Реактивность нейтрофильных гранулоцитов при операциях в условиях искусственного кровообращения

В настоящее время основной причиной смертности населения являются сердечно-сосудистые заболевания, среди которых лидирующее место занимает ишемическая болезнь сердца (ИБС) [Харченко В.И. и соавт., 1998, 2005; Бокерия JI.A., 2003; Карпов Р. С. и соавт., 2003; Манак Н. А., 2003]. Эффективным методом лечения коронарной патологии служит хирургическая реваскуляризация миокарда, позволяющая восстановить кровоток в сосудах сердца, облегчить проявления стенокардии и улучшить качество жизни больных [Кохан Е.П., Пайвин А. А., 2000; Метелица В. И., Оганов Р. Г., 2000; Тепляков А. Т. и соавт., 2003].

Наиболее частым вариантом хирургической коррекции венечного русла является коронарное шунтирование в условиях искусственного кровообращения (ИК), которое обеспечивает неподвижность сердца и дает возможность оперативного воздействия. Однако экстракорпоральная перфузия нефизиологична по своей сути, так как нарушает двухстороннюю нейрогуморальную связь системы дыхания и кровообращения с тканями организма [Меньшугин И.Н. 1998; Bone R.C. et al., 1992]. При этом кровь циркулирует по синтетическим магистралям аппарата ИК, что активирует систему комплемента [Fromes Y. et al., 2002; Paparella D. et al., 2002; J. van den Goor et al., 2004].

Кроме того, перфузиологическая методика требует увеличения объема циркулирующей крови, а временное снижение концентрации гемоглобина вследствие гемодилюции компенсируется артериальной гипероксией [Дементьева И.И., 1995; Меньшугин И. Н., 1998; Takano Н. et al., 2000; Бокерия Л. А. и соавт., 2001]. Данное обстоятельство создает благоприятные условия для избыточного образования активных форм кислорода как при ишемии, так и в момент реперфузии [Биленко М.В., 1989, Редчиц Е. Г. и соавт., 1991; Laude К. et al., 2001]. При этом ишемическое повреждение стенки кишечника способствует транслокации эндотоксинов в циркуляцию [Лебедева Р.Н., Полуторнова Т. В., 1995; Винницкий Л. И. и соавт., 1997; Wan S. et al., 1997; Бокерия Л. А. и соавт., 2001; Paparella D. et al., 2002; Таболин В. А. и соавт., 2003].

Важными продуцентами оксидантов выступают нейтрофильные гранулоциты, количество которых резко возрастает во время и после операции как ответная реакция на стресс, а также утрату клеток вследствие кровопотери и разрушения [Петухов Е.Б., Корнеев А. А., 1991; Шумаков В. И. и соавт., 2003]. Насосы аппарата ИК и турбулентные потоки в местах ветвления перфузионных магистралей травмируют форменные элементы крови, а ее гепаринизация нарушает липидный состав клеточных мембран, что способствует массивному выходу в кровоток широкого спектра медиаторных молекул [Шевченко О.П. и соавт., 1990; Петухов Е. Б., КорнеевА.А., 1991].

Ассоциация множества биологически активных веществ в циркуляции составляет системный воспалительный ответ, который представляет собой тяжелую неспецифическую реакцию организма на воздействие экстремально-деструктивных факторов среды, таких как инфекция, травма, операция, кровопотеря, ожог и др. [Лейдерман И.Н., 1999; Bone R.C. et al., 1992].

Сложный комплекс медиаторов в системном кровотоке индуцирует экспрессию адгезивных молекул на лейкоцитах и эндотелиальных клетках, а также дегрануляцию нейтрофилов, что вызывает деструкцию эндотелия [Волков A.M. и соавт., 2002; Paparella D. et al., 2002; Wehlin L. et al., 2004]. Чрезмерная выраженность этой патофизиологической реакции может трансформироваться в серьезные нарушения микроциркуляции и множественную органную дисфункцию. По данным северо-американских исследователей, полиорганная недостаточность уже в течение 20 лет остается основной причиной смерти среди пациентов палат интенсивной терапии и реанимации хирургических стационаров [Онищенко Н.А. и соавт., 2001].

