減阻劑對正常大鼠后肢骨骼肌微循環(huán)灌注的影響

胡 鋒, 查道剛, 陳向輝, 杜榮生, 周冰潔, 劉伊麗

南方醫(yī)科大學(xué) 附屬南方醫(yī)院心血管內(nèi)科, 廣州 510515

·論著·

減阻劑對正常大鼠后肢骨骼肌微循環(huán)灌注的影響

胡 鋒, 查道剛, 陳向輝, 杜榮生, 周冰潔, 劉伊麗

南方醫(yī)科大學(xué) 附屬南方醫(yī)院心血管內(nèi)科, 廣州 510515

目的探討聚氧化乙烯(PEO)對大鼠骨骼肌微循環(huán)灌注的影響。方法Wistar大鼠16只隨機分為兩組。經(jīng)腹腔麻醉后，分別經(jīng)尾靜脈泵入生理鹽水(對照組)或10 ppm PEO溶液(實驗組)，泵入速度均為5 ml/h，持續(xù)20 min。選擇右側(cè)大腿中段短軸切面，分別于給藥前及停藥后即刻行對比超聲造影檢查。實驗全程連續(xù)監(jiān)測心電圖、頸動脈壓、中心靜脈壓。結(jié)果實驗組在給藥后骨骼肌毛細(xì)血管容量由(20.78±2.63) dB增加至(22.40±1.94) dB(P=0.023)；微血管血流速度由(0.27±0.08) s-1增加至(0.35±0.13) s-1(P=0.010)；微血管血流量由(5.65±1.81) dB/s增加至(7.91±3.28) dB/s(P=0.013)。而對照組在給藥前后毛細(xì)血管容量[(21.68±2.01) dB 比(21.19±1.19) dB，P=0.385]、微血管血流速度[(0.29±0.09) s-1比 (0.27±0.06) s-1，P=0.275]、微血管血流量[(6.27±1.94) dB/s 比 (5.71±1.43) dB/s，P=0.184]差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。兩組在給藥前后，大鼠的心率、血壓、中心靜脈壓差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。結(jié)論PEO可以顯著增加微循環(huán)灌注的血流速度和血流量，同時輕度開放骨骼肌毛細(xì)血管。

減阻劑; 聚氧化乙烯; 對比超聲造影; 微循環(huán)

1948年，Toms[1]在第一屆國際流變學(xué)會上報道了一類特殊可溶性高分子聚合物可以在不影響流體粘滯度的同時減低管道液體中湍流液體的流動阻力，即Toms現(xiàn)象。這種具有降低流體阻力作用的高分子聚合物稱為減阻劑(drag-reducing polymers，DRPs)。DRPs最早用于石油、消防、灌溉等工業(yè)管道的流體減阻[2-3]。在流體中加入極少量的這類線性長鏈聚合物可以在不改變流體驅(qū)動壓的情況下顯著降低流體阻力、提高輸量、增加流速、降低能耗。血液循環(huán)系統(tǒng)是由心臟、動脈、毛細(xì)血管及靜脈組成的一個封閉的運輸系統(tǒng)，由心臟不停的跳動提供動力推動血液在其中循環(huán)流動，這一系統(tǒng)與工業(yè)管道有許多相似之處，故減阻劑在循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用可以借鑒“工業(yè)減阻”的理論。但是心血管系統(tǒng)遠(yuǎn)較工業(yè)管道復(fù)雜，因為其包含心臟、動脈、毛細(xì)血管網(wǎng)和靜脈等多種組成部分，而且整個循環(huán)系統(tǒng)受到神經(jīng)、激素等多方面的調(diào)節(jié)[4]，所以減阻劑對微循環(huán)灌注的影響亟待進一步研究。

聚氧化乙烯(polyethylene oxide, PEO)是一類水溶性高分子線性化合物，為目前常用減阻劑。研究顯示PEO可以顯著提高大動脈的血流量，減低血流阻力[5-7]。但是在局部組織微循環(huán)灌注方面，PEO的作用、效能國內(nèi)相關(guān)報道較少。本研究使用直徑2.0～4.0 μm的全氟丙烷人血白蛋白微氣泡示蹤紅細(xì)胞[8-9]，利用對比超聲技術(shù)評價PEO改善正常大鼠后肢骨骼肌微循環(huán)灌注的效能，為國內(nèi)關(guān)于減阻劑的醫(yī)學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的研究奠定方法學(xué)基礎(chǔ)。

材料和方法

材料PEO 5000購自美國Sigma公司，批號189472；超聲造影劑采用廣州南方醫(yī)院生產(chǎn)的全氟丙烷人血白蛋白微球注射劑；生理鹽水；2%戊巴比妥鈉；Sequoia 512超聲診斷儀(美國Acuson公司)；MPA多道生物信號分析系統(tǒng)(上海奧爾科特公司)；微量輸液泵(日本Terumo公司)；纖維素膜透析袋，分子截留量為50 000 Da(美國Spectrum公司)。

減阻劑的制備精確稱取10 mg PEO，加入10 ml生理鹽水，配制成濃度為1000 ppm(ppm為質(zhì)量體積比的單位，1 ppm=10-6g/ml)的溶液。將配好的PEO溶液裝入分子截留量為50 000 Da的透析袋中，于生理鹽水中透析24 h。用生理鹽水將透析后的1000 ppm溶液稀釋為10 ppm的濃度，存放于4℃冰箱備用。

