血液灌流：技术方面和最新进展

血液灌流：技术方面和最新进展

河北医科大学第四医院重症医学科 李云鹏翻译  朱桂军校正

重症行者翻译组

摘要

背景：血液灌流术是一种历史较长且不完善的技术，它通过吸附在灌流器中所含的炭珠或树脂上来去除血浆溶质。但最近生产和涂层技术的发展提高了吸附剂的生物相容性，并再次激发了人们对血液灌流的兴趣。

方法：我们对文献进行了叙述性评估，重点关注血液灌流的技术、特点和原理。我们评估了体外、动物和人体的研究。我们在技术和最新进展方面综合总结了此类文献。

结果：早期的血液灌流研究受到了生物相容性的阻碍。但最近的技术使其安全性得到了改善。血液灌流已被用于慢性透析和慢性肝病，并较好的效果。它还证明了在服药过量的情况下可以提取各种毒素和药物。用内毒素结合多粘菌素B进行的试验在感染性休克中得到了不同的结果，目前正在积极研究中。非选择性血液灌流在脓毒症或炎症中的作用仍然存在。尽管新技术已经使吸附剂具有更强的生物相容性，但该领域的研究议程仍然十分庞大。

结论：新的吸收剂与过去使用的吸收剂明显不同，具有更强的生物相容性和安全性。对基于新型吸附剂的血液灌流的初步研究表明在特定的慢性病和一些急性状态下，有一定的前景。现在有必要且有理对基于新型吸附剂的血液灌流进行系统的研究。

简介

通过直接吸附去除不需要的血浆溶质已有很长的历史。但是早期的吸附剂技术存在严重的生物相容性问题（如血小板减少症、白细胞减少症、低血糖、低钙血症）。阻碍了血液灌流的发展和临床应用。但吸附剂生物相容性的改善，重新引起了人们对血液灌流的关注、研究和在临床实践中的应用。

血液灌流：特点和原理

体外血液净化可以通过不同的物质分离过程实现。扩散，比如标准血液透析（HD），对流，比如血液滤过，或二者的组合血液透析滤过（HDF）。虽然这些技术是基于膜分离，但第三种机制，溶质吸附，是基于固体制剂（吸附剂）的物质分离。由于目前的透析技术因膜渗透性的特点而存在局限性，体外血液灌流代表了血液净化的另一种选择。

吸附剂已被研究多年。最初，无机铝硅酸盐（沸石）和木炭被用于各种目的。但在过去的50年里，有机聚合物离子交换树脂和最终的合成多孔聚合物（以苯乙烯或丙烯酸为基础）已被应用于血液净化（表1）。虽然血液灌流技术最初引起了重要的不良反应，并存在安全储存和启动的问题，但最近更多的生物相容性吸附材料已被安全地用于各种临床环境中的血液吸附技术。

吸附剂具有非常大的表面/体积比，并且由于弱离子键、范德华力和强疏水键，具有显著的结合特定溶质的能力。它们可以是天然原料，也可以是合成的。沸石（铝硅酸盐）是无机多孔聚合物，具有一定的孔隙度，源于它们的晶体结构（目前可通过合成调节来控制内部孔隙系统的结构）。相反，多孔碳是由纤维素通过受控的热氧化制备衍生的有机聚合物。最后，通过使用二乙烯基苯作为有效的交联物质，几乎所有可聚合的单体都可以通过大量的反应建立成大分子。单体可以是双官能团的（创造线性聚合物）或官能团的（创造交联的网络聚合物结构）。后者是最近合成的吸收剂的固有性质，可以通过表面涂上生物相容性的聚砜而进一步官能化。

今天，血浆与吸附剂之间的不良反应已经变得不常见，且可以在通过吸附剂床循环之前的血浆分离来预防。在吸附剂盒之后，血液被重组，这样红细胞、白细胞和血小板就不会遇到吸附剂表面，从而避免了生物不相容反应。或用血细胞耐受性好的生物层覆盖颗粒通过特定的涂层工艺使吸附剂具有生物相容性。

吸附剂一般以颗粒、珠子或纤维形式生产。它们是固体颗粒，直径一般在50µm到1.2cm之间。其表面积与体积比（S/V）极高，表面积从300到1200 m2/g不等。此外，吸附剂根据其内部结构的孔隙大小分为：a）大孔（孔隙大小>500 Å），b）中孔（孔隙大小20-500 Å）和c）微孔（孔隙大小<20 Å）。表2中表面了对理想吸附剂材料的技术要求。

