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摘要
背景：在体外循环（CPB）后，常使用鱼精蛋白逆转普通肝素（UFH），但给药策略（通常基于鱼精蛋白与肝素（P:H）的比值）存在差异，且最小有效剂量尚不明确。逆转效果通常通过活化凝血时间（ACT）进行评估，但该指标可能无法可靠地反映残余肝素活性。我们采用药代动力学建模方法，以确定最小有效P:H比值，并阐明抗Xa活性与ACT之间的关系。
方法：本项前瞻性、单中心研究纳入了68例接受体外循环（CPB）辅助心脏手术的成年患者。术中及UFH逆转后共采集757份血样，用于测定抗Xa活性和ACT。采用非线性混合效应方法构建群体药代动力学-药效学模型，以描述鱼精蛋白对UFH的中和作用。随后，基于术中累积UFH剂量，利用该模型进行蒙特卡洛模拟，估算在不同鱼精蛋白与UFH剂量比（P:H）下完全逆转（抗Xa活性 <0.10 IU ml -1）的概率。
结果：患者接受的平均总剂量为30250 IU UFH和200mg鱼精蛋白静脉注射。在开始给予鱼精蛋白后10分钟内，所有患者的抗Xa活性均降至<0.10 IU ml-1，表明逆转迅速。基于模型的模拟预测，当P:H为0.625:1时，95%的患者可实现完全逆转。尽管ACT与抗Xa活性呈正相关，但在低抗Xa浓度下，ACT值仍存在较大变异。
结论：P:H为0.625:1 可提供充分的UFH逆转。鉴于ACT的不精确性，无需常规监测的固定低比例给药可能是一种实用的替代方案，但需要前瞻性验证。
关键词：抗凝逆转；体外循环；肝素；蒙特卡洛模拟；非线性混合效应建模；药代动力学；鱼精蛋白
1.背景
对于接受CPB辅助心脏手术的患者，推荐使用UFH进行全身抗凝。 在CPB期间，通过ACT监测 UFH 的抗凝效果，以指导追加给药。在CPB脱机时，给予硫酸鱼精蛋白以中和UFH。鱼精蛋白是一种带正电荷的多肽，可通过静电结合解离肝素-抗凝血酶复合物，形成无活性的肝素-鱼精蛋白复合物。 然而，鱼精蛋白还可通过与血小板、凝血因子及纤溶系统相互作用，表现出内在的抗凝特性。因此，应谨慎调整鱼精蛋白剂量，以确保有效逆转抗凝作用，同时避免产生反常抗凝效应。
在估算鱼精蛋白剂量的策略中，最新指南建议根据术中给予的UFH剂量计算鱼精蛋白与肝素（P:H）比值，该比值应保持在1:1以下（每100 IU UFH 使用1 mg鱼精蛋白）。 然而，近期研究表明，低至0.6:1的比值可能已足够。尽管如此，实现UFH完全中和所需的最低有效比值仍未明确。
肝素逆转通常使用ACT进行评估。尽管在存在残余肝素的情况下，ACT 可能已恢复至基线水平， 从而可能增加出血风险；但反过来，即使肝素完全中和后，ACT是否仍可能持续升高，这可能导致不必要的鱼精蛋白给药及其相关不良反应。此外，抗凝活性在逆转后可能再次出现，这一现象被称为“肝素反跳”。其机制尚不明确，可能是由于肝素重新分布，也可能是鱼精蛋白对凝血功能产生的影响所致。 尽管其对术后出血的影响尚存争议， 但已有报道显示，在CPB后，高达80%的患者仍存在残余抗 Xa 活性。由于该现象难以预测，且可能在高风险手术中加重凝血功能障碍， 其与鱼精蛋白给药剂量之间的关系仍不清楚。
群体药代动力学/药效动力学（PK/PD）建模为优化药物给药提供了定量框架。课题组先前已开发出模型，用于在CPB期间个体化调整UFH的给药方案。 然而，目前尚无PK/PD模型对鱼精蛋白逆转UFH的作用进行描述。
在本研究中，应用群体药代动力学/药效动力学 (PK/PD) 模型量化鱼精蛋白剂量与UFH逆转动力学（抗 Xa 活性）之间的关系，旨在确定最小有效鱼精蛋白剂量。次要目的包括评估ACT作为UFH中和的替代指标，并研究肝素反跳的发生情况。
2.方法
2.1研究设计与伦理
这项前瞻性PK/PD研究在法国圣艾蒂安大学医院进行。该方案已获得医院研究委员会、法国伦理委员会和法国国家药品和健康产品安全局 (ANSM) 的批准。该研究已在 EudraCT和 ClinicalTrials.gov上注册。已获得所有参与者的书面知情同意。该研究遵循《赫尔辛基宣言》和《药物临床试验质量管理规范》。
