氦氧混合氣在呼吸系統疾病中的應用

游海平(綜述)，張小霓，翁欽永(審校)

(1.福建醫科大學附屬第一醫院麻醉科，福州 350005； 2.福建醫科大學附屬協和醫院重癥醫學科，福州 350001)

1868年Janssen發現了氦氣(Helium)，1903年美國學者證實Heium大量存在于大氣中[1]。氦氣和氧氣混合后制成的氦氧混合氣(Heliox)始用于人體深水潛水作業，以防止肺減壓病的發生。之后人們發現，吸入Heliox可顯著降低呼吸道阻力和呼吸功、增加二氧化碳排出以及改善氣體交換[2]。這引起醫學工作者的重視，并促使Heliox的應用轉向治療呼吸系統疾病的領域。該文就Heliox在呼吸系統疾病中應用的研究進展予以綜述。

1 氦氣的理化性質

氦氣是一種化學性能穩定，臨界溫度最低，最難液化，常溫下呈現氣態的惰性氣體。也是最輕的稀有氣體，且在所有元素中熔點和沸點最低[3]。與氧氣(1.43 g/m3)和氮氣(1.25 g/m3)相比，氦氣具有較低的密度(0.179 g/m3)，其絕對黏度是201.8 mp(氧氣：211.4 mp；普通空氣：188.5 mp)。在相同條件下，氦氣的流速是空氣的2.68倍[4]。由于氣流大小取決于混合氣中每種氣體成分的密度和黏度，氦氣的物理特性可以降低呼吸道阻力，提高通過肺的氣流。此外，氦氣具有較高的導熱性，當機體完全被包繞在氦氣中就可能發生熱丟失，從而降低新陳代謝，所以在充滿氦氣的環境中，機體的能量消耗更低[5]。人們在對大鼠的實驗中發現，延長呼吸75%的氦氣可誘導低體溫[6]。然而，人類至今尚未發現短期呼吸氦氣發生體溫降低的相關報道。

2 Heliox治療呼吸系統疾病的相關機制

2.1呼吸力學方面的作用機制 呼吸道阻力大小不僅取決于呼吸道口徑，還與氣體的運動狀態(包括層流或湍流)、氣流速度、氣體密度及黏滯度有關。當其他因素不變時，低密度和(或)高黏滯度的氣體產生的阻力更小。Heliox恰好兼具低密度性和高黏滯性，正符合雷諾公式：R=ρ·D·Vel/μ的原理，能夠改善氣流運動狀態，提高氣體流速，降低呼吸道阻力和呼吸功[7-8]。呼吸道阻塞性肺疾病患者吸入Heliox后呼吸困難癥狀明顯緩解，正是通過上述物理特性改善呼吸力學才得以實現。

2.2生化作用機制 人們發現氦氣還存在某些生化特性，此發現打破了以往只把氦氣作為一種惰性氣體的舊識。Oei等[9]研究發現，Heliox預處理對心肌和腦缺血/再灌注損傷具有保護作用，并且對肺、免疫系統、血管也產生作用，提示氦氣具有生化特性，能產生特定的生物作用。Lee等[10]的實驗提示，當呼吸Heliox時，肺平均動脈壓、右心房壓和肺動脈阻力均呈現顯著統計學意義的降低，且Heliox通氣可以降低內源性呼氣末正壓和殘氣量，使心臟指數增加>20%。在急性肺損傷的新生動物模型上，Heliox組與氮氧組比，通氣參數得到改善，這與肺泡增多，氧需求減少和炎癥范圍縮小有關[11]，認為這是氦氣對肺的生化作用和通過物理特性改善呼吸力學參數引起的效果。李志平等[12-13]在探討慢性阻塞性肺疾病吸入Heliox后肺功能改善的機制中發現，吸入Heliox后用力肺活量顯著增加。呼吸高濃度Heliox還可大幅增加補呼氣容積，這證明肺的彈性發生了變化，而單靠其物理特性無法解釋此現象。這種肺彈性的改變可能是高濃度Heliox改善某些呼吸道疾病患者缺氧癥狀的重要機制之一[14]，而肺彈性的改變可能與Heliox某些未知的生物作用有關[15]。雖然氦氣對軟組織具有生化作用已是不爭的事實，但是其作用機制仍是未解之謎。

