小鼠呼出與吸入氣體容量差值的測(cè)定

徐衛(wèi)華

(浙江省立同德醫(yī)院呼吸科,浙江杭州 310012)

小鼠呼出與吸入氣體容量差值的測(cè)定

徐衛(wèi)華

(浙江省立同德醫(yī)院呼吸科,浙江杭州 310012)

目的：明確小鼠呼出氣體與吸入氣體間存在容量差值,觀察其對(duì)于體積描記箱內(nèi)壓力變化的影響。方法：用雙室體積描記法測(cè)量 8只麻醉小鼠呼吸時(shí)頭室內(nèi)壓力和溫度變化,計(jì)算吸入氣體容量、呼出氣體與吸入氣體的容量差值。結(jié)果：頭室內(nèi)壓力曲線(xiàn)的基線(xiàn)隨描記箱內(nèi)溫度上升,約 12 min后,盡管此時(shí)頭室內(nèi)溫度仍保持高位,但壓力基線(xiàn)開(kāi)始緩慢下降。8只小鼠的吸入氣體容量為 (0.2842±0.0173)ml,呼出氣體與吸入氣體的容量差值為 (0.0012±0.0002)ml。結(jié)論：小鼠的吸入氣體容量大于呼出氣體容量,二者的差值導(dǎo)致壓力式描記箱內(nèi)壓力變化曲線(xiàn)基線(xiàn)緩慢下降。由于此差值遠(yuǎn)小于吸入氣體容量,故在計(jì)算潮氣量時(shí)可以對(duì)此差值忽略不計(jì)。呼吸商的存在,是此差值產(chǎn)生的原因。

呼吸;潮氣量;壓力;溫度

[J ZhejiangUniv(Medical Sci),2010,39(3)：322-325.]

由于小鼠能較輕易獲得,價(jià)格相對(duì)便宜,生長(zhǎng)快速,因此其成為生物醫(yī)學(xué)研究較常使用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物[1]。許多在生理學(xué)[2]、哮喘[3-4]以及肺纖維化[5]等方面的研究大量使用小鼠作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。當(dāng)然,要進(jìn)行這些相關(guān)的實(shí)驗(yàn),我們首先要掌握如何精確地測(cè)量小鼠的肺功能,包括潮氣量。

生理學(xué)對(duì)潮氣量的定義為平靜呼吸時(shí),受測(cè)者所吸入或呼出氣體的容量。但在小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,小鼠呼出氣體與吸入氣體的容量是否完全相等?若二者不完全相等,當(dāng)用體積描記法測(cè)量潮氣量時(shí),其容量的差值對(duì)描記箱內(nèi)壓力變化會(huì)產(chǎn)生何種影響?上述問(wèn)題罕有文獻(xiàn)報(bào)道。

目前至少有 2種體積描記法測(cè)量小動(dòng)物潮氣量。Drorbaugh和 Fenn[6]首先推導(dǎo)出使用整體體積描記法 (whole-body plethys mography)測(cè)量小動(dòng)物潮氣量的公式。另一些研究者使用雙室體積描記法 (double-chamber plethys mography)[7-9]或軀體體積描記法 (head-out plethysmography)[10-12]測(cè)量小動(dòng)物的肺功能。由于 Fenn的計(jì)算公式復(fù)雜,本研究采用雙室體積描記法對(duì)小鼠呼出氣體與吸入氣體容量差值進(jìn)行測(cè)定,觀察其對(duì)體積描記箱內(nèi)壓力變化的影響,并計(jì)算其具體數(shù)值。

理論上雙室體積描記箱包括頭室和軀體室,測(cè)量時(shí)小動(dòng)物的軀體容納于軀體室,但呼吸頭室內(nèi)的空氣。假設(shè)頭室內(nèi)的壓力為 Pb,容量為 Vb,吸氣前頭室內(nèi)溫度為 Tb,呼氣后頭室內(nèi)壓力為 Pe,Vi為吸入氣體容量,Vc為呼出氣體容量,Te為一次呼吸后頭室內(nèi)溫度。在一次呼吸后,有公式:

當(dāng) Vi等于 Ve,公式 1將變?yōu)?