2.2研究人群和临床程序
2019年11月至2021年3月期间，共纳入68例计划接受CPB辅助心脏手术（冠状动脉搭桥术、瓣膜手术、主动脉夹层）的成年患者。排除标准包括对UFH、鱼精蛋白或氨甲环酸有禁忌症；早期再次干预；妊娠以及使用抗凝血酶或抑肽酶。
所有参与者均接受了1500 ml预充液（500 ml羟乙基淀粉和1000 ml晶体液）。使用无肝素体外循环管路（PVC；LivaNova Group，Clamart，法国）和磷酰胆碱涂层氧合器（Inspire 8F；LivaNova）。氨甲环酸的给药遵循机构方案。参与者接受相同的猪源性UFH（Heparin Choay®；Greifswald，德国）和硫酸鱼精蛋白（Protamine Choay®；1 mg鱼精蛋白中和100 IU UFH）。UFH以负荷剂量给药，并根据需要追加剂量以维持ACT>400s。在CPB撤机时，于10分钟内输注硫酸鱼精蛋白，目标ACT控制在基线值的10%范围内。鱼精蛋白的剂量由临床医生自行决定。胸腔引流管于术后第2天拔除。术后出血采用《围手术期出血通用定义》（UDPB）进行分类。在最终研究采样后开始静脉预防治疗。
2.3生物采样与分析
使用抗Xa活性评估UFH药代动力学。初始样本采集于CPB启动后5、30和60分钟，手术结束时，以及鱼精蛋白拮抗后5、8、11、14和17分钟。为了更好地捕捉早期逆转，该方案后来进行了修改，包括鱼精蛋白拮抗前和鱼精蛋白拮抗后2、5、8、10和15分钟。在鱼精蛋白拮抗后1、3、5和7小时采集额外的ICU样本，以评估肝素反跳。 使用STA R Max® 2 分析仪（Diag nostica Stago，Asnièren,France）配合单步显色法抗Xa检测试剂（Liquid anti-Xa®；Diagnostica Stago）测抗Xa活性，该方法不含硫酸葡聚糖或抗凝血酶。上述检测均在研究结束后进行，术中临床医师无法获取相关结果。定量下限为0.10 IU ml−1。抗Xa活性超过1. 00 IUml−1的样本使用 CRYOcheckTM 混合正常血浆（Cryopep，Montpellier，France）按1:5或 1:10 稀释。 ICU中的抗Xa活性使用 BCS 分析仪（Siemens，Saint Denis，France）及含硫酸葡聚糖但不含抗凝血酶的显色底物法（BIO PHEINTM Heparin；HYPHEN BioMed，Neuville-sur-Oise，France）进行测定。上述检测属常规流程，结果可供临床医生使用。 ACT值由医生根据需要使用Hemochron Signature Elite ACT+试剂（Werfen，法国勒普雷-圣热尔韦）(Werfen, Le Pre-Saint-Gervais, France)进行检测。
2.4药代动力学/药效动力学建模
建模过程的完整描述见补充附录1。使用非线性混合效应模型（Monoliek®，版本2021R1；Lixoft，Simulations Plus，Simulations Plus，Research Triangle Park，North Carolina，U.S.）分析了鱼精蛋白逆转前后UFH的药代动力学（抗Xa活性）和药效动力学（ACT）数据。 采用双室模型描述 UFH 的药代动力学，其中鱼精蛋白由一个潜在动力学室表示（图1）。为描述鱼精蛋白对UFH的中和作用，模型中加入了结合项。最终构建的结构模型如下：
其中AcH与ApH分别表示中央室与外周室中UFH的含量，AcP表示中央室中鱼精蛋白的含量。PK参数假定服从对数正态分布。参数Cl、VC、Vp及Q分别对应UFH的消除清除率、中央室与外周室分布容积以及室间清除率。参数ke与kant分别代表鱼精蛋白的消除速率常数及 UFH—鱼精蛋白结合速率常数。 UFH 与鱼精蛋白之间的结合被假定为不可逆过程，并建模为单向二级结合反应（速率常数kant），无解离过程。 UFH 与鱼精蛋白的消除均假定遵循一级动力学。INPUTUFH与INPUTProtamine分别表示UFH与鱼精蛋白的给药剂量，CcH表示中央室中UFH的浓度。
