间断性高原低氧-复氧对大鼠心脏的影响

蔡明春，黄庆愿，徐刚，罗永昌，高钰琪

我国高原面积辽阔，地处边疆，有着重要的经济和战略地位。但高原环境恶劣，严重威胁移居人群的健康。高原环境影响人体最主要因素是低氧，高原低氧可导致劳动能力下降，部分人群可发生急、慢性高原病。吸氧是治疗急、慢性高原病的重要措施，合理用氧能显著改善移居高原人的精神和体力，对于提高高原移居人群的生活质量具有重要意义[1,2]。以往由于技术和经济条件的制约，氧气供应受限，吸氧一般作为医疗急救应用。随着社会经济及科技发展，高原供氧设施设备逐渐完善，很多非医疗机构如宾馆、军事驻地等都设置了供氧系统[3]，氧疗作为一种预防及治疗高原病的措施被广泛应用，但用氧不当也可对机体产生不利影响，如延缓高原习服进程，发生氧中毒损伤等[4]。因此，高原吸氧对机体的影响是一个值得研究的问题。目前国内主要在人体应用方面进行了初步研究[2,4,5]，但实验动物尚缺乏相应报道。本研究采用间断性低氧大鼠模型，探讨久居高原间断性供氧对心脏结构和功能的影响，为高原用氧提供实验理论依据。

1 材料和方法

1.1 实验动物健康雄性SD大鼠50只，2月龄，体质量（228±13）g，由本校实验动物中心提供。

1.2 主要试剂仪器BCA法蛋白测定试剂盒（碧云天生物技术研究所）；SOD、丙二醛测定试剂盒（南京建成生物工程研究所）；主要仪器：Synergy H4全功能酶标仪（美国BioTek 公司），高原环境模拟舱（贵州风雷航天与第三军医大学联合研制），多道生理记录仪（PowerLab 4/35）。

1.3 低氧大鼠模型的建立将50只SD大鼠随机分为五组：①平原对照组（C组）（n=10）；②慢性低氧组（H组）（n=10）；③间断低氧组（I组）（n=10）；④慢性低氧返回平原1周组（Hw组）（n=10）；⑤间断低氧返回平原1周组（Iw组）（n=10）。H组大鼠置于低压舱，模拟海拔5000 m持续减压8周。I组动物置于低压舱，每天上、下午将低压舱海拔高度降至平原2 h，夜间模拟海拔2700 m减压8 h，其余同H组。Hw组及Iw组前8周同H组及I组动物，随后在平原饲养1周后进行实验取材。全部动物喂以标准颗粒饲料（本校动物所提供），自由饮水。每周一、四，工作人员通过过渡舱进入低压舱打扫清洁、添加水和食物。8周后H组、I组大鼠在5000 m低压舱中，C、Hw、Iw组大鼠在平原，用3%乌拉坦（1 ml/100g）腹腔注射麻醉后进行心功能测定和组织取材。取右心室肌组织置于液氮中，随后转移到-80℃冰箱中冻存待用。

1.4 心室压力测定分别通过颈动脉和颈外静脉行左、右心室插管，用多道生理记录系统记录右心室最大压力（RVMP）、右心室舒张末期压力（RVEDP）和右心室±dp/dtmax及左心室最大压力、舒张末期压力和±dp/dtmax。

1.5 右心室肥厚程度检测（Hermannn-Willson指数的测量）右心室压力检测完毕后，将大鼠断头处死，开胸完整取出大鼠心脏，去除心房组织，分离右心室（RV）和左心室+室间隔（LV），用滤纸吸干水分后称质量，计算Hermann-Wilson指数=RV/LV值；右室指数Rvi=RV/体质量；心室指数Vwi=心室质量/体质量。