假定 Vd為吸入氣體容量 Vi與呼出氣體容量 Ve的差值,根據(jù)公式 1,有:

由于一次吸氣時(shí)頭室內(nèi)空氣沒(méi)有熱量交換,溫度保持不變,可以得到公式下:

公式 4中 Pi代表吸氣后頭室內(nèi)的壓力變化。若 Pi已知,則 Vi可以計(jì)算:

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 本研究使用 8只 6～8周齡、體重為 18～22 g的雌性 BALB/c小鼠 (浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供)。動(dòng)物在標(biāo)準(zhǔn)的清潔級(jí)飼養(yǎng)環(huán)境中飼養(yǎng),自由飲水和進(jìn)食。所有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均遵循浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院倫理委員會(huì)的規(guī)定操作。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與配置 本研究所使用體積描記箱同文獻(xiàn)[13]：呈正方體型,中空體積為 3 cm×4 cm×12 cm,兩個(gè)體積描記箱可由小三通管連通成一個(gè)雙室體積描記箱。每個(gè)描記箱均連接一個(gè)壓力傳感器,壓力信號(hào)由壓力傳感器測(cè)量并由Medlab U/4CS系統(tǒng) (南京美易科技貿(mào)易有限公司)處理。

本實(shí)驗(yàn)的Medlab U/4CS系統(tǒng)工作條件、實(shí)驗(yàn)室溫度濕度條件、描記箱內(nèi)壓力和容量的校準(zhǔn)換算均與既往研究相同[13]。溫度測(cè)量使用科學(xué)實(shí)驗(yàn)溫度計(jì) (上海華晨醫(yī)學(xué)器械有限公司),測(cè)量時(shí)該溫度計(jì)從蓋板中心孔隙進(jìn)入描記箱內(nèi) 0.5 cm。

1.3 小鼠 Vd及 Vi的測(cè)量與計(jì)算 8只小鼠予1%戊巴比妥鈉以 5 ml/kg的劑量腹腔注射麻醉后,用長(zhǎng) 2 cm的 12G自制氣管插管針對(duì)小鼠行氣管插管,放入雙室體積描記箱的軀體室,并使其從頭室內(nèi)呼吸。同步測(cè)量?jī)墒覂?nèi)的溫度和壓力變化 1 min,并繼續(xù)觀察其變化 20 min。

本研究中,記錄 1 min內(nèi)描記箱內(nèi)壓力和溫度變化值,代入公式 3計(jì)算,所得數(shù)值除以呼吸頻率,即計(jì)算出小鼠吸入與呼出氣體的容量差值 。小鼠在雙室體積描記箱內(nèi)的前 6次呼吸所計(jì)算出的平均值作為該小鼠的吸入氣體容量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 實(shí)驗(yàn)數(shù)值以均數(shù) ±標(biāo)準(zhǔn)差表示。統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性檢驗(yàn)水平α=0.05。

2 結(jié) 果

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,頭室及軀體室的溫度均為19.0℃;在 1 min的觀察期內(nèi),頭室內(nèi)溫度緩慢上升至 19.1℃,而軀體室顯著上升至 19.6℃。與之相應(yīng),頭室及軀體室內(nèi)壓力曲線(xiàn)的基線(xiàn)亦不斷上升;大約 12 min后,頭室內(nèi)壓力變化曲線(xiàn)的基線(xiàn)開(kāi)始并持續(xù)緩慢下降,而軀體室在大約 20 min后,基線(xiàn)開(kāi)始逐漸下降,雖然此時(shí)兩室內(nèi)溫度仍保持高位。

頭室內(nèi)的壓力初始值為 0 mmHg,小鼠吸氣時(shí)頭室內(nèi)壓力下降,呼氣后壓力復(fù)回升至 0 mmHg。

將測(cè)量所得溫度和壓力值代入公式,最后計(jì)算出 8只小鼠的 Vi和 Vd。其中 Vi為(0.2842±0.0061)ml而 Vd為 (0.0012±0.0001)ml。

3 討 論

1947年,Guyton[14]介紹了不同的測(cè)量動(dòng)物呼吸容積的方法。盡管體積描記法早在 1868年即被 Bert[15]開(kāi)始研究并利用于測(cè)量嬰兒肺功能,但直到 1955年才由 Drorbaugh和 Fenn[6]首次推導(dǎo)出體積描記法測(cè)量小動(dòng)物潮氣量的近似方程式。此一測(cè)量方式在 1978年進(jìn)行了理論上的完善[16]。

[6]中第 4個(gè)方程式,動(dòng)物吸氣相體積描記箱內(nèi)增加的壓力與動(dòng)物潮氣量成正比,且受描記箱內(nèi)溫度和濕度影響。Lundblad等[17]證明：當(dāng)描記箱內(nèi)溫度和濕度預(yù)置與小動(dòng)物肺內(nèi)空氣相等時(shí),描記箱內(nèi)壓力變化幅度會(huì)削減約三分之二。此時(shí)描記箱內(nèi)氣體進(jìn)入小動(dòng)物肺內(nèi),不因?yàn)闇鼗蜐窕蛎?故 Lundblad所觀察到,描記箱內(nèi)壓力變化幅度還有原來(lái)的三分之一,應(yīng)該另有原因。我們?cè)谇捌诘难芯恐?證明動(dòng)物胸廓膨脹體積大于吸入肺內(nèi)氣體容量,二者的差值導(dǎo)致整體體積描記箱內(nèi)壓力變化[13]。