采用线性模型、对数线性模型及sigmoid Emax 模型对ACT反应进行了分析。sigmoid Emax模型描述了ACT随着抗Xa活性的增加而以饱和方式上升，其表达式为:
其中 ACT(t，φ)表示具有参数φ的个体在时间t时的ACT值。ACTBaseline表示未使用肝素时的ACT值。EMAX、C50及γ分别表示最大效应、达到半最大效应所需的浓度以及曲线陡峭度。模型选择基于拟合优度与预测性能。
2.5普通肝素逆转的蒙特卡罗模拟
使用最终的群体药代动力学/药效学（PK/PD）模型进行了模拟。共生成了1000名虚拟患者，并模拟了逆转过程中及术后24小时的UFH浓度和ACT曲线。通过将总鱼精蛋白剂量除以术中累积UFH剂量，计算了多种鱼精蛋白与肝素（P:H）剂量比（0.1:1至1:1）。 逆转有效性定义为在鱼精蛋白输注结束时（即开始输注后10分钟）抗Xa活性<0.10 IU·ml-1。
2.6肝素反跳现象及术后出血
肝素反跳定义为术后再次出现抗Xa活性>0.10 IU ml-1 ，并进行了定性和定量分析。术后出血量通过24小时胸腔引流液引流量进行量化，并根据UDPB标准进行分类。采用单因素Logistic回归分析评估反跳现象、P:H比值、CPB时间、氨甲环酸剂量及手术类型之间的关联。统计学显著性定义为P<0.05。所有分析均使用R软件（版本4.1.2）完成。此外，还进行了额外的模拟分析，以估算在初始10分钟鱼精蛋白输注后中和反跳现象所需的鱼精蛋白给药方案（见补充附录1）。
3.结果
3.1临床和生物学数据
2019年11月至2021年3月期间共纳入68例患者。受试者特征见表1。CPB平均持续时间为113分钟。为在CPB期间维持ACT>400秒，患者平均接受UFH剂量为30250 IU。在CPB撤机时，平均给予鱼精蛋白剂量为200 mg，对应的平均鱼精蛋白与肝素（P:H）比值0.64:1。在两名患者中，由于ACT值未恢复至基线值的10%以内，因此给予了第二剂鱼精蛋白。
共分析了757份血液样本。图2显示了在开始10分钟鱼精蛋白输注后，抗Xa活性和ACT的15分钟变化过程。在鱼精蛋白输注开始后10分钟内，所有样本中的抗Xa 活性均迅速下降至 <0.10 IU·ml -1，而ACT值则在100–146s之间波动。
3.2鱼精蛋白与肝素的最佳配比
本研究建立了一个群体药代动力学模型，用于描述鱼精蛋白对UFH的中和作用。模型中估算了UFH清除率（Cl）、中央室分布容积（Vc）、外周室分布容积（Vp）以及室间清除率(Q)的随机效应，并采用了比例残差误差模型。未发现协变量对中和作用（kant）、消除速率（ke）或分布参数(Q)有显著影响。最终模型的参数估计值见补充表1。在该模型中，UFH清除率为1.5L h−1，室间清除率为0.29 L h-1（再分布半衰期约3.5小时），而鱼精蛋白的消除极为迅速（Ke =12.8 h-1；半衰期约3分钟）。模型结果——包括可视化预测检验、拟合优度图及标准化预测分布误差（补充图1—3）——均显示与观测数据高度吻合。
使用最终药代动力学模型进行了蒙特卡洛模拟，以评估P:H比值，该比值定义为总鱼精蛋白剂量除以术中累积UFH剂量，范围从0.1:1到1:1。在10分钟鱼精蛋白输注结束时，模拟了抗Xa活性。当P:H比值为0.625:1时，完全中和（定义为抗Xa <0.10 IU·ml-1（图 3a））的概率为95%。更高的P:H 比值则提高了完全逆转的可能性（图3b）。
3.3 ACT与抗Xa活性的关系
抗Xa活性与ACT之间的药代动力学/药效学（PK/PD）关系最适合用包含随机效应的sigmoid Emax模型来描述，以解释ACT基线值和Emax的个体间变异性。采用比例误差模型描述ACT的残余变异性。最终的PK/PD参数估计值见补充表1。模型评估未发现系统性偏倚的证据（补充图1-3）。
