血液灌流：技术方面和最新技术

卿本无心

介绍
        通过直接吸附去除不需要的血浆溶质具有悠久的历史。然而，早期的吸附剂技术存在重大的生物不相容性问题（例如，血小板减少症、白细胞减少症、低血糖症、低钙血症）。这阻碍了血液灌流的发展和临床应用。然而，吸附剂的生物相容性已经提高，引发了血液灌流在临床实践中的新兴趣、研究和应用。
血液灌流：特点和原则

         体外血液净化可以通过不同的质量分离过程来实现。扩散，如标准血液透析 (HD)，对流，如血液滤过或它们的组合，如血液透析滤过 (HDF)。虽然这些技术基于膜分离，但第三种机制，溶质吸附，是基于固体试剂（吸附剂）的质量分离 。由于目前的透析技术由于膜通透性特性而存在局限性，因此体外血液灌流代表了血液净化的另一种选择。
         吸附剂已经研究了很多年。最初，无机硅铝酸盐（沸石）和木炭被用于各种目的。然而，在过去的 50 年中，有机聚合物离子交换树脂和最终合成的多孔聚合物（苯乙烯或丙烯酸基）已应用于血液净化（表1）。因此，虽然血液灌流技术最初会引起重要的不良反应并且存在安全储存和启动问题，但最近更具有生物相容性的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，并且由于弱的离子键、Wan der Waals力和强的疏水键，具有结合特定溶质的显著能力。它们可以是天然原料，也可以是合成的。沸石（氧化铝硅酸盐）是无机多孔聚合物，具有一定的孔隙度，来自于它们的晶体结构（如今可以通过合成调节来控制内部孔隙系统的结构）。相反，多孔碳是由纤维素衍生的有机聚合物，通过受控的热氧化制备。最后，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，使用二乙烯基苯作为有效的交联物质。单体可以是双功能的（创造线性聚合物）或多功能的（创造交联的网络聚合物结构）。后者是最近合成的吸附剂的内在性质，可以通过表面涂抹生物相容性的聚砜进一步功能化。
      今天，不利的血浆对吸附剂引起的反应已变得不常见，并且可以通过在循环通过吸附剂床之前进行血浆分离来防止。在吸附剂盒之后，血液被重构，使红细胞、白细胞和血小板永远不会与吸附剂表面接触，避免了生物不相容性反应。或者，吸附剂通过特定的涂层工艺制成生物相容性的，用血细胞良好耐受的生物层覆盖颗粒。
       吸附剂通常以颗粒、珠子或纤维的形式生产。它们是直径通常在 50 µm 和 1.2 cm 之间的固体颗粒。表面积与体积比 (S/V) 非常高，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径大小分为 a) 大孔（孔径 > 500 Å），b) 中孔（孔径 20-500 Å）和 c) 微孔 （孔径 < 20 Å）。理想吸附材料的要求见表 2。


       一旦产生了吸附剂颗粒，将其包装到一个装置（滤芯）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。最佳的包装密度一般在可用空间的35%到55%之间。滤芯的最佳设计取决于这一因素和表2中所列的其他因素。

      当血液或血浆通过吸附剂床循环时，通过吸附去除溶质发生在珠子的表面上。当达到平衡时，即当装置出口处的标记溶质浓度等于入口处的浓度时，达到最大吸附。预测吸附曲线的理论还没有被普遍接受。相反，对于每种液体混合物和吸附剂，必须在固定温度（分离过程是能量密集型并影响熵）下进行实验室实验，以提供足够的数据来推导称为吸附等温线的特定绘图曲线。

在平衡时，以下等式适用：


      其中Cb（初始）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（最终）是实验结束时（平衡发生时）溶质的浓度，Cs是吸附剂的浓度（mol/单位吸附剂质量），S是可用于质量传输的吸附剂的总质量。

