吸入氢气对复苏后早期脑电特征及其预后预测性能影响的实验研究

心脏骤停(cardiac arrest,CA)是心脏泵血机械活动突然停止导致血流在机体停止循环,进而导致脑功能丧失的一种紧急状况,如不及时采取措施,将危及生命。美国院外心脏骤停(out-of-hospital cardiac arrest,OHCA)的发病率为110.8(95%CI,108.9–112.6)例/10万人,院内心脏骤停(in hospital cardiac arrest,IHCA)的发病率为4.0(95%CI,1.4–11.8)例/1000例住院病人;据推测我国CA发病率约为每年41.8例/10万人。随着心肺复苏技术的不断改进,OHCA病人恢复自主循环(return of spontaneous circulation,ROSC)的比例提升到44.8%。尽管如此,OHCA病人的出院存活率仅为10.4%,出院且神经功能良好率为8.4%,在我国这一数据分别为1.3%和1.0%。65.2%院内监护CA病人的死亡可归于脑及神经系统受损。复苏后神经功能保护干预措施日益受到重视。2007年《自然·医学》杂志首次报道吸入氢气(hydrogen inhalation,HI)能减少大鼠局部缺血再灌注脑损伤。随后在大鼠室颤CA模型上研究结果显示HI在改善神经功能上与目标温度管理(target temperature management,TTM)相当,并且HI能不依赖于高浓度氧和TTM而独立改善复苏后神经功能;窒息CA动物模型上的研究结果表明HI改善神经功能作用甚至优于TTM。虽然如此,这些研究中都采用了生存结局和神经功能缺损评分(neurologic deficit scores,NDS)作为HI的主要评价指标,但这两个评价指标不能在复苏后早期实施检测。在现有预后预测的方法中,脑电图(electroencephalogram,EEG)因其时间分辨率高、无创、造价低廉等优点而广泛应用于临床领域。由于连续脑电(continuous EEG,cEEG)监测相比常规脑电(routine EEG,rEEG)监测能提供更可靠的预测信息而被重症监护领域普遍采用,但cEEG会产生大量的EEG数据。定量EEG分析具有客观、高效、准确等优点,cEEG结合定量EEG分析越来越受到临床医生和科研人员的关注。

尽管现有研究表明HI能改善复苏后神经功能,但研究所采用的实验动物与CA临床病人的实际不相符,并且EEG用于复苏后早期HI的疗效预测还未得到研究,主要体现在以下两个方面:(1)现有研究HI对复苏后神经功能的保护作用都是基于无基础疾病实验动物的CA模型。在2007年首次证实HI能减少脑缺血再灌注损伤的实验中采用的是常规大鼠,在随后几个研究HI保护复苏后神经功能的实验也采用了常规大鼠。而流行病学资料表明CA病人约有65-82%患有心肌梗塞、高血压、心肌肥大和心衰竭等基础疾病。在现有评估HI疗效实验中没有考虑到基础疾病的影响,与临床实际情况不相符合。在伴随基础疾病动物模型上,HI能否改善复苏后的神经功能和生存结局还不清楚。(2)HI对复苏后早期EEG量化特征及其预后预测影响还不清楚。现有的研究中,HI疗效的主要体现在NDS和生存结局,但这个两个指标都无法在复苏后早期检测。为了优化干预措施并减少无效医疗资源支出,有必要在复苏后早期预测HI的疗效。由于EEG能实时反应神经功能状态而被广泛应用于CA预后预测,EEG具有用于早期预测HI疗效的潜质,但HI是否对复苏后早期EEG的量化特征产生影响还不清楚,EEG的预测性能会不会因为HI而改变还需要研究。
本课题的目的是研究吸入氢气对常规实验动物和伴随基础疾病实验动物复苏后早期EEG量化指标的影响,分析这些EEG量化特征在吸入氢气条件下的预后预测性能,用于解决吸入氢气在复苏后早期疗效评估问题;推动吸入氢气用于CA病人的临床救治进展。主要研究内容及结论如下:(1)运用雌性斯普雷格·多雷(sprague dawley,SD)大鼠,研究窒息引发心脏骤停后,HI对其神经功能及生存结局的影响。在40只SD大鼠上构建窒息CA模型,ROSC后随机分入对照组、氢气组并监护4小时,采集血液样本,观察NDS及生存状况至96小时。采集基础状态(Baseline,BL)及复苏后4小时的EEG数据。研究小结:对照组和氢气组的实验动物在BL参数、CA诱导及CPR的各项参数上不存在差异,但接受HI治疗的实验动物其生存率显著提高(90%vs.40%,P<0.01),其NDS也低于对照组实验动物,氢气组的脑损伤血清指标低于对照组。各项结论均表明,HI对CA复苏后的神经功能具有保护作用。(2)研究HI对SD大鼠复苏后早期EEG量化特征及其预后预测性能的影响。