ECMO 生理学：体外支持与心肺相互作用

介绍

      体外支持越来越多地被用作心源性休克（包括心脏骤停（eCPR））的抢救策略，在这种情况下，静脉-动脉（VA）体外膜肺氧合（ECMO）可暂时支持心肺功能；在急性呼吸衰竭时，静脉-静脉（VV）ECMO 可用于支持肺功能。在过去二十年中，这两种 ECMO 模式的使用几乎呈指数增长，到 2020 年，ELSO 登记在册的治疗次数已超过 151,000 次。

      在 VA ECMO 期间，静脉血通常从右心房和/或腔静脉排出，在氧合器中氧合和脱羧后返回动脉系统。 回流插管可以位于升主动脉的中心位置，这在心脏术后的患者中很常见；也可以经皮插入股动脉，这在急性心源性休克或 eCPR 期间很常见。在 VV ECMO 中，静脉血通常从 IVC 排出，直接回流到右心房，或通过注入上腔静脉（SVC）回流到右心房。然后，右心通过肺将已经氧合和脱羧的血液泵入左心，再由左心将血液泵入动脉循环。由于 VV ECMO 需要足够的左右心室功能，因此主要用于严重肺功能衰竭的患者。

      不同的 ECMO 模式及其相关的插管技术对心肺生理学的影响明显不同。VV ECMO 主要与右心和肺功能相互作用，因为它可能会降低右心室的后负荷，而 VA ECMO 则绕过并影响整个心肺单元及其功能。

       本综述的目的是描述不同 ECMO 模式的这些相互作用，并说明与正确管理严重心力衰竭和/或肺衰竭的体外支持相关的生理概念。表 1 列出了本综述中提出的所有相互作用，并解释了基本的生理概念、临床后果和可能的管理策略。

静脉-动脉 ECMO

与左心室后负荷的相互作用

        在 VA ECMO 中，氧合和脱羧的血液被送回动脉系统。由于左心室（LV）必须顶着因 ECMO 流入而增加的主动脉压力进行射血，这必然会增加左心室的后负荷。根据左心室的状态，这可能会产生严重的负面影响。在压力-容积图中，这表现为环路向右上方移动，主动脉弹性（Ea）增加，同时左心室充盈容积和舒张末压增加。由于左心室舒张末压在充盈容积增大时呈指数增加，这可能与左心室已经膨胀和受损的情况最为相关，心源性休克时经常出现这种情况。这些影响会导致左心室射血分数降低、每搏量减少、肺水肿和心脏缺血，并可能增加左心室血栓形成的风险--所有这些因素最终都会影响心肌和患者的恢复。右心功能进一步决定了左心室超负荷的程度，右心室功能增强，如收缩末期压力容积关系（ESPVR）增强，可能使功能障碍的左心室进一步超负荷。减轻左心室后负荷和伴随的扩张的策略包括药物减轻后负荷（主要通过使用血管扩张剂）或减少血容量，或在必要时通过 Impella 装置、主动脉内球囊反博或左心室通气导管进行机械减压。最近的研究和荟萃分析表明，26.7% 至 49.0% 的接受 VA ECMO 的患者接受了机械卸载，机械卸载与死亡率的降低有关，但前瞻性试验的数据尚缺。机械卸载与 VA ECMO撤机成功率增加有关），但也观察到并发症发生率较高。VA ECMO 机械卸载的进入和退出策略需要在未来的研究中进一步明确，左心室负荷过重的管理策略应根据潜在的病理生理过程个体化。如果采用机械卸载，早期策略可能会有益处。

静脉回流是体外支持的限制因素

       Guyton 的静脉回流 (VR) 模型一直是争论的话题。 通过一系列精心设计的生理实验，我们解决了之前针对该模型提出的论点。 尽管辩论的全部细微差别超出了本文的范围，但以下推理不受任何剩余争议的影响。 由于血容量超过非张力容量，因此循环受到张力容量的加压，这产生正的跨壁血管压力，在零流量时也存在。 这是储存在血管壁中的静态能量的表现。 平均体循环充盈压（MSFP）是零流量时的平衡动静脉压，等于张力血管容量与全身血管顺应性的比率。 在流动期间，心室和/或 ECMO 泵的工作将部分张力容量从静脉转移到动脉室。 流动的先决条件是存在压力梯度，将血液从高压点推向低压点。 静脉回流要求 MSFP 超过右心房 (RA) 压力 (PRA)，并且血流受到静脉血管的阻力特性（VR 阻力：RVR）的阻碍。 虽然承认 RVR 是代表复杂生理学的数学抽象，但它仍然可以用以下关系表示：

       当膨胀跨壁压力降至零时，血管回路的软血管壁将开始塌陷。当右侧泵功能（原生 RV 或 ECMO 泵）排出的容积大于 VR 回流功能从外周推入 RA 的容积时，血管就会塌陷，随着阻力向无穷大方向增加，进一步限制了血流。在这种情况下，除非首先增加 VR，否则心输出量和/或 ECMO 流量无法通过增加泵速来提高。根据上述公式，只有通过使用血管加压药和/或扩容，增加张力容量和 MSPF，或减少静脉回流阻力（RVR），才能实现这一目标。