     吸附等温线可用于确定去除一定量溶质所需的吸附剂的数量。然而，等温线可能因不同的单元设计而不同。这取决于吸附剂的堆积密度、单元（滤芯）的长度和内径，以及颗粒间的距离和路径迂回，所有这些都会调节单元内的流动动力学。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时的压降。然而，对这些额外定律和方程的讨论超出了本稿的范围。
      在实践中，单元设计的充分性可以通过测量其溶质质量转移区（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）与吸附剂中零吸附物存在的点之间的距离。根据单元内的流量分布，MTZ可能非常短（小于单元长度的1/3），等于或长于单元长度。在后两种情况下，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）。
     构建最佳吸附剂盒的主要目标是使液体相与全部可用的吸附剂获得最大的接触。然而，在这种吸附过程中，有各种步骤。
(a) 外部（相间）质量转移，溶质通过对流从体液中通过薄膜或边界层转移到吸收剂的外表面。

(b) 内部（相内）质量转移：溶质通过孔隙扩散从吸附剂的外表面转移到内部多孔结构的内表面。

(c) 沿着多孔表面的表面扩散和

(d) 溶质在多孔表面上的吸附。

       在临床使用中，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效率延长。
血液灌流背后的逻辑

为什么用吸附剂直接从血液中去除溶质

       某些疾病状态与血液中存在有害分子（溶质）相关的概念已得到充分确立，并且是透析等挽救生命的治疗方法的基础。有些溶质非常大，只能通过血浆置换去除。然而，其他有毒溶质足够小，可以通过透析或吸附到吸附剂珠子上去除 。这种有涂层的吸附剂珠子可以装入一个盒中，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，以允许在免疫系统激活有限的情况下去除目标溶质。这种方法很有吸引力，因为它直接、技术上相对简单、理论上有效。
血浆交换或血浆过滤选项

        血浆交换或血浆过滤 是能够去除血浆中存在的大多数分子的技术，其大小从任何小溶质到大蛋白质，如球蛋白 。这些技术可去除大量被认为具有毒性的分子，如脓毒症 或严重肝功能衰竭。然而，去除是非选择性的，并且会同时去除大量潜在有益或必要的分子（凝血因子、白蛋白、抗生素和保护性抗体）。因此，要弥补这些损失需要给予白蛋白和/或新鲜冷冻血浆，存在成本和血液制品消耗的问题。此外，随着治疗的继续或变得更加密集，它具有去除非常“无毒”的血浆的作用，以弥补凝血因子的损失。因此，在特定情况下，血浆交换尚未得到广泛应用。
“有毒状态”下血液净化的基本原理

        当关键的稳态器官（例如，肾脏、肝脏和免疫系统）发生衰竭时，有毒溶质会积聚。这为血液净化疗法提供了基本原理。就透析而言，这一原理在过去 50 年中为数百万患者带来了挽救生命的疗法。用于肝功能衰竭或免疫功能障碍；然而，尚未开发出等效的疗法。
        尽管如此，血液净化疗法的概念得到了多项体外研究和实验动物研究  的支持。所有这些都表明，通过血液净化技术可以去除大量的内源性和外源性毒素（包括内毒素、毒物和药物）。此类研究还在动物模型中显示出临床和生存益处。然而，当前系统的毒素去除效率可能不足以解决人类疾病 并且动物研究不能提供对临床效果的可靠预测。
去除保护溶质

         通过任何非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会导致去除保护性溶质（例如，抗生素或抗炎物质、保护性细胞因子、氨基酸、宏量和微量营养素以及其他循环潜在的保护性代谢物）。这种去除在数量上可能与去除毒素一样重要。然而，在主要毒性状态下，主要观点是毒素的积累可能超过保护性分子的积累。因此，任何广泛的去除技术将比保护性分子去除更多的毒性 。目前尚不清楚这种范式是否正确。这种不确定性源于我们对这种保护性分子的了解非常有限的事实。因此，在脓毒症，我们目前了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疗法存在大量清除数据 ，但血液灌流期间抗生素和抗真菌药物去除的数据很少或不存在。
脓毒症中的选择性与非选择性血液灌流

