青委专刊 | 无氧乳酸的产生与体外循环心血管术后微循环血流量减少和线粒体呼吸减少有关

无氧乳酸的产生与体外循环心血管术后微循环血流量减少和线粒体呼吸减少有关

关键词：心血管外科，乳酸酸中毒，微循环，线粒体呼吸，复苏

休克被定义为氧供需之间的不平衡，但越来越多的证据表明，氧利用的损害会导致休克状态下的器官功能障碍。虽然增加循环紊乱的干预可以使血流动力学稳定，但这些干预可能无法逆转微循环血流或线粒体功能的异常。目前评估供氧量（DO2）和耗氧量（VO2）之间平衡的方法包括血气计算和生物标志物（如乳酸）的测定。但这些方法有显著的局限性，它们只提供了人体整体氧摄取的估计，不能检测微循环血流中的灌注特异性异常。

临床决策通常受到术后即刻乳酸变化的影响，但对术后乳酸生成的不完全了解可能导致不适当的复苏处理。先前的研究表明，体外循环（CPB）后血流动力学正常的患者的乳酸酸中毒很可能是非缺氧原因引起的B型乳酸酸中毒。有研究发现，乳酸水平大于2 mmol/L提示隐匿性组织灌注不良，当乳酸水平大于4 mmol/L时，是显性休克和不良预后的强预测因子。线粒体呼吸的减少也可能影响乳酸的产生，因为氧化磷酸化导致的三磷酸腺苷的减少可能需要增加对其他代谢途径的依赖，从而导致循环乳酸的增加。

为了更好地理解和解释心血管手术后乳酸的变化，同时评估微循环血流量和氧利用的研究将是很有价值的。本研究的目的是评估心血管手术后CPB患者围手术期乳酸、微循环血流量和线粒体呼吸之间的关系。

在抽血后1小时内获得PBMCs样本用于测量线粒体呼吸。简而言之，4-5×106 PBMC细胞悬浮在MiR05缓冲液中，后暴露于底物解耦抑制剂(SUIT），用细胞OROBOROS O2k细胞能量代谢分析仪分析，记录常规呼吸、复合物I（CI）和复合物II（CII）连接的氧化磷酸化、非磷酸化呼吸（电子转移系统）活性、复合物III和复合物IV（CIV）连接的呼吸。

样本量：采用G*Power，版本3.1.9.4进行计算。对于回归分析，我们估计至少需要118名受试者来显示效应量为0.15，α=0.05，β =0.8，在我们最终的模型中使用了10个独立的预测因子。对于线粒体呼吸队列，我们估计术后对照组和循环性休克受试者之间的线粒体呼吸有20%的差异。我们计算出需要比较至少10名有和没有休克的患者，以获得足够的能力来确定两组间线粒体呼吸的统计学差异。

单因素分析：根据先前的文献，我们将患者术后乳酸峰值分为增高组（≥4 mmol/L）和正常组（≤2 mmol/L），这些文献已确定术后乳酸水平与心血管手术后不良预后相关。采用D’Agostino and Pearson testing评估数据的正态性。对于连续变量符合正态分布时采用均值标准差进行描述，而非正态分布时，采用中位数(四分位数间距）进行描述。对计数资料进行描述时，采用百分比（%）和频数（n）的描述方式。连续变量的比较采用非配对t检验或Mann-Whitney U检验。采用重复测量方差分析来比较变量随时间的变化。为了调整多重比较，在适当的时候进行了两两的Tukey-Kramer t检验。

回归分析：我们初步分析了术后乳酸、乳酸丙酮酸比值（LPR）和心血管手术后患者临床相关变量之间的关系（包括微循环血流）。对血浆乳酸和LPR与人口统计学数据（年龄、性别、共病）、术中数据（CPB时间、主动脉阻断时间、用药、血制品使用等)、术后血流动力学数据（MAP、心脏指数、中心静脉压）、血气衍生计算的Vo2指数和Do2指数、儿茶酚胺剂量（肾上腺素、去甲肾上腺素）、实验室数据（肌酐清除率、肌酐血红蛋白、白细胞计数）和舌下微循环成像测量（MFI、MHI、PPV、TVD和PVD）等进行简单回归分析。

为了创建多变量回归模型，我们从一个模型开始，该模型包括所有系数在0.20水平上显著的变量。然后，我们通过去除p值最高的变量来进行逐步的模型调整，直到所有变量系数在0.10水平上都显著为止。

血浆乳酸与血浆有机酸密切相关，包括丙酮酸（r = 0.953；β = 0.061；p < 0.001）、琥珀酸（r = 0.482；β = 0.491；p < 0.001）、柠檬酸（r = 0.682；β = 0.38.13；p < 0.001）和苹果酸（p=0.795，β=1.418；p < 0.001)。乳酸与葡萄糖、肾上腺素剂量、CBP时间、主动脉阻断时间和肌酐清除率呈弱到中度的线性关系。血浆乳酸与术后白细胞计数也呈现中度相关性(r = 0.289;β = 0.516; p < 0.001)。多变量模型包括丙酮酸、苹果酸、葡萄糖、肾上腺素剂量、毛细血管再充盈时间、CBP时间和主动脉阻断时间，预测了93.8%的血浆乳酸变异性。

