基于白蛋白透析的非生物型人工肝支持系統研究進展

蔡少如, 古明子, 張琳雅, 傅裕, 馮磊

(南方醫科大學 珠江醫院 肝膽二科,廣東 廣州 510282)

目前人工肝支持系統主要分為3大類,即:非生物型人工肝支持系統(non-biological artificial liver support system,NBALSS),生物型人工肝支持系統(bio-artificial liver support system,BALSS) 和混合型人工肝支持系統(hybrid artificial liver support system,HALSS)[2,5]。

NBALSS是指通過體外物理和化學方法構成的支持系統,能夠部分替代肝臟的解毒功能,治療模式主要包括血漿置換(plasma exchange,PE)、血液透析(hemodialysis,HD)、血漿灌流(plasma perfusion,PP)、血液濾過(hemofiltration,HF)、白蛋白透析等[2-3]。NBALSS是目前臨床上ALF橋接治療的主要手段,能有效凈化肝衰竭病程中產生的白蛋白結合毒素和炎癥因子等[6-7]。不同的NBALSS治療模式凈化不同分子量的物質的能力具有較大差異?，F有研究表明,運用單一NBALSS模式并不能明顯改善ALF或慢加急性肝衰竭(acute-on-chronic liver failure,ACLF)患者的預后。

BALSS具有全面代替肝臟解毒、代謝、生物合成等功能的特點,其最核心的構成部分是生物反應器和種子細胞[8]。理論上BALSS是最接近正常肝臟的人工肝支持系統,目前已報道的BALSS主要有HepatAssist、extracorporeal liver assist device(ELAD)、academic medical center bioartificial liver(AMC-BAL)、modular extracorporeal liver support(MELS)、bioartificial liver support system(BLSS)等[3]。盡管部分BALSS已開展了Ⅲ期臨床試驗,但都未達到預期效果。

HALSS結合了NBALSS和BALSS的優勢,能更好地發揮代替肝臟解毒、代謝、生物合成等功能[9],具有巨大的治療潛力。

白蛋白由肝臟合成分泌,它在血漿中的半衰期約為17 d,是血漿中最豐富的蛋白質,占血漿總蛋白質的50%。其能夠維持血漿膠體滲透壓,結合運輸相關物質(膽紅素、脂肪酸和藥物等),降低氧化應激和炎癥因子,調節免疫細胞信號傳導[10]。ALF患者,由于肝臟功能受損,其白蛋白合成功能下降,結合毒素轉運受阻,這會引起多器官功能異常。白蛋白透析通過透析膜兩側的白蛋白競爭性結合蛋白結合毒素,從而能有效地清除硫醇、γ-氨基丁酸、游離脂肪酸等毒素[11]。

近年來,通過組合單純血漿濾過、灌流和白蛋白透析,非生物型人工肝支持系統變得更加豐富。這些組合根據系統中利用的白蛋白不同,又被分為內源性白蛋白透析系統和外源性白蛋白透析系統。內源性白蛋白透析系統是指通過成分血漿分離器分離血漿,利用內生性白蛋白清除蛋白結合毒素和/或水溶性毒素的系統(圖1、表1),主要包括生物透析吸附血漿濾過治療(biologic-detoxifier and plasma filter,biologic-DTPF)系統、成分血漿分離吸附聯合血液透析(fractionated plasma separation and adsorption,FPSA,又稱Promethus)系統、配對血漿濾過吸附(coupled plasma filtration adsorption, CPFA)系統、血漿濾過吸附透析(plasma filtration adsorption dialysis, PFAD)系統和李氏非生物型人工肝支持系統(Li’s artificial liver system, Li-ALS);外源性白蛋白透析系統是指利用外源性白蛋白通過透析膜競爭性結合蛋白結合毒素,去除蛋白結合毒素和水溶性毒素的系統(圖2、表2),主要包括白蛋白分子吸附再循環系統(molecular adsorbents recirculating system,MARS)、單向白蛋白透析(single-pass albumin dialysis,SPAD)系統、連續白蛋白凈化系統(continuous albumin purification system,CAPS)和高級器官支持系統(ADVanced organ support system,ADVOS)[5, 12]。這些組合系統的研發對血液凈化技術與人工肝的發展具有巨大的推動作用。本研究主要綜述白蛋白透析的非生物人工肝支持系統的研究進展,以期為人工肝的研發提供借鑒,并展望未來人工肝的發展方向。

表1 內源性白蛋白透析系統相關原理、特點等的比較Table 1 Comparison of the relevant principle and characteristic of endogenous albumin dialysis system