对SD大鼠实验中采集的EEG数据进行信号处理后,计算暴发时间(onset time of burst,OTOB)和连续时间(time to normal trace,TTNT)。在BL、复苏后5min及每隔30min提取1min长度的EEG数据,根据EEG量化指标算法流程计算并优化:暴发抑制比(burst-suppression ratio,BSR)、排序熵(permutation entropy,PeEn)、直接香农熵(direct shannon entropy,DsEn)、近似熵(approximate entropy,ApEn)和样本熵(sample entropy,SaEn)。比较对照组与氢气组在复苏后EEG量化特征的变化趋势以及各个时间点的差异;分析量化特征与NDS、脑损伤生化指标的相关性;分别分析EEG量化指标在无吸入氢气治疗与存在吸入氢气治疗时的预测性能。研究小结:通过EEG量化分析表明,吸入氢气实验动物的OTOB和TTNT显著缩短,氢气组的BSR、PeEn、DsEn、ApEn、SaEn在复苏早期后优于对照组;EEG量化指标与NDS和脑损伤血清指标显著相关;接受吸入氢气治疗不影响EEG量化指标预测生存结局的性能。(3)运用雄性自发高血压大鼠(Spontaneously hypertensive rat,SHR),研究室颤引发心脏骤停后,HI对其神经功能及结局的影响。在40只SHR上通过诱导电极施加电流引发CA,4分钟后开始CPR,ROSC后随机分入对照组、氢气组、低温组、氢气低温组,监护5小时,观察生存状况并评估NDS至复苏后96小时。通过对比各组实验动物的NDS、生存结局、血清生化指标、心脑组织病理学指标来评估HI的神经功能保护作用。利用多通道生物信号采集系统采集BL及复苏后5小时的EEG数据备用。研究小结:各组实验动物在基础生理参数、CA诱导和CPR参数都没有显著差异。但与对照组相比,复苏后氢气组和氢气低温组的血清生化指标和组织病理指标均得到改善,其NDS和生存率也得到改善。各项指标均表明HI具有保护高血压大鼠复苏后神经功能的作用。(4)研究HI对SHR复苏后早期EEG量化特征及其预后预测的影响。对SHR实验中采集的EEG数据进行信号处理并计算量化指标,包括BSR、PeEn、DsEn、ApEn、SaEn。并比较HI、TTM等干预措施对复苏后早期EEG量化指标及其恢复进程的影响;进行了EEG量化指标与NDS及脑损伤血清指标的相关分析,还分析了量化指标预测生存结局的预测能力。对比了复苏前SHR与SD在EEG量化指标的差异,以及EEG量化指标在共同预测两种动物生存结局时的预测性能。研究小结:对高血压大鼠的EEG量化特征研究表明,氢气组及氢气低温组复苏后早期的BSR、PeEn、DsEn、ApEn、SaEn优于对照组;相关分析表明,复苏早期部分EEG量化指标与NDS和脑损伤血清指标显著相关;对量化指标的预测能力分析表明,EEG量化指标在部分时间点能提供有价值的生存结局预测信息。SHR与SD大鼠在基础状态下EEG量化指标存在显著差异;在共同预测SHR与SD大鼠的生存结局时,EEG量化指标能提供有价值的预测信息。综上所述,本文运用基础疾病动物CA模型,研究吸入氢气的神经保护作用,首次证实了HI能改善基础疾病动物CA复苏后的神经功能和生存结局。
本文还探索了HI对复苏后早期EEG量化特征及其预测性能的影响,通过对EEG数据进行量化分析发现,无论是常规实验动物还是伴随基础疾病实验动物,HI都能改善其复苏后早期EEG量化特征;存在HI治疗的情况下,EEG量化指标仍能提供有价值的预后预测信息,EEG可以用于复苏后早期HI的疗效评估。基于这些动物实验结论,为解决氢气的临床应用提供了参考:一是为吸入氢气在CA后的临床应用提供了有力证据。到目前为止,还没有大规模临床实验证明CA后吸入氢气具有保护神经功能的作用,本文在更接近临床实际的基础疾病动物CA模型上证明了氢气的神经功能保护作用,与在常规动物上得到结论相比,进一步表明氢气可用于提高CA患者的神经功能完好率。二是为解决氢气吸入的早期疗效评估提供了思路。在现有CA后吸入氢气的实验中,氢气的疗效主要体现在生存结局和NDS,本文通过研究HI的EEG量化特征及预测性能,发现在复苏后早期EEG能用于预测HI疗效,进而可用于调整HI的治疗方案。三是拓展了EEG用于CA后预后预测的适用范围。EEG是现有预测CA结局的常用方法,但EEG容易受复苏后药物和治疗措施的干扰,EEG的预后预测是否适用于CA后吸入氢气的情况还不清楚。通过本研究发现在接受HI治疗时,EEG仍能提供有价值的生存结局预测信息,EEG可以适用于吸入氢气条件下的预后预测。总而言之,本研究推动了HI应用于临床CA病人的进展,相信经过不懈努力,在不久的将来吸入氢气必将作为一种可控可调的治疗手段为CA病人带来益处。