無創血管內皮功能檢測技術研究進展與應用

李桂香，黃德群，唐元梁，陳軍，劉凱，伊翔，吳新社

廣東省醫療器械研究所/國家醫療保健器具工程技術研究中心 廣東省醫用電子儀器與高分子材料制品重點實驗室，廣東 廣州 510500

引言

血管內皮細胞是一層連續覆蓋在血管腔表面的扁平單層鱗狀細胞，它不僅是血管的滲透屏障，而且是人體最大的內分泌、旁分泌器官，分泌幾十種血管活性物質，還是許多活性物質的靶器官。血管內皮細胞在調節血管舒張狀態、維持凝血和纖溶系統平衡、抑制血小板聚集、抑制炎癥細胞與內皮細胞間的黏附以及調控血管平滑肌生長等方面有重要的生理功能，正常的血管內皮功能是維持心血管系統穩態的基本條件。內皮功能障礙與諸多疾病存在著密切聯系，包括糖尿病、高血壓、中風等，且多發生于心血管事件的早期、可治療階段。內皮結構和功能損傷均是動脈粥樣硬化斑塊形成的重要原因，也是血管病變最早的標志，當管壁還未見明顯的結構變化時，內皮功能已經出現了障礙，并且參與損傷的進展及隨后的臨床并發癥，與心血管疾病關系密切。若在內皮損傷階段，未出現動脈粥樣硬化斑塊或動脈粥樣硬化斑塊形成早期，進行血管內皮功能病變檢測早期篩選高危人群，可避免血管管壁進一步出現內膜增厚、彈性下降、斑塊形成等病變，當發現血管內皮功能障礙時，進行及時干預和指導治療，可以逆轉內皮功能損害，對維護心血管健康、降低心血管疾病的發病率和死亡率以及醫療成本具有重要意義。目前血管內皮功能檢測方法主要有創和無創兩種方式。無創方法具有少/無創傷、檢查費用相對低且操作簡單、重復性好、適用人群廣、更易被接受等優點，逐漸在臨床應用，但實現廣泛推廣存在局限。新型無創血管內皮功能評價方法成為血管內皮功能診斷研究的熱點。本文通過分析和總結無創血管內皮功能診斷方法研究與應用相關的國內外文獻，對無創血管內皮功能檢測技術研究和應用進行綜述，以促進國民對血管內皮功能診斷的重視，實現心血管類疾病的早預防、早診斷、早治療，減少心血管疾病事件發生或減緩發生進程，提升人們健康水平和生活質量。

1 無創血管內皮功能檢測技術研究進展

1.1 應用需求

血管內皮是一個具有高度活性的代謝和分泌器官，既是感應細胞又是效應細胞，能感知血液中的炎性信號、激素水平、切應力等信息，同時釋放活性物質對這些信息作出反應，具有參與血管形成、調節血管張力、抗凝促纖溶、參與炎癥反應等功能。內皮功能障礙主要受血管舒張因子減少、血管收縮因子增加、炎癥因子等影響[1-2]。內皮源性舒張因子和收縮因子之間存在平衡，但這種平衡狀態偏離時就被認為內皮功能障礙[3]。血管舒張因子包括一氧化碳（Nitric Oxide，NO）、內皮源性超級化因子（Endothelial-Derived Hyperpolarisation Factors，EDHF），前列環素等，其中最主要的是NO，它主要由內皮細胞受剪切應力作用而釋放。在動脈粥樣硬化早期，當NO生物活性明顯減低時，內皮功能可由前列環素和EDHF上調代償調節[4-6]。同時，在剪切應力、血管緊張素II、腎上腺素、凝血酶、氧化型低密度脂蛋白等調控下，血管收縮因子如內皮素1、血栓素A2也相應增加[7]。血管內皮正常時釋放內皮依賴舒張因子及血管收縮因子，舒張因子占優勢；但血管內皮受損時，血管收縮因子占優勢，造成血管功能受損，炎癥因子增加使低密度脂蛋白轉化為氧化型低密度脂蛋白，從而損傷內皮細胞，影響內皮功能[8-9]。隨著臨床研究的深入，醫學界已逐漸意識到血管壁病變及其發生發展所致的管腔病變才是心肌梗死、中風等各種心血管并發癥的基礎[10-13]。另外，近年研究表明血管內皮生長因子在血管生成刺激的多步驟中起重要作用，與包括胃癌在內癌癥的發展密切相關，內皮功能障礙已被證實是心血管事件的獨立風險因素[14]。逆轉血管內皮功能障礙已成為心血管病領域的新研究方向，醫學界一直致力于發明一種能早期診斷血管內皮功能病變的方法，使血管內皮功能診斷成為一項常規檢查項目[15-16]。