LPR与临床变量的相关性和简单回归分析显示其与乳酸的关系相似。然而，与绝对乳酸水平不同，微循环流量变量（MFI、MHI和PPV）与LPR有显著相关关系（表4）。预测LPR的多变量模型包括苹果酸、葡萄糖、儿茶酚胺剂量、微循环血流量（MFI和PPV）和肌酐清除率，预测了血浆LPR26.1%的变化。血浆乳酸和LPR的相关矩阵和热图详见e图3和图4。

我们的研究调查了CPB下心脏手术术后早期乳酸酸中毒的生理因素。这是第一个同时整合直接微循环成像和功能线粒体的大型研究，以明确微循环血流和术后乳酸产生之间的联系。我们的研究结果表明， LPR定量的微循环血流量与无氧乳酸生成呈现显著的负相关。其次，我们观察到术后乳酸和三羧酸循环中间产物存在显著的正相关，表明线粒体CI和CII损伤可能是术后乳酸升高的一个重要因素。最后，我们通过测量PBMC线粒体呼吸来确定了术后高乳酸患者存在线粒体CI和CII损伤。

首先，微循环改变（特别是MFI、PPV降低和流量异质性增加）与LPR有显著的弱到中度的关系，但与血浆乳酸的绝对浓度无关。通过使用LPR作为无氧代谢更敏感的标记物，我们能够量化异常微循环血流和A型乳酸酸中毒之间的关系。而A型乳酸酸中毒通常在临床环境中测量血浆乳酸时很难区分。超过50%的患者在血流动力学正常的同时出现了严重的乳酸酸中毒，这与文献中的心血管手术患者研究相似。尽管总体VO2、DO2和大循环指数相似，但高乳酸组的LPR比乳酸正常的患者高23%。这些结果表明，局部微循环血流紊乱可能导致隐匿性组织缺氧，而DO2和VO2的整体测量方法却无法识别。微循环流量测量的PVD与LPR之间的不显著关系，可能是由于PPV与毛细血管密度的不成比例的变化。这些发现与之前关于心脏手术、心源性和脓毒性休克后灌注毛细血管百分比急性下降的报道一致。

灌注毛细血管比例的减少是LPR升高患者微循环血流的特征性改变。术后白细胞和血小板活化导致毛细血管血栓形成、血管内皮活化或糖萼降解，这些都是休克期间毛细血管灌注减少的原因。本研究中计算出的PPV回归系数估计，非灌注毛细血管每减少1%，LPR就会增加2个单位。这可能解释了为什么微循环流量的微小减少可以更好地预测出血性和脓毒性休克患者更差的临床结局，而与乳酸水平无关。

我们的乳酸回归分析的结果是意料之中的。我们没有发现绝对乳酸与测量的VO2、DO2或微循环流量变量之间的关系。血糖和肾上腺素剂量与乳酸呈现弱相关性。微循环流和血浆乳酸之间缺乏关系可能反映了该患者群体中乳酸产生的异质性病因，包括术后代谢的变化和医源性肾上腺素能刺激。CPB期间骨骼肌代谢的变化以前已经用组织微透析进行了描述，这可能解释了与主动脉阻断时间和体外循环时间呈中度正相关的关系。我们没有发现任何术后肝损伤中可能导致乳酸清除率降低的差异。我们当地的做法是在心血管手术后使用肾上腺素作为主要的肌力药物，众所周知，肾上腺素通过β2肾上腺素能刺激导致乳酸水平升高。我们没有分析酶的过程，如乳酸脱氢酶活性、丙酮酸脱氢酶活性，以及其他可能有助于术后乳酸水平的代谢途径。

我们的术后乳酸多变量回归模型能够解释近94%的血浆乳酸变化，但这在很大程度上是由血浆乳酸和循环三羧酸中间体之间的强相关性驱动的。与循环琥珀酸、琥珀酸和苹果酸呈强正相关（表4）提示线粒体呼吸损伤或三羧酸循环中的酶缺乏。随着时间的推移，TCA循环中间产物的增加提示可能发生代谢瓶颈，导致无法用于氧化磷酸化的多余TCA循环底物被清除，详见图1和e图7。

最后，高乳酸盐患者的线粒体呼吸降低是一个重要的探索性发现。线粒体功能异常已被确定为心脏手术后能量平衡、钙平衡、活性氧信号传导和细胞死亡调节的关键因素。线粒体呼吸异常也与脓毒症和失血性休克患者的器官衰竭和死亡有关。使用我们的SUIT方案，我们发现在氧气利用率正常（PaO2）的情况下， PBMCs的CI和CII连锁呼吸的降低。这些发现与之前的文献一致，以前的文献发现复合物I对缺血性损伤特别敏感，并可在缺氧20分钟后发生。丝裂软骨复合物I损伤也可能减少苹果酸氧化为草酰乙酸，降低代谢应激期间糖异生的一个重要底物的可用性。PBMC线粒体健康状况的降低也可能导致细胞因子的释放、免疫抑制和细胞损伤，从而导致显著的器官损伤。

我们承认我们的研究有一些局限性。首先，这是一个单中心的研究，它降低了概括这些结果的能力。其次，我们只使用了一个解剖部位进行微循环成像。舌下间隙是微循环成像中最常见的入射暗场成像部位，显微镜检查是一种公认的标准方法；然而，我们承认在舌下毛细血管床外的区域灌注差异可能会有所不同。最后，我们对PBMCs用于线粒体功能的使用也应该谨慎解释，因为它们可能不能反映其他器官系统中的线粒体活性。