由于天然动脉系统和人工动脉系统中的氧含量不同而导致的差异性缺氧

      在 VA ECMO 的情况下，氧和二氧化碳含量不同的原生动脉血流和人工血流都会进入动脉系统。除了左心室后负荷增加外，根据插管策略和左心室功能，人工回路的含氧血液可能无法到达所有器官。在接受外周插管 VA ECMO 治疗的患者中，如果左心室功能有所改善，但肺功能较差，则可能会出现不同程度的缺氧（又称南北现象或丑角现象）： 左心室含氧量低的血液可到达身体右上象限，包括心脏和大脑，而注入股动脉的膜肺含氧量高的血液无法到达这些重要器官。可将右桡动脉的血气分析结果与左桡动脉或股动脉的血气分析结果进行比较，以监测差异缺氧。在 VA ECMO 期间，静脉系统也可能出现不同程度的缺氧：从 IVC 排出的血液中的氧饱和度可能与肺动脉和 SVC 中的氧饱和度相差很大。由于静脉混合增加，肺动脉饱和度逐渐降低可能会进一步降低左心室饱和度。可通过将引流插管朝向 SVC 重新定位或修改插管策略来解决这一问题。一种常见的解决方案是 V-AV ECMO（从 IVC 引流血液并注入 SVC 和股动脉），或者在右心室衰竭的情况下进行 VV-A ECMO（从 IVC 和 SVC 引流）。改善差异性缺氧的关键在于增加 SVC 的引流，因为 IVC 的富氧血液会进入 RA 并减轻差异性缺氧。

VA ECMO 中气体交换的转移和监测

       在 VA ECMO 期间，肺功能通常会恶化，主要原因是左心室充盈压增加，肺血管随之充血。人工肺可以为患者提供完全的气体交换，肺通气所需的机械动力被转移到膜肺。这种转移的程度与通过原肺的血量直接相关。监测原生肺功能很困难，但可以通过容积测量评估真实的氧摄入量和二氧化碳排出量。要完全断开并移除 ECMO 循环，原生肺必须能耐受足够的心输出量并提供充分的气体交换。因此，从气体交换和心输出量方面监测原生心肺单元可为撤机过程提供指导。传统的热稀释法测量心输出量可能会失败，而气体交换测量可评估原生心输出量和肺功能。然而，根据人工回路和原生回路的动脉和静脉之间不同的缺氧情况和不同的二氧化碳含量，人工回路的气体交换可能只能提供有关原生回路的有限信息。

因血流停止而导致肺功能恶化

      实验数据表明，血流停止和肺血流缺失可能导致纤维化、肺顺应性降低和肺坏死。似乎存在着几种病理生理学相互作用，可能会对原生肺功能产生重大影响。左心室充盈压升高导致的肺水肿加重、炎症导致的结构变化以及全身性炎症导致的搏动性血流缺失都可能导致长期的肺损伤。改善肺功能的策略包括减轻左心室负荷、及时充分地治疗肺炎和撤机前支气管镜检查，以及优化通气策略。

VV ECMO

对施加到原生肺的机械功的影响

      静脉-静脉 ECMO 具有减少呼吸机诱发肺损伤的潜在益处。在动物实验中，近乎呼吸暂停的通气大大减少了严重 ARDS 模型的肺组织损伤。有可能将二氧化碳排出量从原生肺转移到人工肺，而原生肺的二氧化碳排出量与人工肺的二氧化碳排出量成反比。然而，二氧化碳排出量的过渡变化很容易被体内大量的二氧化碳储存所补偿。减少机械功可能是 VV ECMO 治疗的目标，但最佳呼吸机设置仍是未知数。虽然在等能量通气模型中，无论机械功的成分如何，相似的动力应用都会导致相似的肺损伤，但通气策略应以优化和保护肺、心脏和远端器官功能为目标。

与右心室功能的相互作用

       急性呼吸窘迫综合征的特征之一是由于缺氧性肺血管收缩和机械通气造成的后负荷增加而导致的 RV 衰竭。超声心动图可及时发现急性肺心病患者，治疗策略包括启动 VV ECMO . ARDS 情况下急性肺心病的发现导致了 RV 保护性通气的概念，而 VV ECMO 可促进 RV 保护性通气。在 VV ECMO 中，含氧血液被泵入肺血管，从而改善缺氧性肺血管收缩的影响。这种效果取决于肺泡缺氧的普遍程度，但通过启动 VV ECMO，肺血管阻力和肺动脉压力大幅下降已得到证实。此外，将气体交换转移到人工肺可能会减少对机械通气的需求，从而有可能进一步减少右心室应变。右心室功能可能成为未来 VV ECMO 启动和撤机策略的重要因素。重要的是，ECMO 治疗期间的支持水平也可能影响 RV 功能： 完全的气体交换转移和绝对的肺静息可能会促进肺不张，并伴有 RV 应变，而支持水平不足则可能会加剧机械通气造成的肺损伤。在选择最佳设置时，应同时考虑 RV 应变和应用于肺部的机械功。图 1 从理论上说明了这一概念。