表2 外源性白蛋白透析系統相關原理、特點等的比較Table 2 Comparison of the relevant principles and characteristics of exogenous albumin dialysis system

A:生物透析吸附血漿濾過治療系統;B:普羅米修斯系統;C:配對血漿濾過吸附系統;D:血漿濾過吸附透析系統;E:李氏非生物型人工肝支持系統。A: Biologic-DTPF system;B:Prometheus system;C: Coupled plasma filtration adsorption system; D: Plasma filtration adsorption dialysis system; E: Li’s artificial liver system.圖1 內源性白蛋白透析系統模式圖Figure 1 Schematic of the endogenous albumin dialysis system

A:分子吸附再循環系統;B:單向白蛋白透析系統;C:連續白蛋白凈化系統;D:高級器官支持系統。A: Molecular adsorbents recirculating system; B: Single-pass albumin dialysis system; C: Continuous albumin purification system; D: ADVanced organ support system.圖2 外源性白蛋白透析系統模式圖Figure 2 Schematic of the exogenous albumin dialysis system

1 內源性白蛋白透析系統

1.1 生物透析吸附血漿濾過治療(biologic-DTPF)系統

biologic-DTPF系統是biologic-DT系統聯合血漿分離(再吸附)的改良系統,清除蛋白結合毒素的能力較強。biologic-DTPF系統由Steczko等[13]開發,是最早應用于臨床的具有不同凈化模式的NBALSS。biologic-DTPF系統可通過透析作用和吸附劑過濾清除大部分的毒性物質,其最重要的一個特點是吸附劑呈懸液狀,這極大提高了吸附表面積,因此具有顯著的吸附能力。但在biologic-DTPF系統治療過程中,吸附劑可能激活血小板,導致凝血功能異常,目前極少應用于臨床。

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1.2 成分血漿分離吸附聯合血液透析(Prometheus)系統

Prometheus系統主要由聚砜膜透析器(截留相對分子量250 000～300 000)、吸附系統和常規血液透析系統組成,該聚砜透析膜可以將血液中90%的白蛋白分離出來,分離出來的成分血漿首先通過吸附系統以凈化蛋白結合毒素(大分子物質),然后通過高通量血液透析系統以清除水溶性毒素[14]。Prometheus系統利用的是患者的內源性白蛋白,而不是MARS系統所用的外源性白蛋白,這會導致患者自身的白蛋白水平下降;Prometheus系統的另一個缺點是其將高通量透析器與患者的血液一起放置在白蛋白循環中,成分血漿經過吸附柱時進行的是非選擇性吸附,即在清除毒素的同時也會清除血漿中的正常蛋白,如C蛋白,從而會導致體外循環凝血的風險增加。

Grodzicki等[15]對114例患者進行了278次Prometheus系統透析治療,每次治療持續約6 h,發現Prometheus系統能夠降低相關細胞炎癥因子水平,對ALF患者的肝功能具有顯著改善作用,并且其允許對患者的體溫進行調節,這在其他人工肝系統中是無法實現的。Kribben等[16]進行了一項多中心隨機對照研究,發現在患者28 d和90 d存活率方面,Prometheus系統并未產生統計學影響,但分層分析結果顯示,其可顯著提高MELD評分>30分的患者的90 d存活率。關于SPAD系統和Prometheus救治酒精性肝硬化/酒精性肝炎的回顧性研究系統顯示,對于修正的MELD UNOS評分在18～30分的繼發于酒精性肝硬化/酒精性肝炎的患者,這兩個系統均具有顯著的效果[17]。

1.3 配對血漿濾過吸附(CPFA)系統

CPFA系統是一種血漿過濾吸附與血液透析相結合的解毒系統,系統的第1部分可以被認為是一個“閉環”,閉環中的樹脂吸附柱對許多細胞因子、介質和毒素具有高親和力,血漿過濾器分離的血漿通過樹脂吸附柱后形成的純化血漿被再返回至患者體內;系統的第2部分,即血液過濾器,其主要功能為濾除未被樹脂吸附的剩余毒素或調控血容量[18]。

Tetta等[19]首次使用CPFA系統治療膿毒癥動物模型,發現CPFA系統能吸附過濾大量炎癥因子,從而顯著改善動物模型的生存率。另一項研究將CPFA系統用于救治腹膜炎導致內毒素血癥的實驗豬,結果顯示CPFA系統并不能改善其內毒素血癥的癥狀,尤其是微循環、內皮損傷等[20]。Garbero等[21]開展了一項多中心隨機對照臨床研究,發現單次CPFA系統治療并不能改善感染性休克患者的生存率,但使用CPFA系統進行多次治療則有助于提高生存率。

