沙尘暴PM 2.5颗粒对大鼠心电的影响∗

孙小龙 李星辉 华永芬 王立君 韩俊先

沙尘暴是指强风将地面尘沙吹起使空气混浊,水平能见度小于1 km 的天气现象。研究表明沙尘天气发生时,大气中不同粒径的颗粒物(particle matter,PM)浓度明显升高对人体危害极大,其中最为熟悉的是空气动力学直径＜10μm 的可吸入颗粒物(inhalable particles,PM 10),PM 10又可分为粗颗粒物(coarse particles,PMc)、细颗粒物(Fine particles,PM2.5)、超 细 颗 粒 物(ultrafine particles,UFP)[1]。细颗粒物PM2.5易沉积于细支气管和肺泡,影响肺巨噬细胞的吞噬功能,引起咳嗽、过敏和支气管炎等呼吸系统疾病[2]。PM2.5还可通过局部氧化损伤、炎症反应,使促炎介质及血管活性分子进入血液循环促使血液粘稠度升高、局部缺血的形成,导致心肌梗死、缺血性卒中、心力衰竭、心律失常等心血管疾病的发生[3－4]。既往多数研究PM2.5的来源多为工业废气、机动车尾气、燃料燃烧等[5],而甘肃河西走廊地区由于独特的地理环境,干旱明显、存在大面积的沙漠和戈壁,是中国北方沙尘暴的第二大源区,也是沙尘暴频繁发生的地区[6]。本研究采集河西走廊的沙尘颗粒,研究不同浓度的PM2.5对大鼠心电变化等影响,以探讨沙尘颗粒与当地居民心律失常等疾病的相关性。

1 材料与方法

1.1 实验对象及材料

选取60只15周龄SPF级雄性健康Wistar大鼠,体重(361.5±23.60)g,购自甘肃中医药大学实验动物中心[合格证号:SYXK(甘)2015－0005]。在SPF级的动物房适应性喂养1周,自由进食水。实验所用沙尘暴PM2.5由甘肃省河西走廊地区武威市环境保护局监测中心的YH-1000 大流量TSPPM2.5采样器[青岛精诚仪器仪表有限公司]供给。使用TEOM1405D 双通道颗粒物监测仪来保证沙尘暴PM2.5的粒径大小,对于粒径10μm 的颗粒物先经顶端的PM 10切割头进入采样系统,再被虚拟冲击器分离为PMc和PM2.5,进入双通道的颗粒物分别聚积在系统可更换的TEOM 滤膜上,实验所用沙尘暴颗粒物PM2.5均来自这些更换后的滤膜。

1.2 方法

1.2.1 沙尘暴PM2.5溶液的配制 将采有沙尘暴颗粒物PM2.5的滤膜取出并裁剪成1 cm×3 cm 大小,浸入超纯水中,超声震荡30 min×3次,震荡液用六层纱布过滤,滤液经冷冻真空干燥后得到沙尘暴颗粒物PM2.5粉末,置入－20℃冰箱保存。本科研组既往实验表明PM2.5浓度过高容易气管堵塞造成大鼠窒息死亡、过低引不起相应的毒性变化,我国新«环境空气质量标准»(GB3095-2012)中规定,PM2.5年均限值是35μg/m3,日均限值是75μg/m3,河西走廊沙尘暴天气下PM2.5浓度急剧升高,再结合相关文献[7]配制不同浓度的PM2.5溶液。用电子天平称取各暴露组所需沙尘暴颗粒物PM2.5的剂量(高剂量:24 mg/kg、中剂量组:6.0 mg/kg、低剂量组1.5 mg/kg),分别用生理盐水配置成浓度16、4、1 mg/ml的高、中、低组混悬液,经超声震荡20 min混匀后备用。

1.2.2 沙尘暴颗粒物PM2.5暴露模型的建立 60只大鼠以随机数字表法分为高、中、低剂量组以及空白组,以15只/笼饲养,每组每只尾部用记号笔随机编号(1～15号),在大鼠适应性喂养1周(期间无大鼠死亡)后,每只大鼠按16、4、1 mg/ml的浓度及以0.15 ml/100 g的容积通过气管插管的方式进行气管内滴注。每只大鼠经电子秤称重、记录体重并用10%水合氯醛以2 ml/kg的剂量行腹腔注射麻醉后固定其门齿及四肢,充分暴露咽喉部及声门裂,将自制的气管插管(剪取留置针的软管10 cm,头端剪成斜面,尾端插入塑好形的细铁丝其管内长度不超过斜面)在声门打开的一瞬间迅速插入其中,深度为1 cm,拔出铁丝,将咽喉镜移至气管插管尾端,确认在气道后将不同浓度的PM2.5混悬液缓慢滴入气管,空白组以同样的方法滴入等量生理盐水。滴注后多方位变换大鼠体位,使其完全入肺。每天一次,共滴注7天,每次麻醉前测量体重,观察大鼠的毛色、反应、呼吸、活动量、进食水及死亡情况。