1.2 無創血管內皮功能檢測技術的研究進展

目前，評價血管功能的常用的檢測手段主要包括侵入式和非侵入式檢測兩大類。侵入性檢測需要將乙酰膽堿注入人體冠脈，但因其對人體有創、耗時長、費用高，不建議健康或無癥狀患者使用，所以在臨床應用上受到極大限制。非侵入式內皮功能檢測方法最早出現在20世紀90年代，隨著基礎和臨床研究的不斷發展，醫療行業對心血管疾病中檢查內皮功能的重視程度越來越高，無創血管內皮功能檢測因其少或無創傷、檢查費用相對低且操作簡單、重復性好、適用人群廣、更易被接受等優點成為研究熱點[17]。在2018年第二十九屆長城國際心臟病學會議上特別設立了“無創血管功能診斷”的專場會議。血管內皮功能無創檢測技術的研究發展迅速。

在臨床應用上，評價內皮功能的無創檢測方法主要包括基于血流介導的血管擴張（Flow Mediated Dilation，FMD）技術、外周動脈張力（Peripheral Artery Tonometry，PAT）、光學體積描記法和無創生化檢測等4大方法。其中，血流介導的血管擴張FDM技術是評價和衡量內皮功能的“金指標”[18-20]； PAT可以預測人群中心血管事件的發生風險，其安全性及重復性較好，近年來在美國冠心病患者的血管內皮功能檢測中廣泛應用，逐漸被證明可以在門診或社區對心血管高危人群進行篩查[21]；光學體積描記法能平行反映年齡對動脈老化的影響，與PWV相關性很好，可能會成為心血管事件的獨立預測因子[22-24]；無創生化檢測方法常用于評價血管內皮功能的新方法和研發的無創血管功能診斷設備的效用，臨床應用中主要包括微量白蛋白尿化驗和循環生物標記物檢測。

雖然FDM、PAT、光學體積描記法和無創生化檢測等在實際臨床應用上成為替代有創檢測的重要方法，但是廣泛推廣到日常血管內皮功能篩查和臨床應用受到檢測設備價格高昂、彩超探頭易故障、從業者需要訓練有素、完成評估的時間長等局限[25]。無創生化檢測方法中微量白蛋白尿檢測雖然可以非常準確的判斷血管功能，但它更多的是反映內皮結構損傷情況，而且化驗檢查樣本采集有一定難度，影響檢測的準確性；循環生物標記物ADMA、CRP、內皮素、凝血有關血友病因子、T-PA和PA1-1、可溶性細胞黏附分子等都可在某一方面預測心血管疾病事件的發生，但是檢測樣本量大、分析過程繁瑣[26]。