生产了吸附剂颗粒后将其包装到一个装置（灌流器）中，需要一个迂回的通道（吸附剂床），血液或任何液相必须流过。最佳的填充密度一般在可用空间的35%到55%之间。灌流器的最佳设计取决于这一因素和表2中所列的其他因素。

当血液或血浆循环通过吸附剂床时，通过吸附去除溶质在珠子的表面发生。当达到平衡时，即当装置出口处的标记溶质的浓度等于入口处的浓度时，就实现了最大的吸附量。没有任何预测吸附曲线的理论被普遍接受。相反，必须在固定的温度下对每种液体混合物和吸附剂进行实验室实验（分离过程是能量密集型的且会影响熵），以提供足够的数据来推导出被称为吸附等温线的特定绘图曲线。

在平衡状态下，适用以下等式：

Cb(初)×Vb = ­(Cb(终)×Vb)+(Cs ×S)

其中Cb(初)是实验开始时溶质的浓度；Vb是载液的总体积（在实验过程中恒定）Cb(终)是实验结束时（平衡时）溶质的浓度，Cs是吸附剂的浓度（mol/单位吸附剂质量），S是可用于物质传输的吸附剂的总质量。

吸附等温线可用于确定去除给定溶质所需的吸附剂的数量。但等温线可能因不同的装置设计而不同。这取决于吸附剂的堆积密度、装置（灌流器）的长度和内径，以及颗粒间的距离和路径的曲折度，所有这些都会调节装置内的流动动力学。通过吸附剂床的流动特性也受物理定律的制约，如达西定律和Kozeny-Carman方程，该方程用于计算流体流经固体填料床的压差。但对这些额外定律和方程的讨论超出了本文的范畴。

在实践中，装置设计的充分性可以通过测量其溶质传质区（MTZ）来评估。MTZ（以厘米为单位）是指所有吸附剂材料饱和的点（横截面）与吸附剂中吸附物为零的点之间的距离。根据装置内的流量分布，MTZ可能非常短（小于装置长度的1/3），等于或长于装置长度。在最后两种情况下，会出现流过的情况（即溶质出现在装置的出口处，这时会留下一些未使用的吸附剂质量）。

构建最佳灌流器的主要目标是使流体相与全部可用的吸附剂获得最大的接触。但在这种吸附过程中存在各种步骤：

(a) 溶质通过对流从流体通过薄膜或边界层转移到吸附剂的外表面的外部（相间）物质转移，

(b)溶质通过孔隙扩散从吸附剂的外表面到内部多孔结构的内表面的内部（相内）物质转移

(c) 沿多孔表面的表面扩散

(d) 溶质吸附在多孔表面上。

在临床应用中，最终的动力学还取决于体外血流和标记分子的初始浓度。这些因素可能会导致血液灌流装置的饱和时间提前或功效延长。

血液灌流背后的逻辑

为什么要用吸附剂直接从血液中清除溶质？

一些疾病状态与血液中存在的有害性分子（溶质）有关的概念已经确立，也是透析等挽救生命治疗的基础。有些溶质非常大，只能通过血浆置换来清除。但其他足够小的有毒溶质可以通过透析或吸附在吸附剂珠粒上去除。这种有涂层的吸附剂珠子可以被装入一个灌流器中，以便纳入体外循环中。该过程允许血液与吸附剂接触足够长的时间，以便在有限地激活免疫系统的情况下清除目标溶质。这种方法是有吸引力的，因为它直接，技术上相对简单，且理论上有效。

血浆置换或血浆过滤方案

血浆置换或血浆过滤是能够去除血浆中存在的大多数分子的技术，其大小从任何小的溶质到大的蛋白质，如球蛋白。这些技术可以去除一系列被认为具有毒性的分子，如脓毒症或严重肝衰竭。但是清除是无选择性的，同时会清除大量潜在的有益或必要的分子（凝血因子、白蛋白、抗生素和保护性抗体）。因此，替代这些损失需要使用白蛋白和/或新鲜冷冻血浆，这就存在成本和血液制品消耗的问题。此外，随着治疗的继续或加强，它具有清除勇于补充凝血因子损失的'无毒 '的血浆的作用。因此，除在特殊情况下，血浆置换尚未实现广泛的应用。

在 “中毒状态”下进行血液净化的理由

当重要的稳态器官（如肾脏、肝脏和免疫系统）发生故障时，有毒的溶质就会积累起来。这就为血液净化治疗提供了理论依据。就透析而言，在过去的50年里，这一原理为数百万患者的带来挽救性命的疗法。然而对于肝衰竭或免疫功能障碍，还没有开发出同等效的疗法。