本實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),體積描記箱內(nèi)的壓力曲線(xiàn)的基線(xiàn)先隨溫度上升而保持上升,后來(lái)基線(xiàn)開(kāi)始下降而此時(shí)的描記箱內(nèi)溫度仍保持高位水平。這種壓力曲線(xiàn)緩慢下降的現(xiàn)象,與Currie的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[18]。為什么會(huì)出現(xiàn)這種壓力曲線(xiàn)的基線(xiàn)隨溫度升高到一定水平后,又開(kāi)始下降?Currie并未關(guān)注和回答此問(wèn)題,我們認(rèn)為是小鼠吸入肺內(nèi)的氣體容量大于呼出氣體容量,使每次呼吸后描記箱內(nèi)壓力有所降低。而導(dǎo)致吸入氣體與呼出氣體容量不完全相等的原因,是呼吸商的作用。

根據(jù) Fick定律,即分子量、脂溶性、密度不同的物質(zhì)在肺泡的彌散速率不同,CO2與 O2在動(dòng)物肺內(nèi)不等量交換。某物質(zhì)代謝時(shí)每消耗1L的 O2而產(chǎn)生并排出的 CO2并非等于 1L,CO2排出的容量與O2的消耗容量比值即為呼吸商。人類(lèi)普通飲食的呼吸商大約為 0.8,而小鼠亦存在與人類(lèi)相似的呼吸商[19-22]?？諝馕敕蝺?nèi),部分 O2透過(guò)肺泡膜,進(jìn)入毛細(xì)血管,而血液中的部分 CO2進(jìn)入肺泡,完成一次呼吸過(guò)程中CO2與 O2交換。雖然該交換作用僅占吸入氣體的一部分,但由于 CO2進(jìn)入肺泡的容量小于 O2進(jìn)入血液中的容量,使吸入氣體容量略高于呼出氣體的容量。我們計(jì)算出吸入氣體與呼出氣體的容量差值約為 (0.0012±0.0002)ml,遠(yuǎn)小于小鼠的吸入氣體容量即潮氣量 (0.2842±0.0173)ml。由于呼吸商的作用小于描記箱內(nèi)溫度變化的影響,壓力曲線(xiàn)的基線(xiàn)在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)保持上升。但體積描記箱內(nèi)空氣的溫化過(guò)程在一定時(shí)間后達(dá)到頂峰,此時(shí)描記箱內(nèi)熱量交換達(dá)到平衡使溫度不再升高。而呼吸商的作用一直持續(xù),使描記箱內(nèi)壓力緩慢下降。

總之,小鼠的吸入氣體體積大于呼出氣體體積,二者的差值導(dǎo)致壓力式描記箱內(nèi)壓力變化曲線(xiàn)基線(xiàn)緩慢下降。由于此一差值遠(yuǎn)小于吸入氣體體積,故在計(jì)算潮氣量時(shí)可以?xún)H測(cè)量吸入氣體或呼出氣體體積,而對(duì)此差值忽略不計(jì)。呼吸商的存在,是此一差值產(chǎn)生的原因。

References：

[1] MALAKOFF D. The rise of the mouse,biomedicine′s model mammal[J].Science,2000,288(5464)：248-253.

[2] OKAZAWA M,ABE H,KATSUKAWA M,et al.Role of calcineurin signaling inmembrane potentialregulated maturation of cerebellar granule cells[J].J Neurosci,2009,29(9)：2938-2947.

[3] BEN SQ,L IX B,XU F,et al.Treatmentwith anti-CCR3 monoclonalantibody ordexamethasone inhibits the migration and differentiation of bonemarrow CD34+progenitor cells in an allergic mouse model[J].Allergy,2008,63(9)：1164-1176.

[4] SHEN H H,HUANG H H,WANG J,et al.Neonatal vaccination with Bacillus Ca lmette-Gu rin elicits long-term protection in mouse-allergic responses[J].Allergy,2008,63(5)：555-563.

[5] TANGM L,SAMUEL C S,ROYCE S G.Role of relaxin in regulation of fibrosis in the lung[J].Ann N Y Acad Sci,2009,1160：342-347.

[6] DRORBAUGH J E,FENN W O.Abarometric method formeasuring ventilation in newborn infants[J].Ped iatrics,1955,16(1)：81-87.

[7] POL IANSKIJM,BRUN-PASCAUD M C,JELAZKO P R,al.Ventilation in awake rats with permanent arterial catheters[J].Comp Biochem Physiol A Comp Physiol,1984,77(2)：319-324.