如图4(a)所示，抗Xa因子活性与ACT之间存在强但非线性的关联。然而，在任意给定的抗Xa因子浓度下，ACT均表现出高度变异性。在用于定义逆转的阈值条件下（ACT值处于+10%范围内），20%的模拟结果显示抗Xa因子活性>0. 30 IU ml-1，10%的模拟结果中超过0.50 IU ml-1。 相反，抗Xa因子活性<0.10 IU ml-1时，有时ACT的增加幅度超过基线的50%。
3.4肝素反跳现象
在41例患者（60%）中观察到肝素反跳现象，其定义为在鱼精蛋白给药后 1、3、5或7小时时抗Xa活性>0.10 IU ml-1。反跳峰值平均出现在3.8 小时（范围：1.0–7.0小时），平均抗Xa 活性为0.17 IU ml-1（范围：0.01–0.43）（补充图4）
有10例患者（15%）发生了术后出血（根据UDPB分类）：其中2例为轻度，4例为中度，4例为重度。未发现P:H比值与反跳现象或出血之间存在关联。同样，无论采用定性还是定量评估，反跳现象与24小时胸腔引流液量或按UDPB 标准判定的出血之间亦无关联。
为探索预防反跳现象的策略，本研究通过模拟实验评估了在初始10分钟逆转输注后延长鱼精蛋白给药方案的效果（补充附录1及补充图5）。在测试的给药方案中，以7.5 mg h-1 的速率连续输注7小时，可使95%的患者抗Xa活性维持在<0.1 IU ml-1。
4.讨论
本研究采用基于抗Xa活性和ACT的药效学方法，探讨CPB后UFH的逆转，主要目的是确定最小有效鱼精蛋白给药剂量。我们的分析表明，当P:H比例为0.625:1时，以95%的概率可确保在10分钟鱼精蛋白输注结束时，抗Xa活性降至0.10 IU ml-1以下。
这些发现与指南推荐一致，即建议将鱼精蛋白与肝素（P:H）比例控制在1:1 以下，以尽量减少鱼精蛋白过量。两项随机实验表明，采用 0.8:1的比例（基于总普通肝素或鱼精蛋白滴定装置计算得出）相较于更高比例（1.3:1或2:1）可减少术后失血量。更低的比例亦显示出获益。一项前后对照研究显示，0.6:1的比例相较于0.8:1可降低输血需求。 然而，过低的比例可能因安全范围狭窄而受限。在一项比较个体化止血管理与常规策略的随机试验中，与0.85:1相比，0.55:1的比例反而增加了术后出血风险。 这些差异可能反映了个体间对鱼精蛋白反应性的变异性。一项观察性研究发现，0.3:1的低比例在约三分之一的患者中有逆转效果，而其余患者则需要更高的比例。 因此，尽管固定比例在临床上仍具实用性，但必须确保完全逆转的高概率。我们的结果支持采用0.625:1的比例作为最低有效方案，有望减少鱼精蛋白过量使用及相关不良反应的发生风险。
指导鱼精蛋白给药的替代策略包括床旁滴定装置，该装置可估算肝素剂量反应曲线并可能减少出血。但这些装置成本高昂且尚未广泛普及。用于估算实时肝素浓度的数学模型尚未显示出一致的临床获益， 且在最佳鱼精蛋白给药剂量方面也存在分歧。固定剂量法可能是一种实用的替代方案，因为一项近期的随机试验表明，使用250 mg的鱼精蛋白，其失血量与根据初始UFH剂量按1:1比例计算的结果相当。然而，在体重极端的患者中，固定剂量可能导致鱼精蛋白与肝素（P:H）比例出现显著变异，并增加用药不足或过量的风险。 本研究还考察了UFH与ACT之间的药代动力学/药效学（PK/PD）关系。尽管ACT常用于指导逆转治疗，但其可靠性受术后多种因素影响，例如低体温、血液稀释、药物、血小板减少症及凝血功能障碍。 模拟结果表明，ACT在肝素逆转后既可能低估也可能高估残余抗凝作用。这些发现支持了既往研究，即单独使用ACT不足以监测UFH的逆转效果。 当前指南推荐采用鱼精蛋白滴定试验或血栓弹力图；然而，如上所述，这些方法成本较高且并非普遍可用。在此类情况下，当缺乏高级监测手段时，采用固定比例0.625:1 可能是一种实用的替代方案。