1.2.3 心电图检测与分析 ①麻醉:第7天气管滴注后用10%水合氯醛以2 ml/kg的剂量行腹腔注射麻醉。②心电图检查;将麻醉的大鼠3～4 min后立即固定在大鼠固定板上,防噪音,远离电离源头,周围无任何其他电器,最大限度降低外源性因素造成的误差,采用Power Lab 数据采集系统及Lab-Chart分析软件(澳大利亚AD Instruments公司),记录心电的3个电极一端与多通道生理记录仪相连接,另一端的夹子分别夹在穿过大鼠右前肢(正极)、左前肢(负极)、右后肢(地线)皮下的针形电极上,连续记录Ⅱ导联心电图,每只大鼠记录1 min。③软件参数设置:采样频率:1 k,量程:5 m V,放大滤波器:500 Hz。④心电图分析检测:LabChart软件中选取连续约120 个心动周期,ECG average view 系统分析,自动记录、导出心率、节律、P波、QRS波、ST 段、T 波、PR 间 期、QT 间 期、心 电 图波形等。异常心电图定义:人工分析每只大鼠的心电图,其中①P-QRS-T 非顺序发生,②频率异常,③电压异常,④传导异常,⑤节律不齐,⑥ST段抬高或者压低,T 波倒置、低平等,只要满足上述1条即定义为异常心电图。本次实验异常心电图包括房性早搏、心房扑动、室性早搏、短阵室性心动过速、交界性心律、电交替、低电压、S波加深、ST 段 抬 高、ST 段 压 低 等。

1.2.4 心脏质量指数检测 心电检测完毕后,各组随机选取10只大鼠称体重(BM),处死后解剖胸腔取出心脏并称取心脏湿重(HM),计算心脏质量指数＝HM/BM。

1.3 统计学处理

采用IBM SPSS Statistics23.0 软件进行分析,符合正态分布的计量资料采用均数±标准差(¯x±s)表示,多组间差异比较采用单因素方差(One-Way ANOVA)分析;计数资料采用例数(构成比)表示,组间比较采用Fisher确切概率法并用Bonferroni校正法校正,以P＜0.05为差异有显著性。

2 结果

2.1 心率及各波段时限比较

与空白组相比,低、中、高剂量各组的心率减慢且呈剂量依赖性(P＜0.01);QRS波时限、RR 间期明显延长(P＜0.05);P 波时限、PR 间期、QT 间 期均无明显差异(P＞0.05),见表1。

表1 心率及各波段时限比较

2.2 各波段振幅比较

与空白组相比,低、中、高剂量各组的P 波、S波振幅增加,T 波振幅降低,ST 段抬高且呈剂量依赖性(P＜0.05);Q 波、R 波振幅无差异(P＞0.05),见表2。

表2 各波段振幅比较/m V

2.3 异常心电图频率及部分图形

低、中、高剂量组异常心电图的频率分别:57.1%、71.4%、76.9%,空白组为:13.3%。与空白组相比,低、中、高剂量各组异常心电图的频率明显增加(P＜0.01);由于样本量小,异常心电图的种类多,每组各种异常心电图的频数＜5,故各组异常心电图之间无法进行统计学分析。部分正常与异常心电图见图1。

图1 大鼠部分正常与异常心电图

2.4 体重变化及死亡率比较

低、中、高剂量组的体重在沙尘暴PM2.5颗粒暴露前与空白组无明显差异(P＞0.05);低、中、高剂量组第3、5、7天体重均较空白组明显减轻且呈剂量依赖性(P＜0.05);低、中、高剂量组第3、5、7天死亡率与空白组无明显差异(P＞0.05),见表3。