3 Heliox在呼吸系統疾病中的應用研究

Heliox通氣作為治療各種原因引起的呼吸道阻塞性疾病(上下呼吸道梗阻、哮喘及慢性阻塞性肺疾病)的替代方法已有70多年的歷史[16]。近年來發現，Heliox對急性支氣管炎、急性肺損傷、呼吸衰竭及嬰幼兒肺部疾病治療和霧化治療有明顯效果，且具有降低氣管插管率，縮短住院時間等優勢[17]。

3.1治療哮喘 哮喘是一種以可逆性氣流受限為特征的呼吸道慢性炎癥性疾病，臨床主要表現為呼吸道阻塞導致的低氧血癥和二氧化碳蓄積。多項研究發現，無論是自主呼吸還是機械通氣，吸入Heliox均能明顯緩解急性哮喘患者的呼吸困難癥狀，這與Heliox降低呼吸道阻力和呼吸功耗、改善氣體交換等作用有關[18-19]。由于急性哮喘發作異常兇險，特別是哮喘持續狀態，常危及生命，臨床上可以直接通過吸入Heliox，迅速降低呼吸道阻力、加快氣體流速、降低呼吸功能、改善氣體交換，從而緩解哮喘狀態，因此Heliox可方便地用于哮喘的院前和急癥救治。

3.2治療慢性阻塞性肺部疾病 慢性阻塞性肺部疾病是慢性呼吸道阻塞性疾病的統稱，主要包括不可逆性呼吸道阻塞的慢性支氣管炎和肺氣腫兩種疾病。其主要病理特點是肺通氣和(或)換氣功能障礙，臨床表現為呼吸困難，呼吸做功增加及運動耐受降低等。Marciniuk等[20]對16例穩定期慢性阻塞性肺疾病患者行6 min步行測試發現，通過面罩或鼻導管吸入Heliox(30% 氦氣,70% 氧氣)比吸入100%氧氣的患者步行距離更遠。Colebourn等[21]研究發現，Heliox通氣能降低慢性阻塞性肺疾病患者的內源性呼氣末正壓，從而使克服內源性呼氣末正壓所致的做功減少。以上研究說明慢性阻塞性肺疾病患者吸入Heliox可以改善呼吸困難，降低呼吸功，增加運動耐受，從而改善病情，提高生活質量。但不能根本解決呼吸道阻塞問題。

3.3治療急性支氣管炎 急性支氣管炎屬于呼吸系統常見病和多發病，主要表現為呼吸急促，呼吸功耗增加和呼吸肌疲勞，嚴重者出現呼吸困難，而呼吸肌疲勞又反過來加重呼吸困難。吸入Heliox可阻斷這種惡性循環，緩解病情。在一項針對嬰兒急性細支氣管炎的隨機對照研究中，Liet 等[22]發現Heliox組比空氣或氧氣組在第一個小時治療后平均臨床呼吸評分顯著降低(均數-1.15,95%CI-1.98～-0.33，P=0.006,每組69例)。Martinón-Torres等[23]對38例急性支氣管炎的嬰兒進行對照性研究得出了類似結果。由此可見，Heliox能改善急性支氣管炎患者的呼吸困難和臨床評分。但這些僅限于臨床觀察，其機制有待進一步研究。