為了突破上述檢測方法存在的局限，研究學者基于前人的研究和高新技術的發展，開展了一系列新概念/檢測方法研究，并基于新的理念創新研制新型的無創血管功能檢測設備。主要包括磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、 正 電 子 發 射 掃 描（Positron Emission Tomography，PET）、聚合物傳感器、指尖熱（Digital Thermal Monitoring，DTM）、局部溫度刺激誘導反應性充血理念與傅里葉/小波分析方法相結合等技術相應的設備；基于血管內皮調節與動脈彈性的關系，血管內皮功能受損導致動脈壁結構和功能的變化是引起動脈彈性下降的主要原因，還研究了輔助評價血管內皮功能的方法，包括檢測脈沖波速（Pulse Wave Velocity，PWV）、心踝血管指數（Cardio-ankle Vascular Index，CAVI）、增強指數等[27-28]。其中，MRI和PET近年被發展起來并逐步應用于心血管系統的檢查，常用于檢測心肌活性功能，還可以與冷加壓實驗聯合定量檢測冠狀動脈的血流量，評價血管舒張功能。但因設備價格昂貴、技術條件要求高，目前未能廣泛應用；可穿戴技術和新材料的興起，聚合物傳感器的應用顯示出一定的診斷潛力。將商業上可用的導電橡膠繩索拉伸傳感器ERB（炭黑浸漬橡膠傳感器）嵌入到一塊可拉伸織物中，實現外周血流量可視化。研究發現，靜止時電阻固定，拉伸時阻抗增大。當戴在小腿周圍時可以監測腿部體積的變化，這種新型HeMo血流動力學監測儀對體位沒有特別要求。可穿戴技術和基于聚合物的傳感器的進步可能是滿足臨床醫生對理想系統需求的最有競爭力的候選者，可以在功能活動和鍛煉期間提供持續監測，還可能增加診斷功能。基于poly-mer技術的發展，因其存在低成本、低專業使用要求以及能夠提供關于周圍動脈和靜脈的相對即時信息的優點，新型血流動力學檢測儀具有提供早期診斷的前景[29]。

隨著21世紀大健康理念的產生及老齡化社會的步入，便攜移動家用健康監測興起。美國研究學者提出了DTM技術，通過連續測量阻斷肱動脈血流前后指尖溫度的變化來反映反應性充血的血流量變化評價外周動脈內皮功能，原理同PAT相似，血流量改變引起的指尖溫度改變可以反映血管擴張程度，用以評價血管內皮功能。研制的設備在檢測時采取兩個指尖對比測定消除系統誤差及自身影響，通過與冠脈造影及多排CT及核素心肌灌注顯像等對比研究發現，DTM與冠心病的多項危險因素有相關性并可以評價治療情況，但仍需要前瞻性的研究和臨床數據以明確DTM測定的內皮功能不全在心血管事件上的預測及指導價值。

近年來，研究學者研究血管內皮功能調節基礎、探索調節機制突破發現人體血流脈動與如下的周期性調節活動有關：內皮調節（50～105 s），神經調節（20～50 s），肌源性調節（7～20 s），呼吸活動（2～7 s）以及心跳活動（0.5～2 s）。血流振蕩的頻率特征約為0.01 Hz，與內皮細胞活性有關，特別是NO的合成活性。可以將采集到的血流信號中將波動周期在50～105 s范圍內的子信號提取出來，最大限度地反映單純內皮源性血管舒張調節功能、減少其它調節活動和噪聲的干擾。基于DTM技術和血管內皮功能的調節機制，研究學者創新開展了通過微血管局部刺激和小波分析來研究血管內皮功能調節的主要調節因子，將局部溫度刺激誘導反應性充血理念與傅里葉/小波分析方法相結合，利用小波分析對激光多普勒血流儀測量的LDF信號可變成分進行頻譜分析，評估血管張力的狀態以及微血管系統中負責調節血流機制的因子，開展了一些內皮功能熱檢測的臨床測試研究，在糖尿病和風濕病患者的微血管內皮功能障礙診斷上初步驗證了該方法的可行性。但激光多普勒測流技術具有一定的局限性，限制了其應用。基于熱信號時頻分析技術的內皮功能檢測理念在最近幾年提出，雖然該技術在產品化方面還遠遠不夠，但基于局部溫度刺激誘導反應性充血測試則可最大限度地反映單純內皮源性血管舒張調節功能，有望成為廣泛推廣應用的新型無創血管內皮功能檢測方法[30]。