Однако присутствие в циркуляции активированных и гиперактивированных нейтрофилов далеко не всегда имеет негативное значение, особенно при угрозе инфекционной патологии [Маянский А.Н., 1995]. Известно, что любое обширное хирургическое вмешательство сопровождается вторичным иммунодефицитом, в условиях которого возможна активация условно-патогенной микрофлоры слизистых и кожных покровов [Пинегин Б.В. и соавт., 1999]. В этом случае спонтанное или индуцированное медикаментами угнетение функциональной активности нейтрофилов у пациентов в раннем послеоперационном периоде создает опасность инфекционных осложнений.

Следует отметить, что в литературе уделяется чрезвычайно мало внимания протективной роли активированных полиморфноядерных лейкоцитов у больных ИБС после операций с ИК. Большинство исследователей рассматривают нейтрофилы исключительно как эффекторы системной воспалительной реакции (СВР), имеющие лишь негативное значение для реабилитации пациентов. Некоторые авторы вообще не учитывают функциональное состояние системы нейтрофильных гранулоцитов, а изучают медиаторный ответ в отрыве от деятельности иммунокомпетентных клеток. При этом данные литературы о цитокиновом профиле крови у пациентов с ИБС в периоперационном периоде изобилуют противоречивыми сведениями. Очевидно, такой подход стал одной из причин безрезультатных или неудачных попыток проведения антицитокиновой терапии [Винницкий Л.И. и соавт., 1997; Миронов П. И., Руднов В. А., 1999].

В свете выше изложенного представляется важным изучение вопроса о взаимосвязи между СВР и функциональной активностью нейтрофильных гранулоцитов крови при операциях коронарного шунтирования. Знание патофизиологических сдвигов, вызываемых применением ИК, позволит с осторожностью рекомендовать данный метод стабилизации миокарда и предвидеть возможные нарушения иммунного гомеостаза. Исследование роли ферментативных систем нейтрофилов, их фагоцитарной активности и адгезивной способности, а также содержания цитокинов в плазме крови поможет вскрыть тонкие механизмы развития системного воспалительного ответа у кардиохирургических больных, оперированных в условиях искусственного кровообращения.

Цель исследования. Установить общие закономерности и особенности реактивности нейтрофильных гранулоцитов на фоне системного воспалительного ответа у кардиохирургических больных, оперированных в условиях искусственного кровообращения.

Задачи исследования:

1. Оценить состояние показателей белой крови, рецепторного аппарата, ферментативных систем и фагоцитарной активности нейтрофилов у больных ишемической болезнью сердца до, через 6 и 24 ч после операции реваскуляризации миокарда в условиях искусственного кровообращения.

2. Охарактеризовать цитокиновый профиль периферической крови и уровень деструктивных изменений сосудистого эндотелия у больных ишемической болезнью сердца до, через 6 и 24 ч после операции коронарного шунтирования в условиях искусственного кровообращения.

3. Выявить общие закономерности и особенности реакций нейтрофилов и цитокинового фона у больных ишемической болезнью сердца до операции реваскуляризации миокарда с применением искусственного кровообращения и в раннем послеоперационном периоде в зависимости от длительности течения заболевания.

4. Оценить влияние искусственного кровообращения на неспецифическую резистентность организма и медиаторный гомеостаз крови у больных ишемической болезнью сердца в первые сутки после операции коронарного шунтирования.

Положения, выносгшые на защиту:

1. Течение ишемической болезни сердца на поздних стадиях заболевания (III-IV функциональный класс стенокардии) сопровождается системной воспалительной реакцией с повышенной секрецией прои противовоспалительных цитокинов, угнетением фагоцитарной активности и усилением переваривающей способности нейтрофильных гранулоцитов. Сочетанное функционирование кислородзависимых и кислороднезависимых механизмов обусловливает высокую бактерицидность полиморфноядерных лейкоцитов. Проведение коронарного шунтирования в условиях искусственного кровообращения способствует усилению микробицидности нейтрофилов в первые сутки послеоперационного периода и преимущественной ее переориентации на кислороднезависимый путь.

2. Десквамация сосудистого эндотелия при ишемической болезни сердца не зависит от способности циркулирующих нейтрофилов продуцировать активные формы кислорода. Повреждение интимы сосудов после реваскуляризации миокарда с применением экстракорпорального кровообращения развивается уже через 6 ч после хирургического вмешательства. Необходимым условием ранней нейтрофил-опосредованной альтерации эндотелия является сочетание усиленного экзоцитоза азурофильных гранул полиморфноядерных лейкоцитов, их способности синтезировать биооксиданты и повышение численности CD 18±клеток.

