比容;PLT:血小板;ALT:谷丙转氨酶;AST:谷草转氨酶;SCr:血清肌酐;BUN:尿素氮

气体流量的影响 固定膜面积(0.8 m2)及BF(400 mL/min)情况下,气体流量4 L/min、8 L/min及12 L/min时的校正VCO2无明显变化(图3)。

BF的影响 研究膜面积的影响时,校正PCO2pre后的VCO2随BF升高而显著增加(图3)。

VCO2 (mL/min)=0.18×BF (mL/min)+1.21×PCO2pre(mmHg)-59.89 (P<0.000 1,条件R2=0.82)。

本文通过一组不伴缺氧的高碳酸血症模型动物实验,研究ECCO2R治疗中影响CO2清除的因素,证实BF及PCO2pre是主要因素,在低BF情况下膜面积及气体流量则影响不显著。同时通过24 h ECCO2R治疗进一步证实了其持续降低PCO2的作用。

可能影响CO2清除效率的因素包括BF、气体流量、膜面积。早期有实验表明VCO2与气体流量相关,甚至可以通过控制气体流量来调节血液PCO2水平,在高BF(4～6 L/min)情况下,随着气体流量增加(1～9.3 L/min),VCO2逐渐增加直至饱和[13]。近几年也有动物实验表明,在高BF情况下,增加气体流量可明显增加VCO2,且BF越大,气体流量对VCO2影响程度越大,BF在900 mL/min时,气体流量从2 L/min增至8 L/min所带来的标准化VCO2增幅为15 mL/min,而BF 1 800 mL/min时对应增幅为26 mL/min[10]。而关于膜面积对VCO2的影响,已有的研究显示两者呈现正相关,且BF越大,影响效果越显著[8]。

上述这些研究都是在高BF情况下进行的。而本研究结果显示,在ECCO2R低BF情况下(<500 mL/min)时,气体流量及膜面积的变化对CO2的清除效率并无太大影响。可能的原因在于低BF情况下,达到CO2清除效率峰值平台所需的膜面积及气体流量远低于目前研究设定数值。这些结果,特别是膜面积对清除效率影响不大,对于临床选择面积更小的CO2清除器用于ECCO2R提供了依据。而膜面积越小,则意味着血/膜接触面积亦小,凝血风险降低,对于治疗过程中的抗凝需求随之降低。在ECCO2R临床应用中,抗凝相关并发症是影响其临床预后的重要因素[14-15]。由于本研究只试验了1.2 m2和0.8 m2 两种面积,膜面积更低是否仍能保持相当的CO2清除效率,值得我们进一步研究。

本研究也证实,BF是影响CO2清除效率的主要因素,同时也显示了在与CRRT治疗相当的BF情况下(400 mL/min),可达到近100 mL/min的CO2清除速率,治疗24 h可使PaCO2从59.22±5.22 mmHg降 至48.36±5.02 mmHg(降幅18.2%±7.5%)。借助于CRRT平台的ECCO2R因其体外循环血量相对较小,清除效果能否满足临床治疗需求受到关注。2009年的一项研究表明了该组合模式在治疗急性呼吸窘迫综合征中实现保护性通气的作用,膜面积0.33 m2,体外循环血量300 mL/min左右的BF治疗60～90 min后PaCO2从73.6±11.1 mmHg降至50.4±8.2 mmHg并维持稳定,72 h后降至47.2±8.6 mmHg,动脉血pH从7.20±0.02升至7.38±0.04[16]。另一项研究也表明低流量ECCO2R治疗高碳酸血症的有效性,400 mL/min的体外循环循环血量可清除CO2量为43.4±14.1 mL/min,最大可达75 mL/min,治疗30 min后PaCO2即从68.3±11.8 mmHg降至61.8±11.5 mmHg,pH值由7.18±0.09升至7.22±0.08[17]。这些研究数据与本研究结果相当。此外,我们还观察到,治疗过程中CO2清除速率有逐步下降的趋势。除了可能与CO2清除器凝血、效能下降相关外,还可能与治疗后体内CO2减少,PCO2prre下降相关,因为我们的数据证实,影响CO2清除速率的另一重要因素为PCO2prre。PCO2pre对于VCO2的影响考虑由于CO2的弥散动力主要是膜两侧的PCO2梯度差,压力梯度差越大,CO2越容易转移至膜外侧。已知采用O2或空气时膜外侧PCO2均接近于0,因此PCO2pre越高,两侧的压力梯度差越大,VCO2也就越大。在临床应用中PCO2pre等同于血液中PCO2,治疗目的即为降低PCO2,根据本研究的结果提示,若想要增加CO2清除效率,首先考虑提高BF,但BF增加,随之而来的抗凝风险及置管难度也同样增加,导致的出凝血并发症及置管并发症可能会抵消甚至超过清除量增加所带来的受益,所以目前临床应用时需同时兼顾效率及并发症的问题。

临床中需ECCO2R治疗的机械通气患者往往合并急性肾损伤[18],需同时进行CRRT,因此ECCO2R常需与CRRT联合[17,19]。在联合治疗模式中,CO2清除器可置于滤器前,而部分CRRT置换液可经膜前血液输入起稀释膜前血液,降低抗凝压力的作用。但该方式可能存在的问题在于,膜前输入置换液呈低PCO2、高pH状态,输入膜前血液后,降低膜前PCO2及升高pH,进而降低清除效率。另一种联接方式是将CO2清除器置于滤器后,本研究即采用了此种方式。本研究数据显示,在ECCO2R-CRRT体外循环系统压力最高处即滤器前压可达357.8±35.9 mmHg,如将CO2清除器置于滤器前则可能导致清除器承受压力过大而出现破膜,而置于滤器后则避免了压力过高带来的风险。

小结:低流量的ECCO2R的CO2清除效率主要与BF相关,也受到PCO2的影响。而0.8 m2或1.2 m2膜面积及4～12 L/min的气体流量对CO2清除效率无明显影响。借助于CRRT平台的低流量持续ECCO2R可有效降低PaCO2。

来源：肾脏病与透析肾移植杂志订阅号