1.6 右室心肌组织化学测定取-80℃冻存心肌，检测超氧化物歧化酶（SOD）活性和丙二醛（MDA）含量，严格按SOD、MDA 试剂盒说明操作。

1.7 统计学处理用SPSS 20.0统计软件进行分析。数据均采用均数±标准差（±s）表示，多组间比较采用单因素方差分析（ANOVA）。

表1 低氧、供氧及返回平原一周大鼠心室重量改变（各组n均为10）

2 结果

2.1 右心室肥大指数与C组比较，H组与I组大鼠体重显著降低（P＜0.05），返回平原1周后两组大鼠体重恢复，与平原对照无显著差异； I组与H两组比较，体重无显著差异。与C组比较，H组与I组大鼠Hermannn-Willson指数（右室与左室重量之比RV/LV）、右室指数Rvi显著升高（P＜0.05）；但I组大鼠RV/LV、Rvi显著低于H组大鼠（P＜0.05）；Hw和Iw组大鼠RV/LV、Rvi显著低于H组（P＜0.05）；虽然与C组比较，Hw组大鼠RV/LV仍明显增加，但Iw组大鼠RV/LV与C组无显著性差异（表1）。结果提示模拟海拔5000 m持续低氧8 w大鼠右心室肥大，而间断恢复供氧可减轻大鼠右心室肥大程度；持续低氧大鼠返回平原1 w后，右心室肥大有一定程度的恢复，但间断供氧组可完全恢复到平原对照水平。

2.2 心脏功能与C组比较，H组、I组、Hw组RVMP、REDP显著升高（P＜0.05），但I组与H组比较显著降低（P＜0.05）；Hw组与H组比较，RVMP、REDP明显降低（P＜0.05）；与I组、Hw组比较，Iw组RVMP显著降低（P＜0.05），与C组比较无显著差异；Iw组与I组、Hw组比较右心室-dp/dt Max显著降低（P＜0.05），但与平原对照比较无显著差异。Iw组与Hw组、I组比较，右心室-dP/dt Max负值显著降低（P＜0.05），其余各组无显著性差异。左心室上述指标各组之间无显著差异（表2～3）。结果提示，大鼠5000 m缺氧8周，左心功能无显著改变；右心室最大压力及舒张末期压显著升高，间断吸氧可显著降低右心室压力，返回平原后右心室舒缩功能恢复更快。

2.3 心肌SOD活性、MDA含量与C组比较，H组、I组、Hw组右室心肌SOD 活性显著下降（P＜0.05），Iw组无显著变化（P＜0.05）（图1A）。与C组比较，H组大鼠心肌MDA显著升高（P＜0.05）；与H组比较，I组、Hw组及Iw组MDA显著降低（P＜0.05）（图1B）。结果表明，长期低氧大鼠心肌氧自由基清除活力降低，可加重氧化应激损伤，而间断低氧可减轻心肌氧自由基损伤。

表2 低氧、供氧及返回平原1周大鼠右心室收缩与舒张功能（各组n均为10）

表3 低氧、供氧及返回平原一周大鼠左心室收缩与舒张功能（各组n均为8）

图1 血清D-D与CysC判断AHF患者近期不良预后ROC分析

3 讨论

氧疗作为治疗和预防急、慢性高原病的首要措施已被大家公认。高原吸氧可提高吸入气氧分压，增加血氧饱和度，降低肺动脉压、减轻低氧反应症状。随着经济和科技进步，高原制供氧设施完善，氧疗在高原作为健康保健措施应用越来越广泛。但在高原环境下长期间断吸氧对机体的影响研究报道不多。高亮等[2]观察高原5200 m海拔驻军战士间断吸氧（鼻塞供氧2 L/min、每日早晚吸氧60 min共15 d）能显著提高体能。Bin等[6]研究报道每周7次（每次30 min）共30 d间断吸氧可改善睡眠质量、降低肺动脉压，降低患慢性高山病的风险，而每周2～4次吸氧没有明显作用。谢增柱等[7]研究发现高原猪吸氧后肺动脉压力显著降低，表明低氧肺血管收缩反应在慢性缺氧猪肺动脉高压发生机制中起着重要作用。本研究结果示：8周低氧环境下间断性供氧可减轻大鼠右心室压力和心室肥大程度；减少心肌氧自由基损伤；返回平原1周后心脏结构和功能恢复更好。

高原低氧环境对人体心血管、神经、消化、内分泌等均有影响，其中影响最为明显的是心血管系统。低氧可导致肺动脉高压，右心室压力增加，右心室肥大。健康平原成年人进入高原3个月后即可出现显著心脏功能和结构改变[12]。本研究结果显示，模拟海拔5000 m高原8周持续低氧大鼠体重减少，右心室最大压力及舒张末期压显著升高，右心室肥大指数增加，与以往报道结果一致[13]。