        脓毒症中的血液净化一直是研究的一个关键领域，因为认为可溶性损伤介质是脓毒症患者发病率和死亡率的主要因素。这样的介质似乎跨越了广泛的分子大小，并且有可能通过血液灌流去除。在脓毒症的血液灌流领域，已经开发了两种方法，一种基于关键分子（例如内毒素）的选择性靶向，另一种基于非选择性吸附。
         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多项试验，下文将详细讨论 。
         另一方面，脓毒症的广泛吸附策略的有效性尚未在适当设计的多中心随机对照试验中进行测试。因此，它缺乏实验和临床稳健性。
         尽管如此，还是出现了两种吸附剂技术：Cytosorb 小柱  和 Jafron HA 小柱系列 。这些吸附剂已被用作脓毒症的抢救治疗或脓毒症的辅助治疗，并且在技术和安全性方面积累了经验 。然而，在设计和进行大量随机对照研究之前，需要更多的工作来确定哪些技术参数（例如，血流、滤器尺寸、长度和成分以及使用时间）定义了这种技术的最佳操作特性。



血液灌流的技术方面


          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，体外循环的抗凝血可以得到优化。在一些病人中，可以采用局部枸橼酸抗凝，而在其他一些高出血风险的病人中，可以不进行抗凝治疗。
       由于吸附剂盒的性质，体外回路可能会进行修改，从而导致不同的技术。
血液灌流（直接血液吸附）（HP）：血液通过泵循环通过吸附剂单元（滤器），并与吸附剂颗粒直接接触（图 1）。血流量可能会因滤器的大小而异（100–250 ml/min）。体外回路用肝素或枸橼酸抗凝。


      血液灌流结合透析/CRRT：吸附剂与血液透析 (HP-HD) 或 CRRT (HP-CRRT) 结合使用。如图 2 所示，吸附剂可以放置在透析器之前或之后 。


血浆过滤吸附：血浆从血液中分离出来，通过吸附剂循环并重新注入回路中。该技术可以执行几个小时（PFAD = 血浆过滤吸附）或长时间（CPFA = 连续血浆过滤吸附）（图 3）


血浆滤过吸附结合透析/CRRT：PFAD 或 CPFA 可与血液透析 (PFAD-HD) 或 CRRT (CPFA-CRRT) 相结合，将治疗效率扩大到尿素和肌酐等小溶质（图 4）


液灌流与 ECMO 联合：在接受静脉-静脉或静脉-动脉体外膜肺氧合（VV-ECMO 或 VA-ECMO）的患者中，血液灌流可以连接到 ECMO 回路。然而，应调整吸附剂和压力梯度以实现足够的流量，同时避免主回路  的扰动（图 6）。在体外循环期间可以创建类似的回路。


       所有这些方法都已在技术上取得成功，并且没有发生重大不良事件。然而，仍有几个方面需要技术和临床研究。首先，有必要定义特定溶质和不同设备的溶质动力学和等温线。其次，需要更多的工作来确定与出血、滤器饱和度和凝血风险相关的最佳治疗持续时间。第三，在临床环境中，我们需要正确地对患者进行表型分型，确定开始和停止血液灌流的标准，确定给定患者的最佳“吸收剂量”，最后确定标记分子和临床参数来表征血液灌流的功效。治疗并帮助设计未来的试验。在他们缺席的情况下，使用血液灌流的决定仍然基于临床判断和当地专业知识。

何时考虑血液灌流

         没有确定的血液灌流指征。然而，一些生物学和病理生理学的合理适应症已经出现。
中毒

        在“中毒”的情况下，已经探索了与血液灌流有关的几种适应症。” 例如，它们可能包括使用药物（例如丙戊酸盐、卡马西平）或有毒化学物质（例如百草枯或有机磷酸盐） 或有毒天然产品（例如，与蘑菇有关的毒素）来治疗中毒（。不幸的是，不存在对照研究。然而，可用的是关于提取率、清除和质量去除的信息。在过去十年中，最常用于此类治疗的血液灌流装置是商业 Cytosorb® 或 HA Jafron Biomedical滤器系列，提取率从 20% 到 90% 。
肝病
        尽管在这种情况下靶向血氨或胆红素有充分的理由，但在使用血液灌流治疗严重肝衰竭（急性或慢性急性）方面的信息或研究非常有限。然而，血液灌流可能对治疗顽固性胆汁淤积性瘙痒有一定作用。现有证据基于没有对照临床试验，并且依赖于零星病例报告或小型病例系列，因此无法得出任何结论 。
肾脏疾病