3.4治療呼吸衰竭 對于各種原因導致的呼吸衰竭,傳統的鼻導管給氧并不能明顯改善病情，而常需行機械通氣治療。有報道稱，Heliox通氣治療急性呼吸衰竭不僅可以減輕病情，同時還可以降低氣管插管率，提高生存率[24-25]。此外，對氣管插管的患者而言，Heliox通氣也能顯著降低呼吸道阻力，加速氣體流動，增加氧輸送及排出二氧化碳，從而改善氣體交換和低氧血癥。由于嬰幼兒對氣管插管和面罩給氧耐受力差，加之呼吸道口徑相對狹小，易被痰液等分泌物阻塞。針對嬰幼兒呼吸衰竭的治療，臨床上有報道，單純從鼻導管吸入Heliox是可行且有效的方法之一[26]。目前傳統機械通氣治療仍是治療急性呼吸衰竭的主流，而Heliox通氣作為呼吸衰竭的一種輔助治療手段，或許是未來臨床值得推廣的新元素。

3.5治療急性肺損傷 急性肺損傷是在嚴重感染、休克、創傷及燒傷等非心源性疾病過程中，肺毛細血管內皮細胞和肺泡上皮細胞損傷造成彌漫性肺間質及肺泡水腫導致的急性低氧性呼吸功能不全或衰竭。Heliox用于急性肺損傷，目前僅在動物實驗階段。研究發現，急性肺損傷幼豬吸入Heliox后潮氣量增加，二氧化碳排出增多，氣體交換最終得到改善[27]。Nawab等[11]研究也證實Heliox機械通氣不僅能提高氣體交換效率，降低機體對氧的需求，而且還能減輕急性肺損傷幼豬肺部炎癥。其機制可能與Heliox的物理特性有關，此外某種生化機制也可能參與了抗炎等作用。

3.6在霧化吸入治療中的應用 在霧化吸入治療方面，Heliox除了可以作為氧的載體外，還可以作為支氣管擴張藥等霧化劑的載體。通過改變氣體流量，Heliox有助于把更多的氣霧劑顆粒輸送到遠端的支氣管樹中[28]。一項隨機對照研究證明，霧化吸入支氣管擴張劑治療急性哮喘，Heliox組更顯著地增加呼吸流速[29]。這可能是由于氦氣的低密度和高黏滯性，改變呼吸道的阻力和順應性，從而提高氣體流速，使氣霧劑更快地達到相應部位發揮療效。有關這方面的應用還需要大樣本的循證醫學研究加以證實。

3.7治療嬰幼兒肺部疾病 Heliox對嬰幼兒肺部疾病同樣有較好的療效。Szczapa等[30]的研究顯示，Heliox機械通氣不會影響嬰兒的生命體征并保持臨床狀況的穩定性；氦氧機械通氣期間，嬰兒的潮氣量，每分鐘通氣和呼氣峰流速值顯著增加；在不降低肺泡動脈氧分壓差和氧合指數的情況下Heliox機械通氣可以允許更低的氧濃度，同時顯著增加氧合指數比值。在對51例行鼻塞式持續呼吸道正壓通氣的新生兒隨機對照研究中發現Heliox通氣(氦氣 80%和氧氣20%)與空氣通氣相比可顯著降低機械通氣的比例(14.8% vs 45.8%)[31]。由于嬰幼兒呼吸道口徑相對狹小，且肺的順應性較成人差，加上嬰幼兒對缺氧耐受能力較差，一旦患有呼吸系統疾病，往往來勢較為兇險，需爭分奪秒改善缺氧狀況。Heliox可以通過加快氣體流速，增加氧氣輸送和二氧化碳排出，降低氧需求，從而迅速改善缺氧癥狀，這是值得進一步探索的研究方向。

4 問題與展望

迄今為止，人們對Heliox的研究多局限于物理特性及呼吸力學方面，且研究樣本較小；Heliox的制備、貯存及運輸均需要特殊設備和技術，成本較高。這些因素都限制了其在臨床上的廣泛應用。但是，綜述諸多研究成果已為Heliox的深入研究展現出曙光，有關Heilox的其他作用和機制最終也將公之于眾，加上其使用成本的不斷降低，相信Heliox成為治療呼吸系統疾病的常規手段之一已為期不遠。

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