3. Характер изменений в организме, индуцированных операцией коронарного шунтирования в условиях искусственного кровообращения, зависит от исходной реактивности системы нейтрофильных гранулоцитов и цитокинового фона крови. Меньшая длительность ишемической болезни сердца у оперируемых пациентов ассоциируется с большей выраженностью системной воспалительной реакции и дефицитом Fcy± и СЗЬ±нейтрофилов до хирургического вмешательства. После реваскуляризации миокарда с применением искусственного кровообращения у пациентов, страдающих коронарной болезнью длительное время, повышается рецептор-экспрессирующая, секреторная и фагоцитарная функции микрофагов, степень деструкции эндотелия. Короткий анамнез ишемической болезни сердца характеризуется в целом противоположными изменениями в раннем послеоперационном периоде.

4. Применение искусственного кровообращения и кардиоплегии в качестве метода стабилизации миокарда при его реваскуляризации негативно воздействует на организм пациента. Индукция неадекватного медиаторного ответа, ранние дегрануляция нейтрофилов и нейтрофил-зависимая деструкция эндотелия осложняют адаптацию пациентов, оперированных в условиях экстракорпорального кровообращения.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование реактивности нейтрофильных гранулоцитов и медиаторного ответа у больных И ишемической болезнью сердца до и после операции коронарного шунтирования в условиях искусственного кровообращения. Конечным итогом исследования явились новые данные, свидетельствующие о неоднозначности вклада кислородзависимых факторов в обеспечение бактерицидности нейтрофилов и альтерацию сосудистого эндотелия на различных этапах периоперационного периода. В основе изменений ферментативной, дегранулирующей, фагоцитарной и рецептор-экспрессирующей активности нейтрофилов лежат не только динамика плазменной концентрации цитокинов, но и качественная модуляция взаимосвязей между иммунокомпетентными молекулами и структурно-функциональным статусом клеток.

Показано, что реактивность системы полиморфноядерных фагоцитов и выраженность исходной системной воспалительной реакции зависят от срока давности коронарной болезни, определяющих комбинацию патофизиологических сдвигов в послеоперационном периоде. В ходе исследования установлены два варианта цитокинового профиля крови, определяющие тип нейтрофильных реакций после хирургического вмешательства с применением искусственного кровообращения — сбалансированный или экстенсивный. При этом дооперационной особенностью экстенсивной реактивности микрофагов (в отличие от сбалансированного ее типа) является чрезмерно высокая продукция фактора некроза опухоли а, повышенное соотношение между концентрацией антагониста рецепторов для интерлейкина-1 и уровнем интерлейкина-ip в крови, глубокий дефицит Fc± и СЗЬ±нейтрофилов.

Сопоставление функциональной активности нейтрофильных гранулоцитов с клиническими данными постперфузионного периода у пациентов, страдающих коронарной болезнью, позволило найти формулу, описывающую положительную зависимость объема экссудата в плевральной полости от численности Fc± и СЗЬ±нейтрофилов в крови и их способности к респираторному ответу через 6 ч после операции.

Результаты настоящего исследования служат веским аргументом в пользу негативного влияния искусственного кровообращения на организм пациента, которое заключается в индукции некоординированного медиаторного ответа, активации респираторного взрыва и дегрануляции полиморфноядерных лейкоцитов крови и деструкции сосудистого эндотелия.

Теоретическое и практическое значение работы. В результате проведенных исследований получены новые данные фундаментального характера, расширяющие известные на сегодняшний день представления о роли цитопатической функции нейтрофильных гранулоцитов в патогенезе системного воспалительного ответа после реваскуляризации миокарда в условиях искусственного кровообращения. Выявленные закономерности дисбаланса защитной функции и деструктивного эффекта нейтрофилов, а также их цитокинзависимой регуляции у обследованных лиц могут служить основой для дальнейшего понимания патогенетических связей в развитии послеоперационных осложнений у кардиохирургических больных, разработки их прогностических критериев и принципов компенсации. В частности, использование полученной формулы, описывающей взаимосвязь количества жидкости в плевральной полости с показателями функциональной активности нейтрофилов, позволит предсказать и своевременно предотвратить формирование плеврального экссудата, угрожающего развитием острой дыхательной недостаточности.