目前CPFA系統已經成功應用于肝功能衰竭、膿毒血癥、全身炎癥綜合征等的治療[21-22]。雖然大量體外試驗證實了CPFA系統的安全性與有效性,但其能否改善膿毒血癥患者的生存率尚需進一步的研究探討。并且,該系統中血漿吸附與血漿透析串聯,會受限于分漿速率,導致透析效率顯著較低。

1.4 血漿濾過吸附透析(PFAD)系統

PFAD 技術基于一種新的凈化原理,利用三室透析器通過濾過、吸附及透析3種連續技術的組合來凈化患者的血液[23]。這種特殊設計可以去除細胞因子等大分子物質,適用于敗血癥、ALF、多器官功能障礙綜合征(multiple organ dysfunction syndrome,MODS)等疾病的治療。

PFAD系統首先利用濾過和吸附以清除血漿中的可溶性小分子物質,然后通過白蛋白的凈化介質作用來清除蛋白結合毒素和大分子疏水物質,患者的血漿白蛋白既可作為一種介質,又可作為凈化的基質。該系統可清除因急性肝功能衰竭產生的大量炎癥介質和細胞因子,從而治療患者的臨床癥狀,提高生存率[24]。但是因該系統結構復雜,操作困難,故尚未見相關臨床研究報道。

1.5 李氏非生物型人工肝支持系統(Li-ALS)

Li-ALS是由低流量血漿置換聯合血漿循環吸附濾過組合而成的新型NBALSS系統。治療過程中,血液先經過血漿分離器(OP-02W)進行1 h的低流量血漿置換,再以置換出來的廢棄血漿為循環介質,依次經過血漿濾過(BLS-812濾器)、離子交換樹脂和活性炭吸附劑,進行5 h的置換,經過處理后的廢棄血漿與血液混合再一起返回患者體內。該NBALSS系統能明顯降低谷丙轉氨酶(alanine aminotrasferase,ALT)、谷草轉氨酶(aspartate aminotrasferase,AST)、膽汁酸和血氨水平,促進肝衰竭肝細胞再生,改善肝衰模型豬的生存率[25]。該系統在臨床應用時可節省血漿用量,但操作復雜,可能會增加血漿污染的風險。該系統尚未見相關臨床應用報道,尚需進一步驗證其結果。

2 外源性白蛋白透析系統

2.1 分子吸附再循環系統(MARS)

MARS是由Stange[26]于1999年研發的一種白蛋白分子循環吸附透析系統,主要包含3個循環,即血液循環(流速為150～250 mL/min)、白蛋白分子凈化再生循環(質量分數為20%的白蛋白600 mL, 流速為150 mL/min)和透析循環(碳酸氫鹽緩沖液,流速為500 mL/min)。

白蛋白分子凈化再生循環包括兩個循環,一個循環中應用的是不透白蛋白的MARS FLUX透析器,另一個循環中預注有白蛋白溶液?；颊哐和ㄟ^MARS FLUX透析器時,血漿中結合毒素的白蛋白會被透析液吸收分離清除出來。由于膜的孔徑大小,相對分子量超過50 000的物質不會被清除。通過第2個循環在持續靜脈-靜脈血液透析中不斷為第1個循環補充凈化后的白蛋白。因此,MARS與其他治療方法相比,其成本更高?；颊邔ARS的耐受性通常良好,但其也可能會引起血小板和凝血因子下降等現象,這提示彌散性血管內凝血(disseminated intravascular coagulation,DIC)患者或早期DIC患者應禁止使用此系統[27]。

MARS是目前臨床應用最廣泛的以白蛋白透析為基礎的NBALSS系統,但其構造復雜,使用費用高,操作復雜,毒素清除效果受限于活性炭和樹脂吸附能力及循環白蛋白溶液[28]。大量多中心隨機臨床研究證實,MARS治療能夠明顯降低患者膽紅素和血氨水平,緩解肝性腦病癥狀,還能夠清除肌酐,改善腎功能,從而防止MODS的發生[29-30]。

2.2 單向白蛋白透析系統(SPAD)