肝素反跳现象的发生率和机制尚不明确，可在鱼精蛋白给药数小时后发生。 在CPB期间，UFH与血浆蛋白结合形成复合物，而鱼精蛋白对其中和作用不完全。 鱼精蛋白清除后，缓慢解离的肝素可能引起延迟性抗凝效应，通常表现为术后抗Xa活性的二次升高，见于高达80%的患者。与既往研究结果一致，在本研究中60%的患者发生了反跳现象， 但该现象并未与更严重的失血相关。这可能部分反映了术后使用含硫酸葡聚糖的试剂检测抗Xa活性，此类试剂可在体外解离肝素-鱼精蛋白复合物，从而高估生物活性肝素水平，降低检测的可靠性。 因此，术后抗Xa检测结果应谨慎解读，尤其在使用含硫酸葡聚糖试剂时，需结合出血等临床结局综合判断。然而，一项随机研究显示，术后给予鱼精蛋白输注（25 mg/h，持续6小时）可消除反跳现象，减少出血量，因此一些指南现已将此方法纳入其中。我们的模拟结果提示，较低剂量的输注（7.5 mg/h，持续7小时）可能已足够。由于半衰期存在显著差异（鱼精蛋白为3分钟，而UFH再分布约为3.5小时），即使在CPB终止时给予单次推注剂量大于我们建议的范围，也难以预防肝素反跳，并可能暂时增加不良反应风险。
本研究存在若干局限性。首先，抗Xa活性被用作UFH暴露的替代指标，成功逆转定义为抗Xa活性<0.10 IU ml-1。这些指标分别受限于抗Xa的药效学性质以及缺乏统一阈值，但两者在研究和常规临床实践中均被视为有效且合适。 其次，鉴于本研究采用单中心设计，并仅使用一种肝素、鱼精蛋白及ACT监测设备，本研究的发现可能缺乏普适性。该策略也可能不适用于未被纳入研究的亚组人群（例如体重极端、肝素抵抗或未行CPB的手术患者）。因此，在该模型及给药策略获得外部验证之前，应谨慎解读本研究的结果。此外，本研究的P:H比值是基于术中总肝素剂量计算得出，以反映CPB期间的累积暴露量。这与其他常用方法不同， 例如基于CPB前初始推注剂量或基于滴定法估算的循环肝素浓度的比值， 但本研究未对此类方法进行评估。本研究的方法未考虑UFH的时间依赖性消除过程，这需要药代动力学（PK）建模及专用的床旁检测工具，这会增加常规临床实践的复杂性。因此，本研究的比值仅适用于根据术中总UFH剂量计算得出的情况，不应外推至显著更长的手术过程。第三，本研究的联合PK/PD模型受到数据可用性的限制。由于鱼精蛋白浓度数据未被测量，本研究采用了潜在室模型；因此无法识别外周分布参数，且存在过度拟合的风险。 本研究未纳入更复杂的模型，例如包含额外协变量或生理效应，如肝素抵抗或CPB相关变化（血液稀释和血浆蛋白浓度降低，后者可降低药物总浓度、增加游离药物比例并改变药理活性）的模型。尽管该模型较为简约，但诊断图未显示系统性偏倚，证实其对数据的描述充分，且鱼精蛋白给药建议具有稳健性。最后，基于模拟得出的0.625:1比例及术后探索性鱼精蛋白输注的临床影响未被评估。仍需开展随机对照试验，以确认该策略是否能减少出血并改善其他以患者为中心的结局指标。
综上所述，这项药理计量学研究支持在CPB后使用0.625:1的鱼精蛋白与肝素（P:H）比例作为逆转UFH的最小有效方案。研究结果也进一步证实了ACT在评估抗凝逆转方面的局限性，并提示当无法进行高级监测时，固定低比例给药可能提供一种实用的替代方案。需要进行随机对照试验以确认该策略的临床获益。
点评
该研究采用了前瞻性单中心设计、群体PK/PD模型和蒙特卡洛模拟，探讨了体外循环后鱼精蛋白拮抗肝素的最小有效剂量。核心发现是P:H 0.625:1时，可使95%患者抗Xa活性降至<0.10 IU/ml，支持低于传统1:1的固定比例，有助减少鱼精蛋白过量及相关不良反应。研究同时揭示，ACT与抗Xa虽相关，但变异较大，不宜单独用于逆转监测。其亮点在于量化鱼精蛋白-肝素逆转动力学，并提出可操作的给药比例及持续输注方案。局限包括单中心、未直接测鱼精蛋白浓度、潜在室模型、缺乏临床结局验证，且P:H基于术中总UFH剂量，外推受限。总之，在无法进行高级监测时，固定低比例给药可能提供一种实用的替代方案，但需要进行随机对照试验以确认该策略的临床获益。