尽管如此，血液净化治疗的概念得到了多项离体研究和动物实验的支持。所有这些都表明，大量的内源性和外源性毒素（包括内毒素、毒物和药物）都可以通过血液净化技术去除。此类研究也显示了动物模型的临床和生存效益。然而，现有的系统去除毒素的效率在人类疾病中可能是不够的，而且动物研究并不能对临床效果提供有力的预测。

保护性溶质的清除

用任何不具有高度特异性的技术进行血液净化的一个合乎逻辑的问题是，它将保护性溶质的去除（例如，抗生素或抗炎物质、保护性细胞因子、氨基酸、大量和微量营养素以及其他循环的潜在保护性代谢物）。这种清除可能在与毒素清除的数量一样重要。然而，在主要的毒性状态下，主流观点是毒素的积累可能超过保护性分子的积累。因此，任何广泛的清除技术都会清除比保护性分子更多的有毒物质。目前仍不清楚这种范式是否真实。这种不确定性源于我们对这些保护性分子的了解非常有限。在脓毒症中，我们目前理解的唯一具有保护作用的分子是抗菌药物。然而，虽然不同形式的肾脏替代治疗存在广泛的清除数据，但在血液灌流过程中清除抗生素和抗真菌药物的数据却很少或没有。

脓毒症中选择性血液灌流与非选择性血液灌流的比较

脓毒症的血液净化一直是一个关键的研究领域，因为有人认为可溶性损伤介质是导致脓毒症患者发病和死亡的主要因素。这类介质似乎跨越了多种分子大小，且可能通过血液灌流来清除。在脓毒症的血液灌流领域，已经开发了两种方法，一种是基于关键分子（如内毒素）的选择性靶向，另一种是基于非选择性的吸附。

内毒素吸附的概念是基于对多粘菌素B的内毒素结合能力的几项试验，下面将详细讨论。

另一方面，广义的吸附策略对脓毒症的有效性还没有在设计适当的多中心随机对照试验中得到检验。总之它缺乏实验和临床的稳健性。

尽管如此，还是出现了两种吸附剂技术：Cytosorb灌流器和Jafron HA灌流器系列。这些吸附剂已被用作脓毒症的抢救治疗或败脓毒症的辅助治疗，在技术和安全性方面积累了经验。但在设计和进行实质性的随机对照研究之前，需要做更多的工作，了解哪些技术参数（如血流、灌流器大小、长度和成分以及使用时间）定义这种技术的最佳操作特征。

血液灌流的技术问题

血液灌流所需的体外循环需要用放置在中心静脉的双腔导管进行血管通路。然而，血液灌流也可应用于慢性病人的治疗，并通过动静脉瘘与血液透析相结合。体外循环需要一台血液透析机或连续肾脏替代治疗（CRRT）机，或者在某些情况下，需要一台带有压力警报器的简单血泵。根据适应症、病人的特点、疗程的长短和利用的技术，体外循环的抗凝可以得到优化。在一些病人中，可以采用局部柠檬酸盐抗凝，而在其他一些高出血风险的病人中，可以在无抗凝的情况下治疗。

由于灌流器的性质，体外循环可能发生修改，导向不同的技术。

血液灌流（直接血液吸附）（HP）：血液由泵循环通过吸附剂装置，进入与吸收剂颗粒直接接触的状态（图1）。血液流量可根据灌流器的大小而变化（100-250 ml/min）。体外循环是用肝素或柠檬酸盐抗凝的。

  血液灌流联合透析/CRRT：吸附剂与血液透析双层血浆过滤分子吸附系统（DPMAS）相结合利用。在某些情况下，如肾脏和肝脏合并衰竭，可以在血浆过滤回路中放置具有特定特性的不同吸附剂装置（图5）。吸附剂的性质和灌流器的特点取决于适应症和严重程度

血液灌流与ECMO相结合：在接受静脉-静脉或静脉-动脉体外膜氧合（VV-ECMO或VA-ECMO）的患者中，血液灌流可以与ECMO回路相连。但应调整吸附剂和压力梯度以获得足够的流量，同时避免主回路的扰动（图6）。在心肺分流术中也可以建立类似的回路。

所有这些方法都取得了技术上的成功，并且没有发生重大的不良事件。但有几个方面仍然需要技术和临床研究。首先，有必要确定特定溶质和不同设备的溶质动力学和等温线。其次，需要做更多的工作来确定与血流、灌流器饱和度和凝血风险有关的最佳治疗时间。第三，在临床环境中，我们需要明确病人的表型，确定开始和停止血液灌流的标准，为特定的病人定义最佳的 '吸附剂量'，最后确定标记分子和临床参数来评估疗效并帮助设计未来的试验。这些标准缺失的情况下，使用血液灌流的决定仍然基于临床判断和当地的专业知识。