[8] KANAMARU M,HOMMA I.Compensatory airway dilation and additive ventilatory augmentation mediated by dorsomedial medullary5-hydroxytryptamine 2 receptor activity and hypercapnia[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol,2007,293(2)：R854-860.

[9] AGRAWAL A,RENGARAJAN S,ADLER K B,et al.Inhibition of mucin secretion with MARCKS-related peptide improves airway obstruction in a mouse modelof asthma[J].J Appl Physiol,2007,102(1)：399-405.

[10] V IJAYARAGHAVAN R, SCHAPER M,THOMPSON R,et al.Characteristic modifications of the breathing pattern of mice to evaluate the effects of airborne chemicals on the respiratory tract[J].Arch Toxicol,1993,67(7)：478-490.

[11] SEL S,ROST B R,Y ILD I R IM A O,et al.Loss of classical transient receptor potential 6 channel reduces allergic air way response[J].Clin Exp Allergy,2008,38(9)：1548-1558.

[12] Y ILD IR IM A O,VEITH M,RAUSCH T,et al.Keratinocyte growth factor protects against Clara cell injury induced by naphthalene[J].Eur Respir J,2008,32(3)：694-704.

[13] HONGW J,SHEN H H,XU W H(洪武軍 ,沈華浩,徐衛(wèi)華).Relationship between measurements of thoracic inflating volume and tidal volume by pressure plethysmography in mice[J].Journal of Zhejiang Un iversity：M edical Sciences(浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版 ),2008,(3)：257-260.(in Chinese)

[14] GUYTON A C.Measurement of the respiratory volumes of laboratory animals[J].Am J Physiol,1947,150(1)：70-77.

[15] BERT P.Changements de pression de l′air dans la poitrine pendantles deux temps de l′acte respiratoire[J].CR Soc Biol,1868,20(1)：22-23.

[16] EPSTE IN M A,EPSTE IN R A.A theoretical analysis of the barometric method formeasurement of tidal volume[J].Respir Physiol,1978,32(1)：105-120.

[17] LUNDBLAD L K,IRV IN C G,ADLER A,et al.A reevaluation of the validity of unrestrained plethysmography in mice[J].J Appl Physiol,2002,93(4)：1198-1207.

[18] CURR IEW D,VAN SCHA IK SM,VARGAS I,et al. Ozone affects breathing and pulmonary surfactant function in mice [J].Toxicology,1998,125(1)：21-30.

[19] DASA P,PARSONS A D,SCARBOROUGH J,et al.Electrophysiological and behavioral phenotype of insulin receptor defective mice[J].Physiol Behav,2005,86(3)：287-296.

[20] HARAM IZU S,NAGASAWA A,OTA N,et al.Different contribution of muscle and liver lipid metabolis m to endurance capacity and obesity susceptibility ofmice[J].J Appl Physiol,2009,106(3)：871-879.

[21] SCR IBNER K B,PAWLAK D B,AUB IN C M,et al.Long-ter m effects of dietary glycemic index on adiposity,energy metabolis m,and physical activity in mice[J].Am J Physiol EndocrinolM etab,2008,295(5)：E1126-1131.

[22] SHERTZER H G,SCHNE IDER S N,KEND IG E L,etal. Tetrahydroindenoindole inhibits the progression of diabetes in mice[J].Chem Biol I nteract,2009,177(1)：71-80.

[責(zé)任編輯 黃曉花 ]

M easurement of differential values ofinhaled volumes and exhaled volumes in m ice

XU Wei-Hua(Depar tm ent of Respiratory,Tongde Hospital of Zhejiang Province,Hangzhou310012,China)

Objective：To investigate the differential value of inhaled volume and exhaled volume in anesthesia mice,and its effect on the pressure change inside of plethys mograph.M ethods：Pressure and temperature in head chamber of double-chamber plethys mograph were tested when mice were placed in the body chamber.The differential values of inhaled volume and exhaled volume ofmice were calculated.Results：The baseline pressure in head chamber increasedwith temperature risingwithin 12 minutes,then went down though temperature remained high.The inhaled volumes of 8 mice were(0.2842±0.0173)ml,and the differential value of inhaled volume and exhaled volume was(0.0012±0.0002)ml.Conclusion：The inhaled volume is larger than exhaled volume,which makes pressure baseline of plethysmograph decreased.The differential value may be generated from respiratory quotient.

Respiration;Tidal volume;Pressure;Temperature

Q 471

A

1008-9292(2010)03-0322-04

2009-06-18

2010-04-20

徐衛(wèi)華 (1975-),男,博士生,主治醫(yī)師,從事呼吸系統(tǒng)疾病臨床工作及小動(dòng)物呼吸生理和咳嗽的研究;E-mail：xwhzju@163.com

http：∥www.journals.zju.edu.cn/med DO I：10.3785/j.issn.1008-9292.2010.03.018