SPAD系統最早是由Kreymann等[31]設計的,主要用于清除Wilson病的銅離子,其主要由HF80透析器和白蛋白透析液(白蛋白質量濃度為44 g/L)組成,其原理類似于持續靜脈透析濾過。其后,Chawla等[32]將其用于救治高膽紅素血癥患者,發現SPAD系統能顯著降低患者膽紅素和血清蛋白結合毒素水平,并且高質量分數蛋白透析液(5%)的效果優于低質量分數的蛋白透析液(1.85%)。

透析液的白蛋白質量分數和流速對SPAD系統的透析效率具有明顯影響。有研究對比了SPAD系統在不同質量分數(1%,2%,3%和4%)白蛋白透析液和不同透析液流速下的治療效果,得出了結論:SPAD系統透析液的最佳白蛋白質量分數為3%,最佳流速為700～1 000 mL/h[33]。

與MARS系統相比,SPAD系統構造更加簡單,費用低且操作簡便,毒素清除效果不受限于活性炭和膽紅素吸附能力及循環白蛋白溶液,可以定量測定清除毒素的量。目前SPAD系統多應用于散在病例,如Wilson病[34]、急性乙肝感染[35]等。最近一項針對MARS系統和SPAD系統的前瞻性、對照、交叉研究顯示,MARS系統和SPAD系統均可以降低血漿膽紅素水平,但均不能顯著改變細胞因子(IL-6和IL-8)水平和肝性腦病癥狀,另外,SPAD系統還不能明顯降低膽汁酸、肌酐和尿素水平[36]。

2.3 連續白蛋白凈化系統(CAPS)

CAPS系統是Abe等[37]率先開展的一種與MARS系統工作原理幾乎一樣的外源性白蛋白透析系統,主要包括血液循環(流速為100 mL/min)、白蛋白分子凈化再生循環(質量分數為5%的白蛋白, 流速為100 mL/min)和透析循環(碳酸氫鹽緩沖液,流速為500 mL/min),該系統最大的優勢是能長時間持續治療,不受限于膽紅素和活性炭吸附柱的吸附能力[12]。CAPS系統在24 h內可以清除包括白蛋白結合毒素在內的許多有毒物質,對腦、肝、腎和心血管功能具有保護作用,且副作用較小。Zhang等[38]利用血漿置換聯合連續血漿過濾吸附術挽救了肝移植前肝豆狀核變性嚴重的急性肝衰竭患者,證實了該系統的安全性及有效性,但仍需進行大樣本臨床研究,以驗證其有效性及安全性。

2.4 高級器官支持系統(ADVOS)

ADVOS系統的原型是Hepa Wash系統,其主要包括3個循環:血液循環(流速為225～250 mL/min)、白蛋白透析液循環(質量分數為2%～3%的白蛋白,流速為1 200 mL/min)和蛋白透析液清洗循環(流速為2 L/h)。血液經過透析器時與白蛋白透析液競爭蛋白結合毒素,混有毒素的白蛋白透析液分別進入兩個通道,一個通道通過酸化破壞毒素與白蛋白的結合鍵,從而使毒素釋放,然后通過透析清除游離毒素;另一個通道通過堿化破壞毒素與白蛋白的結合鍵,從而使毒素釋放,然后通過透析清除游離毒素;經過酸化和堿化透析的白蛋白透析液最終被混合在一起,酸堿性中和,凈化后的白蛋白透析液再次與血液中白蛋白進行競爭性結合毒素,如此重復,可實現白蛋白的重復利用,增強血液凈化的效果[39]。

動物實驗顯示,該系統能明顯清除動物體內的水溶性毒素和蛋白結合毒素,但并不能提高其生存率[39]。Al-Chalabi等[40]研究顯示,該系統能改善敗血癥引起的多器官功能障礙動物模型的生存率,明顯改善心肺和肝腎功能。初步臨床試驗顯示,該系統具有一定可行性和安全性[41-43],但尚未見多中心隨機對照臨床試驗研究。

3 小結與展望

近幾年隨著組織材料工程、生物醫學工程、類器官技術等多學科的交叉融合,各式新型人工肝支持系統和新方法被構建出來。從單一的非生物或生物模式治療轉變為多種模式聯合治療是目前的研究熱點。構建一個能夠完全代替肝臟合成、解毒、生物轉化、免疫調節的新型組合型生物人工肝是未來人工肝支持系統的發展方向。

作者貢獻聲明

蔡少如:提出研究思路,整理文獻,撰寫論文;古明子、張琳雅:文獻檢索、文獻整理;傅裕:文獻整理、修改論文;馮磊:提出研究框架及論文框架、作圖和修改論文。

利益沖突聲明

本研究未受到企業、公司等第三方資助,不存在潛在利益沖突。