        各种终末期肾功能衰竭相关的毒素在透析过程中没有被充分清除，证明在选定的患者中联合使用树脂来解决诸如 β-2 微球蛋白清除或尿毒症瘙痒等问题是合理的 初步报告令人鼓舞。
脓毒症
选择性血液灌流

        几项试验已经讨论了用多粘菌素结合膜进行血液灌流对脓毒症患者去除内毒素的可能效果。这些研究一直使用 Toraymyxin™（Toray Medical Co.Ltd.，Tokyo，Japan）滤器。
        第一项随机试验 (EUPHAS) 于 2009 年报道，涉及 64 名因腹部原因而患有感染性休克的患者。它将 34 名患者随机分配至多粘菌素 (PMX) B 血液灌流组，将 30 名患者随机分配至常规治疗组。EUPHAS 报告了 PMX 在血压、气体交换和血管加压药使用方面的生理优势，但在对照人群中没有变化。此外，PMX 缩短了死亡时间。
        第二项研究是一项多中心随机对照试验，研究早期 PMX 血液灌流治疗因腹膜炎引起的感染性休克。它将 125 名患者随机分配到 PMX 组，将 118 名患者随机分配到常规治疗组。它发现 PMX 没有任何益处，并且有更早死亡的趋势。
          第三项研究是 EUPHRATES 试验 。该试验在北美 55 家医院对 450 名感染性休克和内毒素检测活性≥0.60 的危重患者进行了 PMX 血液灌流与常规治疗的比较。该试验发现所有参与者或多器官功能障碍评分 > 9 的预先指定的亚组没有生存优势。然而，对没有极度内毒素血症的患者进行的事后评估 发现在事件分析时间上有生存优势。
         最后，一项名为 TIGRIS 的新研究目前正在内毒素性感染性休克患者中进行（Clinical http://Trials.gov 标识符：NCT03901807）。这是一项 150 名患者的前瞻性、多中心、随机、开放标签试验，标准医疗加 PMX 与单独的标准医疗，用于治疗内毒素血症（内毒素活性 ≥ 0.60 和 < 0.90）和感染性休克的受试者。
非选择性血液灌流