何时考虑血液灌流

目前没有确的血液灌流的适应症。但有了一些生物学和病理生理学上的合理适应症。

中毒

在 “中毒”的情况下，已经探索了一些与血液灌注相关的适应症。它们可能包括治疗药物（丙戊酸钠、卡马西平）、有毒化学品（如百草枯或有机磷）、有毒天然产品（如与蘑菇有关的毒素）的中毒。遗憾的是，目前没有对照研究。现有的是关于分离率、清除率和物质清除的信息。在过去的十年中，最常用于此类治疗的血液灌流设备是商业化的Cytosorb®灌流器或HA Jafron生物医疗系列，其分离率为20%至90%。

肝脏疾病

关于使用血液灌流治疗严重肝功能衰竭（急性或慢性肝衰急性恶化）的信息或研究非常有限，尽管在这种情况下有针对氨或胆红素的强有力的理由。血液灌流治疗顽固性胆汁淤积性瘙痒症方面可能有一定作用。现有证据基于无对照临床试验，并取决于零星的病例报告或小的病例系列，因此无法得出任何结论。

肾脏疾病

在透析过程中，各种与终末期肾衰竭相关的毒素没有被充分清除，这证明在选定的病人中联合使用树脂来解决β-2微球蛋白清除或尿毒症瘙痒症等问题，初步的报告给了人们希望。

脓毒症

选择性血液灌流

有几项试验探讨了用多粘菌素结合膜进行血液灌流清除脓毒症患者内毒素的有效性。这些研究一直使用Toraymyxin™的灌流器。

第一项随机试验（EUPHAS）于2009年发表，涉及64名腹部病因导致的感染患者。它将34名患者随机分配到多粘菌素（PMX）B血液灌流组，另30名患者分配到常规护理组。EUPHAS报告了PMX在血压、气体交换和血管抑制剂使用上的生理优势，但这些在对照组中没有变化。此外，PMX缩短了死亡的时间。

第二项研究是对腹膜炎引起的感染性休克进行早期PMX血液灌流的一项多中心随机对照试验。将125名病人随机分配到PMX组，118名病人分配到常规治疗组。研究没有发现使用PMX的益处，但有提前死亡时间的趋势。

第三项研究是EUPHRATES试验。这项试验对北美55家医院的450名患有感染性休克且内毒素检测活性≥0.60的危重病人进行了PMX血液灌流与常规治疗的比较。这项试验没有发现在所有参与者中或在预先指定的多器官功能障碍评分>9的亚组中的生存优势。但在对没有严重内毒素血症的患者进行的事后评估中发现，其在时间事件分析上有生存优势。

最后，一项名为TIGRIS的新研究目前正在内毒素感染性休克患者中进行。这是一项有150名患者参加的前瞻性、多中心、随机、开放的试验，即标准医疗护理加PMX与仅给予标准医疗护理，用于治疗患有内毒素血症（内毒素活性≥0.60且<0.90）和感染性休克的患者。

非选择性血液灌流

用CytoSorb®灌流器进行血液灌流代表了一种通用抗炎策略，并且已经在病例系列和小型比较研究中进行了研究。

一项多中心随机试验对100名患有脓毒症或感染性休克以及急性肺损伤或ARDS的通气患者进行了Cytosorb®治疗与常规护理的比较。主要研究第1至7天期间白细胞介素-6（IL-6）的正常化变化。虽然CytoSorb®设备的单次IL-6分离率在5%至18%之间，但IL-6水平没有显著差异。

最近，基于CytoSorb®的疗法在接受静脉体外膜氧合（ECMO）的COVID-19患者中进行了测试。在一项单中心、开放的随机试验中，17名ECMO患者接受了CytoSorb® 72小时的治疗，17名患者没有接受治疗。IL-6水平的下降是相似的，但30天后的生存率，使用CytoSorb®治疗是18%，不使用的是76%（P=0.0016）。这些死亡率的发现可能是一个小型试验中的1型错误，但引起了人们对这种治疗在ECMO治疗中的安全性的关注。