长期间断低氧-复氧对大鼠心血管的影响未见报道，我们的研究结果显示：8周间断低氧组大鼠与慢性低氧组比较，右心室压力及心室肥大程度均显著减轻。返回平原1周后，慢性低氧组大鼠心室压力及右心室肥大虽有一定程度的恢复，但不能完全恢复；而间断低氧组大鼠则可完全恢复到平原对照水平。间断低氧返回平原一周组大鼠右心室舒张末期压与持续低氧返回平原一周比较有显著差异。除间断吸氧返回平原1周右心室-dp/dt max与持续缺氧返回平原1周组比较负值显著降低外，其余各组无显著差异。+dp/dt max为心室室内压最大上升速率，反映心肌收缩力，-dp/dt max为心室下降最大速率，反应心室肌舒张最大速率。dp/dt max除反映心肌收缩舒张功能外，还受后负荷的影响。低氧环境下，心脏dp/dt max增加，而吸氧后降低，表明低氧条件下心肌收缩力代偿性增加。本研究结果中，虽然低氧组右心室dp/dt max与平原对照无变化，但均值有一定增加，间断低氧返回平原一周组与平原对照比较无差异，但与低氧和低氧返回平原一周比较降低，提示低氧环境下心肌有一定程度的代偿性收缩、舒张功能增强。上述结果表明：大鼠5000 m缺氧8周，心脏左心室功能无显著改变，右心室最大压力及舒张末期压显著升高，间断吸氧可显著降低右心室压力，减少大鼠心肌氧自由基损伤，促进返回平原后心室结构和功能的恢复。

Miguel等[14]报道：与持续低氧大鼠比较（模拟海拔4300 m低氧环境），经过4个循环（一个循环=4 d低氧+4 d常氧）大鼠左心射血分数更高，心肌组织抗氧化酶表达及线粒体氧自由基产生显著升高。我们的实验表明，长期低氧大鼠心肌SOD活性显著降低，心肌脂质过氧化物丙二醛（MDA）含量显著升高，而间断低氧大鼠心肌MDA含量显著低于持续低氧大鼠，表明高原间断供氧可减轻大鼠心肌氧自由基损伤。

目前，间断低氧（又称间断缺氧、间歇性缺氧等）广泛用于阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（OSAHS）相关研究[8]。其缺氧时间和间隔时间相对较短，研究的动物模型也不统一[9,10]。高原环境间断供氧，类似于间断低氧或间断高原暴露。高原供氧可通过供氧装置输出纯氧经鼻导管吸氧，或造成一个相对氧浓度高的富氧室。在高原增加1%的氧浓度，相当于使海拔高度下降300 m，在海拔4500 m将室内氧浓度提高 5%，人们的吸氧量相当于海拔3000 m的高度[1]。邓昌磊等[11]报道：在海拔约3500 m处利用分子筛制氧机制造富氧室可有效改善人体睡眠，该研究中室内氧浓度达到并维持在25.5%左右，相当于海拔高度2200 m氧含量。鼻导管吸氧对吸氧效率不好监控，作为供氧动物模型研究稳定性较差。本研究采用调节低压舱气压模拟高原间断供氧，海拔5000 m高原，氧浓度相当于平原55%，“供氧”方式采用降低海拔高度，相当于在高原增压供氧，便于操作，不需要额外的设施设备，降低海拔高度可控，更经济，重复性更好。

综上所述，本研究采用低压舱间断低氧-复氧大鼠模型，模拟高原间断供氧，结果提示在高原间断供氧可降低长期低氧环境下大鼠心肌氧自由基损伤，缓解右心室压力，降低右心室心肌肥厚程度；另外，间断供氧有利于返回平原后大鼠心脏结构及功能恢复。表明高原吸氧可改善循环系统功能状态，对撤离高原后循环系统恢复有促进作用。当然，高原吸氧效果取决于吸氧量、频率、间隔时间等很多因素，如何科学、合理用氧是一个值得研究的问题。另外，高原吸氧对机体其它系统的影响及其机制还有待深入系统研究。