Полученные фундаментальные знания могут стать основой для адекватной профилактики и лечения осложнений у кардиохирургических больных после операции реваскуляризации миокарда в условиях искусственного кровообращения. Коррекцию нейтрофил-опосредованных нарушений у больных ишемической болезнью сердца после операции мы рекомендуем проводить в соответствии с типом сформировавшейся реактивности полиморфноядерных лейкоцитов. Последняя может быть установлена на основании исследования фагоцитарной активности нейтрофилов. При сбалансированном типе нейтрофильных реакций оправдано применение антиоксидантов и антител к лейкоцитарным р2-инегРинам (анти-С018) или к эндотелиальным ICAM-молекулам (aHTH-CD54). Экстенсивный вариант реактивности требует иммуностимулирующей и/или пролонгированной антибактериальной терапии.

Теоретически возможно проведение антицитокиновой терапии, однако результат ее трудно предсказуем ввиду сетевых взаимодействий медиаторов и требует дальнейшего исследования. При экстенсивном типе нейтрофильных реакций предполагается эффективным введение интерлейкина-1 и -8, ингибиторов интерлейкина-6, при сбалансированном — растворимых рецепторов для интерлейкина-1 и -8.

Прогнозировать тип реактивности у пациентов с ишемической болезнью сердца можно еще на дооперационном этапе: экстенсивный вариант вероятен у лиц с коротким анамнезом заболевания, чрезмерно высоким плазменным уровнем фактора некроза опухоли, а и глубоким дефицитом Fc± и СЗЬ±микрофаговсбалансированный — при умеренной выраженности этих нарушений и длительном течении коронарной болезни.

Апробация и реализация диссертации. Материалы диссертции докладывались и обсуждались на VIII, IX и X Всероссийском съезде сердечнососудистых хирургов (Москва, 2002, 2003, 2004) — на Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 50-летию Читинской государственной медицинской академии «Актуальные проблемы клинической и экспериментальной медицины» (2003) — на Всероссийской конференции «Компенсаторно-приспособительные процессы: фундаментальные, экологические и клинические аспекты» (Новосибирск, 2004) — на научной конференции с международным участием «Новые оперативные технологии (анатомические, экспериментальные и клинические аспекты)» (Томск, 2004) — на межрегиональной конференции «Актуальные вопросы патологии», посвященной 70-летию кафедры патологической анатомии и физиологии Башкирского государственного медицинского университета (Уфа, 2004) — на четвертом и шестом конгрессах молодых ученых «Науки о человеке» (Томск, 2003, 2005) и научных семинарах кафедры патологической физиологии СибГМУ (Томск, 2002;2006).

Результаты исследований используются в лекционном курсе по патологической физиологии в разделе «Патофизиология воспаления», «Патофизиология белой крови».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ: в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 10 статей и тезисов в материалах конгрессов, конференций, съездов.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 198 страницах машинописного текста и состоит из введения, 4-х глав, выводов, практических рекомендаций и списка используемой литературы. Работа иллюстрирована 19 рисунками и 14 таблицами. Библиографический указатель включает 287 источников, из них 161 отечественных и 126 зарубежных.

171 ВЫВОДЫ:

1. У больных ишемической болезнью сердца (ИБС) с показаниями к операции коронарного шунтирования формируется системная воспалительная реакция с повышением уровня прои противовоспалительных цитокинов в крови, деструкцией сосудистого эндотелия, угнетением Feyи СЗЬ-рецептор-экспрессирующей функции нейтрофилов и численности активно фагоцитирующих клеток. Усиление бактерицидности нейтрофильных гранулоцитов обусловливается избыточным образованием биооксидантов и кислороднезамисимыми механизмами.

2. Через 6 и 24 ч после реваскуляризации миокарда в условиях искусственного кровообращения у больных ИБС повышаются уровень прои противовоспалительных цитокинов в крови, численность рецептор-экспрессирующих нейтрофилов. Активация переваривающей способности нейтрофилов обеспечивается кислороднезависимыми механизмами. Деструкция сосудистого эндотелия усиливается за счет гиперпродукции оксидантов и экзоцитоза азурофильных гранул адгезированных CD18±нейтрофилов.