用JAFRON HA灌流器系列进行血液灌流已被用于脓毒症，且有病例系列报道。一项非随机研究涉及24名接受治疗的患者和20名对照患者。它表面了血流动力学方面的益处，白细胞介素8和白细胞介素6水平的降低，以及对ICU住院时间的有益影响，但对死亡率没有明显的影响（治疗组46%，对照组55%）。另一项研究将46名急性肺损伤和脓毒症患者进行随机调查，使用HA330灌流器治疗3天，与常规护理进行对比。HA-330降低了TNF和IL-1的水平，改善了肺损伤标志物、机械通气持续时间、CRRT甚至28天的死亡率（治疗组67%，对照组28%）。在第三项针对30名患者的随机试验中，每天一次用相同灌流器进行血液灌流与脉冲式高容量血液滤过相结合，对细胞因子和心血管生理产生益处，但对死亡率没有影响。

最近，使用Seraph® 100 Microbind®亲和血液过滤器进行血液灌流获得了FDA的紧急使用授权，用于治疗严重的COVID-19。该设备含有超高分子量的吸附珠，可在体外去除COVID-19病毒。但目前还没有公布任何随机试验结果。

2022年发表了两项关于Cytosorb®的随机对照研究。第一项研究了感染性心内膜炎的心脏手术期间的血液灌注，将该设备整合到体外循环回路中。该研究将142名患者随机分配到Cytosorb®组，146名患者分配到常规护理组，发现在SOFA评分变化这一主要结果或任何其他临床结果方面没有差异，包括死亡率（分别为21%盒22%）。第二项发表了在50名COVID-19的血管源性休克患者中，Cytosorb®治疗3至7天对缓解休克的时间的影响。发现在这一结果中没有显著差异，Cytosorb®的死亡率为78%，对照组为73%。

最后，在本综述中，我们不讨论其他技术，如分子吸附剂循环系统（MARS），它为肝病提供了一种白蛋白吸附治疗。但并不代表直接的血液灌流，与本综述不完全相关。同样，使用具有更大吸附能力的血液滤过膜（如oXiris膜）并不构成基于树脂的血液灌流，也与本综述没有直接关系。

血液灌流的研究议程和建议

目前，新的吸附剂材料已经为血液灌流的临床应用研究的复兴铺平了道路。

在治疗慢性透析患者和慢性肝病患者瘙痒症方面的初步报告是令人鼓舞的。同时，吸附剂在脓毒症症、急性肾损伤和其他炎症状态下的临床应用提供了关于可行性和安全性的有用数据，为未来的技术、程序和制造优化奠定了基础。

鉴于这些早期数据，以及缺乏一致的临床实践指南，我们建议研究应首先集中在更好地了解对吸附过程的基本方面、每种吸附剂的特性、吸附机制及其潜在的副作用。其次，我们建议针对多种相关溶质（如细胞因子、氨、可能的尿毒症毒素、有毒药物、抗生素）进行体外研究，以确定它们在不同血流和灌注时间下的体外清除率，从而确定最佳操作条件。第三，我们建议将研究重点放在确定有意义的目标分子上，并测量它们在体内和体外的动力学。这可以通过利用创建等温线和研究灌流器吸附量随时间的变化来完成。第四，我们建议对大型动物进行类似多靶点的研究，以评估长期暴露对器官功能的生物学和生理学影响。

在临床研究中，首先我们建议把重点放在确定哪些情况应该使用血液灌流治疗以及应用多长时间。在这方面，我们建议建立一个像ECMO登记处一样的血液灌流登记处收集数据。第二，我们建议专注于为不同疾病界定血液灌流的充分、最佳和安全剂量。我们应该研究如何最好地衡量效率和疗效，应该规定多少个疗程，以及应该多久更换一次血液灌流器。因此，我们建议所有未来的人体血液灌流研究应报告性能特征（如清除率、排泄率、物质去除、关键生物目标的性能）。最后，我们建议探索在高风险状态下（如脓毒症症、急性肝衰竭、严重中毒）从间歇性（几小时的短期治疗）到持续性（24/7）血液灌流治疗的转变。最后，在关键目标疾病中，一旦上述要素得到解决，我们建议制定基于随机化的研究方案（从试点可行性研究到第二阶段，最终在适当的时候进行第三阶段研究）。

除非能进行这些研究，否则血液灌流的作用仍将是不确定和理解不充分的。这可能会对患者和血液净化科学的发展产生不利影响。在许多方面血液灌流类似20世纪70年代和80年代持续肾脏替代治疗（CRRT）初期的情况。在2022年开处方和提供CRRT的临床医生和护士几乎无法在连续动静脉血液滤过的首批报告中识别出现代CRRT。对于血液灌流来说，未来的医生很可能也会处于类似的境地。