        使用CytoSorb®滤器（ CytoSorb®，Cytosorbents Inc ，新泽西州，美国）的血液灌流代表了一种通用的抗炎策略，并已在案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在 100 名患有脓毒症或感染性休克以及急性肺损伤或 ARDS 的通气患者中比较了 Cytosorb® 治疗与常规治疗。主要结果是在研究第 1 天至第 7 天期间标准化的白细胞介素 6 (IL-6) 的变化。尽管 CytoSorb® 装置的单程 IL-6 提取率为 5% 至 18%，但 IL-6 没有显著差异 。
       最近，基于 CytoSorb® 的疗法在 COVID-19 患者的静脉-静脉体外膜肺氧合 (ECMO) 中进行了测试。在一项单中心、开放标签、随机试验中，17 名 ECMO 患者接受了 CytoSorb® 治疗 72 小时，17 名未接受治疗。IL-6 水平的下降相似，但使用 CytoSorb® 治疗 30 天后的存活率为 18%，不使用则为 76%（p = 0.0016）。这些死亡率发现可能代表了一项小型试验中的 1 型错误，但引起了人们对这种治疗在 ECMO 治疗环境中的安全性的担忧。
          使用 JAFRON HA 滤器系列（Jafron Biomedical，广东，中国）进行血液灌流已用于脓毒症并在病例系列中报告 。一项非随机研究涉及 24 名接受治疗的患者和 20 名对照。它报告了血流动力学益处，降低了白细胞介素 8 和 6 水平，以及对 ICU 住院时间的有益影响，但对死亡率没有显著影响（治疗患者为 46%，对照组为 55%）。另一项研究将 46 名急性肺损伤和脓毒症患者随机分配到使用 HA330 Jafron 药筒进行为期三天的每日治疗与常规治疗。HA-330 降低 TNF 和 IL-1 水平，改善肺损伤标志物、机械通气持续时间、CRRT 甚至 28 天死亡率（治疗患者为 67%，对照组为 28%）。在对 30 名患者进行的第三项随机试验中，每天一次使用同一滤器进行血液灌流与脉冲大容量血液滤过相结合，与对细胞因子和心血管生理学的有益影响有关，但对死亡率没有影响 。
       最近，使用 Seraph® 100 Microbind® 亲和血液过滤器（ExThera，Martinez，CA）的血液灌流被 FDA 根据紧急使用授权批准用于治疗严重的 COVID-19 [。该装置包含超高分子量的吸附珠，可在体外去除 COVID-19 病毒 。然而，尚未发表任何随机试验。
        2022 年发表了两项 Cytosorb® 的随机对照研究。第一项研究了感染性心内膜炎心脏手术期间的血液灌流，该装置集成到体外循环回路中。它将 142 名患者随机分配到 Cytosorb®，将 146 名患者随机分配到常规治疗组，发现 SOFA 评分变化或任何其他临床结果（包括死亡率）的主要结果没有差异（21% 对 22%）。第二个报告在 50 名 COVID-19 血管麻痹性休克患者中使用 Cytosorb® 治疗 3 至 7 天对休克消退时间的影响 。结果发现这一结果没有显著差异，Cytosorb® 的死亡率为 78%，而对照组为 73%。
           最后，在这篇综述中，我们不讨论其他技术，例如分子吸附回收系统 (MARS)，它们为肝病提供了一种白蛋白吸附治疗。它们不代表直接血液灌流，也与本综述没有严格相关。同样，使用具有更大吸附能力的血液滤过膜（例如，oXiris 膜）不构成基于树脂的血液灌流，也与本综述没有直接关系。



血液灌流研究议程和建议

新的吸附材料现在为血液灌流临床应用研究的复苏铺平了道路 。
        治疗慢性透析患者和患有瘙痒的慢性肝病患者的初步报告令人鼓舞。同时，吸附剂在脓毒症、急性肾损伤和其他炎症状态中的临床应用为可行性和安全性提供了有用的数据，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于更好地了解吸附过程的基本方面、每种吸附剂的特性、吸附机制及其潜在方面效果 。其次，我们建议应进行针对多种相关溶质（例如，细胞因子、氨、可能的尿毒症毒素、有毒药物、抗生素）的离体研究，以确定它们在不同血流和灌注持续时间下的离体清除率，以确定最佳操作条件. 第三，我们建议将研究重点放在识别有意义的靶分子和测量它们的体内和体外动力学上。这可以通过利用等温线的创建和研究滤器吸附随时间的变化来完成。第四，我们建议应在大型动物中进行具有相似多靶点的研究，以评估长期暴露对器官功能的生物学和生理影响。
          在临床研究中，我们建议首先关注确定哪些条件应该触发血液灌流治疗以及持续多长时间。在这方面，我们建议建立一个血液灌流登记处来收集数据，就像在 ECMO 登记处一样。其次，我们建议重点确定针对不同疾病的充分、最佳和安全的血液灌流剂量。我们应该研究如何最好地衡量效率和功效，应该开多少次疗程，以及应该多久更换一次血液灌流滤器。因此，我们建议所有未来的人类血液灌流研究都应报告性能特征（例如，清除率、排泄率、质量清除、关键生物靶点的性能）。最后，我们建议在高危状态（如败血症、急性肝功能衰竭、严重中毒）中探索从间歇性（几小时的短时间治疗）到连续（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调查计划（从试点可行性研究到 II 期研究，最后在适当的情况下进行 III 期研究）。
          除非进行这些研究，否则血液灌流的作用将仍然不确定且了解不足。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，血液灌流是20世纪70年代和80年代持续肾脏替代疗法（CRRT）开始时的情况。2022年开具和提供CRRT的临床医生和护士几乎无法在连续动静脉血液滤过的第一批报告中认出他们的现代CRRT。很有可能，对于血液灌流，未来的临床医生会处于类似的位置。