3. Выраженность модуляции фагоцитарной активности нейтрофилов у больных ИБС через 6 ч после операции с применением искусственного кровообращения зависит от длительности основного заболевания.

4. Пролонгированное течение коронарной болезни (7−8 лет) отмечается у 64% пациентов и характеризуется умеренной системной воспалительной реакцией и недостаточностью Fcy+ - и СЗЬ±нейтрофилов. Через 6 ч после коронарного шунтирования у больных ИБС формируется провоспалительный медиаторный ответ, свойственный острому воспалению, и координированная противовоспалительная реакция (повышение плазменного уровня ИЛ-1ра и ИЛ-4). Реактивность нейтрофильных гранулоцитов реализуется по эффективному сбалансированному типу с повышением численности рецептор-экспрессирующих клеток и их способности к продукции оксидантов. Деструкция эндотелия при этом еще более возрастает.

5. При коротком анамнезе основного заболевания (2−3 года) у 36% больных ИБС до проведения прямой реваскуляризации миокарда развивается выраженная воспалительная реакция и глубокий дефицит Fcy+ - и СЗЬ±нейтрофилов. В течение первых суток после операции формируется провоспалительный цитокиновый фон, характерный для хронического воспаления, и некоординированной противовоспалительный ответ (повышение концентрации ИЛ-lpa при неизменном уровне ИЛ-4). Система нейтрофильных гранулоцитов функционирует по неэффективному экстенсивному варианту при отсутствии рецептор-экспрессирующего и респираторного ответа клеток. Степень десквамации сосудистого эндотелия сохраняется в пределах дооперационных значений.

6. У больных ИБС, оперированных в условиях искусственного кровообращения, в отличие от пациентов с коронарной болезнью, оперированных на работающем сердце, концентрации ИЛ-6 в крови возрастает, что сопровождается более ранним повышением содержания ИЛ-1ра (через 6 ч после хирургического вмешательства) и неизменным уровнем ИЛ-4. Явление нейтрофильного лейкоцитоза у этих пациентов сочетается с инертностью рецепторного аппарата, значительным усилением респираторного ответа и преждевременной дегрануляцией клеток, что обусловливает повреждение сосудистого эндотелия и увеличивает сроки послеоперационной реабилитации пациентов.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ:

1. Коррекцию нейтрофил-опосредованных нарушений у больных ишемической болезнью сердца после операции следует проводить в соответствии с типом сформировавшейся реактивности полиморфноядерных лейкоцитов, которая может быть установлена на основании исследования фагоцитарной активности нейтрофилов. Тип реактивности нейтрофилов у пациентов с ишемической болезнью сердца следует прогнозировать на дооперационном этапе: экстенсивный вариант вероятен у лиц с коротким анамнезом заболевания (2−3 года), чрезмерно высоким плазменным уровнем фактора некроза опухолей, а и глубоким дефицитом Fc± и СЗЬ±микрофаговсбалансированный — при умеренной выраженности этих нарушений и длительном течении коронарной болезни (7−8 лет).

2. При сбалансированном типе нейтрофильных реакций оправдано применение антиоксидантов, препаратов, угнетающих дегрануляцию нейтрофилов, антител к лейкоцитарным (32-инегринам (анти-С018) или к эндотелиальным ICAM-молекулам (анти-СБ54). Причем через б ч после операции препаратами выбора являются ингибиторы дегрануляции нейтрофилов, а во вторую очередь могут применяться антиоксиданты. Через 24 ч после хирургического вмешательства более приоритетным является использование антиоксидантов, но также могут назначаться и блокаторы лейкоцитарных р2-инегринов (анти-СБ18) или ICAM-молекул (анти-СБ54). Экстенсивный вариант реактивности требует иммуностимулирующей и/или пролонгированной антибактериальной терапии.

3. С целью коррекции медиаторного ответа у больных ИБС в послеоперационном периоде возможно проведение антицитокиновой терапии. При экстенсивном типе нейтрофильныхреакций предполагается эффективным введение интерлейкина-1 и -8, ингибиторов интерлейкина-6, при сбалансированном — растворимых рецепторов для интерлейкина-1 и -8.