图 1. 对 CO2 去除、机械功和 RV 功之间拟议相互作用的理论分析。(A) 总 VCO2、肺 VCO2 和 VCO2 ECMO 之间的关系。从肺到 VV ECMO 转移的增加以线性关系减少肺 VCO2。(B) 机械功 (MP) 作为从肺到 ECMO 的气体交换传输的函数。虽然肺的机械功 (MPLung) 是肺 VCO2 的线性函数，但 RV 功 (MPRV) 可能形成 U 形曲线。潜在的最佳设置（红点）是指功和的最小值，并指示气体交换转移的最佳点。

静脉混合和动脉血氧饱和度

       动脉饱和度取决于心输出量、肺部 V/Q 比率和静脉含氧量。在高分流状态下（多达 50% 的 ARDS 患者可能出现这种情况），低心输出量状态和低静脉血氧饱和度可能会严重影响动脉系统的血氧饱和度。在 VV ECMO 的情况下，静脉混合氧饱和度取决于 ECMO 流量与心输出量的比率以及各自的氧含量。在高心输出量和明显分流的情况下，动脉饱和度可能会随着 ECMO 流量与心输出量比率的降低而呈曲线下降。然而，即使动脉血氧饱和度随着心输出量的增加而降低，氧输送也会改善。

呼吸商对呼气末肺容量的影响

       人工肺的气体交换会影响肺动脉中的气体含量，从而改变原生肺的气体交换比率。由于主要通过人工肺进行的氧合和二氧化碳排出不足，原肺的呼吸商（RQ = VCO2/VO2）会降低。这会影响肺泡气体成分，特别是肺泡 pO2 和氧合。加蒂诺尼等人早在 1978 年就已证明，根据 RQ 的不同，要使动脉饱和度达到 90%-94% 就需要更高的吸入氧浓度分数。最近发表的一项理论分析表明，如果二氧化碳完全通过人工肺排出，而原生肺的 RQ 值小于 0.1，则可能需要 1.0 的 FiO2 才能达到 100 mmHg 的 pO2 值。操作 ECMO 或 ECCO2R 的医生应注意，如果人工肺主要用于排出二氧化碳而不提供氧合，可能会发生意外缺氧。如果人工肺也提供氧合，这种影响就会大大降低。肺动脉中的气体含量不仅会影响呼吸商，还会影响血液和肺泡中的氮含量。随着时间的推移，原肺中的高氧分数会增加肺泡氮的冲刷，从而可能导致吸收性肺不张。虽然这种效应在 20 世纪 70 年代就已得到证实，但在现代 ECMO 治疗 ARDS 的情况下，这种效应尚未得到研究。因此，未来对严重 ARDS 的生理学研究应考察扫气氧分数的变化是否有助于稳定呼气末肺容积。

讨论

       体外疗法对心血管和肺部生理学有重大影响，临床管理，尤其是在缺乏大型临床研究数据的情况下，应依靠合理的生理学概念。了解这些概念有助于临床医生调整管理策略，从而改善日常临床治疗，最终提高患者的治疗效果。

       在 VA ECMO 中，心脏和肺的生理机能都发生了严重改变：虽然在 VA ECMO 中，左心室本质上是无负荷的，但左心室的后负荷始终会增加，如果不考虑采取重要措施，如充分考虑 ECMO 流量和左心室无负荷原则，左心室功能可能会大幅恶化。为了增加可实现的最大 ECMO 流量并进一步增加氧输送量，必须了解静脉回流的各种因素。当以断断续续的流量操作时，泵速的进一步增加只会加剧血管塌陷，因为已经具有负跨壁压力的血管壁被推向 ECMO 插管孔口。此时，只有改善促进静脉回流的因素才能增加潜在的ECMO流量。在 VV ECMO 中，相互作用围绕右心室和肺功能。静脉回流的概念在 VV ECMO 中是正确的，但由于引流和回流插管可能通过静脉系统连通，泵速的增加不会导致血管塌陷，而是会增加再循环，而没有改善患者氧合的潜力。VV ECMO 对右心室功能的影响，特别是后负荷减少应纳入治疗策略，气体交换的变化和由此产生的动脉氧饱和度取决于 RQ、氮含量和静脉混合氧饱和度，这对于日常临床管理非常重要。

       未来的研究应集中于生理问题。在 VA ECMO 中，这些问题应集中于维持左心室和肺功能，直到实现器官恢复。在 VV ECMO 中，最佳设备和呼吸机设置仍不明确，但策略应考虑气体成分、RV 功能以及对远处器官的附带损伤最小化。需要确定标准化的心肺功能监测策略，包括整体气体交换评估和适应性热稀释等新方法。

       大型临床试验可能有助于回答有关死亡率或患者长期预后的问题，但要充分了解体外疗法对心肺系统的影响，调整和优化这些设备的进入、维持和退出策略，以及确定需要回答的重要研究问题，还需要进行小型生理动物和患者研究以及计算生理建模。

来源:Interactions between extracorporeal support and the cardiopulmonary system

https://doi.org/10.3389/fphys.2023.123101

转载自斌哥话重症