2 應用現狀

目前，基于束臂缺血誘導反應性充血理念的無創血管內皮功能檢測方法已逐漸得到了業界的認可，基于該理念研制的無創血管內皮功能檢測設備已應用于心血管疾病、糖尿病、腎病、男科疾病等多個領域。其中，基于加壓阻斷肱動脈，觀察反應性充血前后的血管內徑變化理念的內皮功能診斷儀器占據市場主導地位。但臨床應用的設備都來自國外，典型的產品包括歐姆龍的UNEX EF 38G、BP-203RPE III，Itamar Medical公司的ENDOPAT以及ENDOTHELIX公司的VENDYS。其中，UNEX EF 38G是利用超聲探頭來檢測反應性充血前后肱動脈內徑的變化來反映內皮功能，ENDOPAT是利用PAT技術，以上設備已通過了美國FDA、中國CFDA、歐洲CE、日本SHONIN的認證，并被超過60個國家的權威臨床機構和研究中心所使用；VENDYS是利用DTM技術。UNEX EF 38G和ENDOPAT已進行國內市場，應用于臨床或科研。微血管功能檢測儀器——俄羅斯FM Diagnostics公司研發的Microtest儀器，從理論上來說更能準確評價血管內皮功能，但目前尚處于臨床測試階段，國內還尚未見有同類設備研究成型。

上述臨床應用的設備尚未實現廣泛的日常篩查和早期血管內皮功能診斷。主要局限除了設備昂貴、需要專業人員維護外，還因其檢測成本高、時間長容易使人身體產生不適以及評估結果受多種因素影響，具有不確定性[31]限制了這類設備的發展。另外，血管內皮功能早期篩查、診斷及康復訓練對于減低心血管事件、癌癥的發生發展具有重要意義，實現大健康，迫切需要一種能廣泛推廣應用的便攜式家用或穿戴式內皮血管功能診斷方法及設備。

3 總結和展望

血管內皮細胞對維持正常的心血管功能起著重要作用，在各類心血管疾病及其相關疾病的發生、發展中扮演重要角色。研究發現內皮功能障礙不僅與心血管疾病息息相關，還與股骨頭壞死、妊娠高血壓綜合癥、癌癥等發生有關。血管內皮功能具有可逆性，改善血管內皮功能的措施包括以下幾類：① 干預措施，如藥物治療降壓藥腎素-血管緊張素系統抑制劑、他汀類藥物；② 補充治療，如注射L-精氨酸、雌激素替代等；③ 生活方式改變如有氧運動、限制鈉的攝入、減輕體質量等。研究一種適合廣泛推廣的低成本無創血管內皮診斷方法和設備在廣大人群中開展血管內皮功能檢查，篩查冠心病高危人群，實現早發現、早干預、早治療，逆轉病理過程，為心血管疾病的診斷、治療提供新思路，對防止或延緩冠心病及并發癥發生具有重要意義。

目前，基于束臂缺血誘導反應性充血理念的無創血管內皮功能檢測方法和研制的無創內皮功能診斷儀已逐漸應用于臨床。內皮功能活性相關的循環生物標記物檢測也進入了實驗室輔助評價心血管事件。但這些方法對血管內皮功能變化、影響因素以及作用方式等缺乏系統闡述，加上設備昂貴，需要專業人員，血管疾病早期預防普及篩查還有一定難度。實際上血管內皮功能調節過程有5個調節活動參與，而束臂方式會造成缺血引起肱動脈代謝異常，代謝產物（前列腺素、腺苷、肌漿蛋白等）會隨血流到達下游微血管處參與管徑調節，內皮源性血管舒張只在充血反應中起到了部分作用，完全歸結于血管內皮調節活動的影響而忽略其它調節因素獲得的評估結果準確性有一定偏頗。隨著臨床對內皮功能、各種疾病的發病機制和變化影響因素揭示、醫電和生化設備的研究進步以及臨床數據的完善，便攜式、穿戴式技術迅速發展。有研究學者為解決當前血管內皮功能診斷技術的缺陷和廣泛推廣應用的局限性，提出不使用束臂方式而利用誘導反應性充血原理，對微小末梢血管進行誘導冷/熱刺激，基于誘導前后微小末梢血管的溫度變化和信號時頻分析提取內皮調節子信號，得到單純內皮源性血管舒張調節功能，減少其它調節活動和噪聲干擾，更直觀準確反映血管內皮功能的新理念。預期不久，將會迎來無創血管內皮功能診斷新方法和便攜、可穿戴的設備的廣泛推廣應用，實現內皮功能障礙的早預防、早發現、早治療，在心血管疾病及其它疾病方面篩查診斷治療中發揮重要作用，降低心血管事件或其它疾病的發生，提高人民生活質量和水平。