表3 体重变化及死亡率比较

组别 n 处死前体重/g死后心脏重量/mg心脏质量指数/(mg/g)空 白 组 10 345.9±20.9 907.4±109.5 2.62±1.79低 剂 量 组 10 323.4±20.0 848.0±89.1 2.62±2.28中剂量组 10 331.8±21.3 1039.0±101.9△ 3.06±1.14△高 剂 量 组 10 301.4±12.2＃ 1100.6±76.6△ 3.60±1.00△

2.5 心脏指数变化比较 中、高剂量组的心脏质量及心脏质量指数较空白组明显增加(P＜0.01),而低剂量组较空白组上述变化不明显(P＞0.05),见表4。

2.6 一般情况比较 本研究观测到随着暴露次数的增加,实验组的大鼠毛色逐渐晦暗失去光泽,呼吸明显加深加快,活动量、饮食、进水量明显减少,且体重也明显减少并呈剂量依赖性。

3 讨论

流行病学调查发现PM2.5污染对心血管系统的健康产生负面影响,同时也使与心血管疾病有关的医疗保健和住院率增加[8]。相关研究也提示环境颗粒物水平的短期提高能引起心律不齐、恶性心律失常、恶化心力衰竭和引发急性动脉粥样硬化、缺血性心血管并发症等发生[9－11]。笔者临床发现甘肃河西走廊地区每冬春季节沙尘暴天气出现时,医院、诊所等医疗机构心血管疾病患者住院率、门诊率、急诊率同比上升[12],故选取该地区沙尘颗粒做相关动物研究。

本实验在空白组中可观察到大鼠的大致正常心电图:心率约为450次/分,Ⅱ导联P 波形态向上,QRS波群形态多为q Rs、Rs、R、RS型,ST 段多在基线水平;T 波形态向上,各波的振幅及宽度结果与周慧明等[13]研究的正常SD 大鼠心电图Ⅱ导联参考值范围大致相符。但到目前为止,仍没有统一的大鼠心电图的标准数据,与大鼠的品种、采集心电图的仪器种类、方法等不同有关。本研究与空白组相比,低、中、高剂量各组的心率明显减慢且呈剂量依赖性,可能是在PM2.5的暴露下大鼠自主神经功能受到影响,迷走神经活动增强,交感神经受到抑制,该结果与Mustafic等[9]对臭氧和大气细颗粒物对大鼠心肺系统的影响及其机制研究结果相符。本研究发现QRS波时限随着PM2.5暴露剂量的增高而延长,说明随着心脏结构的改变,心室的除极活动受到影响,使心室传导、左右心室同步收缩失衡,同样P波、S波的动态变化考虑也与心房、心室的几何形态改变相关。而T 波振幅逐渐变低、ST 段有逐渐抬高趋势,考虑在PM2.5的暴露增多下导致大鼠心肌缺血,该结果与赵金镯等[14]研究的大气PM2.5对大鼠心血管系统的急性毒性作用的结果一致。

研究同时发现,随着PM2.5暴露剂量的增高,出现异常心电图的频率也增加,包括房性早搏、室性早搏、短阵室性心动过速、电交替、低电压、交界性心律、ST 段抬高、ST 段压低等,说明沙尘颗粒物的长期暴露会引起机体心律失常、心肌缺血等改变。大鼠处死后心脏重量及心脏质量指数也随PM2.5暴露剂量的增高而增高,分析其原因,可能与炎性反应引起心肌细胞水肿、增生、肥大有关。有研究证实暴露于PM2.5的大鼠,24 h后就可见炎性细胞浸润,IL-6、CRP明显升高,且高剂量组大鼠升高的量大于低剂量组[15],本课题组前期研究沙尘暴PM2.5暴露组大鼠的心脏组织切片可观察到心肌细胞细大,间质增多,且呈现剂量－效应关系[16]。

综上所述,沙尘暴PM2.5暴露可导致心脏电生理的改变,进而对心脏结构和功能产生有害的影响。本实验PM2.5均来自于河西走廊的沙尘颗粒,与其它如大气雾霾、工业污染等来源的理化性质可能有所不同,推测甘肃河西走廊地区沙尘暴肆虐与当地居民心血管疾病高发存在一定的关联性。本研究为初步的动物实验,目前仍在进行中的人群队列研究也发现暴露组与心律失常、缺血性心脏病等疾病的相关性。因此建议如甘肃河西走廊等沙尘暴多发地区预防心血管疾病方面,在做好常规的生活方式改善的同时,也需要加强沙尘治理等环境保护措施,并最大可能的减少个人暴露。