實驗動物及分組SPF級Wistar大鼠16只，雄性，體重200～250 g，實驗動物質(zhì)量合格證：0045363，購自南方醫(yī)科大學(xué)實驗動物中心。大鼠隨機分為兩組，每組8只。對照組每只用微量輸液泵經(jīng)尾靜脈泵入生理鹽水(5 ml/h)，連續(xù)泵20 min；實驗組每只用微量輸液泵經(jīng)尾靜脈泵入10 ppm PEO溶液(5 ml/h)，連續(xù)泵20 min。

模型制備和數(shù)據(jù)采集使用2%戊巴比妥鈉(45 mg/kg)對實驗鼠進行腹腔注射麻醉。肢體安置心電電極，用于監(jiān)測心電圖。尾靜脈插管，用于給藥；右側(cè)頸動脈插管，接壓力換能器，用于監(jiān)測血壓；右側(cè)頸靜脈插管，接壓力換能器，用于監(jiān)測中心靜脈壓。右側(cè)后肢脫毛處理，采用Sequoia 512超聲診斷儀(17L5探頭)觀察右側(cè)大腿中段(即：膝關(guān)節(jié)與腹股溝中點連線的中點)短軸切面，切面調(diào)整滿意后，固定探頭，并保持實驗過程中超聲儀器參數(shù)一致。選用CPS造影模式，觸發(fā)時間間隔設(shè)置為100 ms，造影劑(微氣泡濃度：1×109/ml)以0.3 ml/min的速度持續(xù)泵入，待聲強度達到峰值后，發(fā)射高機械指數(shù)超聲波觸發(fā)微泡完全破裂，連續(xù)錄取造影劑再充盈過程的全部超聲圖像，以準(zhǔn)確計算微氣泡進入骨骼肌組織的灌注速度和平臺聲強度。實驗組經(jīng)尾靜脈按照5 ml/h的速度泵入10 ppm的PEO溶液，對照組以相同的速度泵入生理鹽水，連續(xù)給藥20 min。停藥即刻重復(fù)骨骼肌聲學(xué)造影。實驗過程中實時監(jiān)測心電圖、頸動脈血壓、中心靜脈壓。

對比超聲數(shù)據(jù)分析采用ACQ圖像分析系統(tǒng)(Sequoia512超聲機附加軟件)進行圖像脫機分析。選擇骨骼肌灌注區(qū)為興趣區(qū),興趣區(qū)勾畫完畢后,程序自動根據(jù)造影劑在局部組織的聲強度與時間間隔的函數(shù)關(guān)系Y=A [1-e(-β×t)]，計算出骨骼肌的平臺聲強度(A)，反映的是局部微循環(huán)血流容積(相當(dāng)于毛細(xì)血管密度)；造影劑再充填速率(β)，反映的是微泡在局部組織毛細(xì)血管流動的速度；A×β代表局部組織微循環(huán)的血流量[9]。

統(tǒng)計學(xué)處理采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件分析，數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。給藥前后數(shù)據(jù)比較采用配對t檢驗。P<0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

減阻劑對后肢骨骼肌微循環(huán)灌注的影響實驗組在靜脈注射PEO后，骨骼肌毛細(xì)血管容量由(20.78±2.63) dB增加至(22.40±1.94) dB(P=0.023)；微血管血流速度由(0.27±0.08) s-1增加至(0.35±0.13) s-1(P=0.010)；微血管血流量由(5.65±1.81) dB/s增加至(7.91±3.28) dB/s(P=0.013)。而對照組在給鹽水前后骨骼肌毛細(xì)血管容量[(21.68±2.01) dB 比(21.19±1.19) dB，P=0.385]、微血管血流速度 [(0.29±0.09) s-1比(0.27±0.06) s-1，P=0.275]、微血管血流量 [(6.27±1.94) dB/s 比(5.71±1.43) dB/s，P=0.184]差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(圖1～3)。

與注射聚氧化乙烯前比較，aP=0.023 aP=0.023 compared with before infusion of polyethylene oxide

與注射聚氧化乙烯前比較，aP=0.010 aP=0.010 compared with before infusion of polyethylene oxide

與注射聚氧化乙烯前比較，aP=0.013 aP=0.013 compared with before infusion of polyethylene oxide

減阻劑對心率、動脈壓、中心靜脈壓的影響PEO及鹽水注射前后，大鼠的心率、血壓、中心靜脈壓差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)(表1)。

討 論

微循環(huán)是指微動脈和微靜脈之間的血液循環(huán)，是血液與組織細(xì)胞進行物質(zhì)交換的場所。冠心病、周圍血管病、休克等多種疾病均與微循環(huán)的血供息息相關(guān)。國外部分學(xué)者開始減阻劑用于冠心病、休克等相關(guān)領(lǐng)域的醫(yī)學(xué)研究[10-11]， 而國內(nèi)的相關(guān)研究尚處于起步階段。

表 1 給藥前后大鼠心率、血壓、中心靜脈壓的變化

本研究采用超聲造影技術(shù)評價DRPs對正常大鼠骨骼肌微循環(huán)灌注的影響，結(jié)果顯示經(jīng)靜脈應(yīng)用減阻劑后，骨骼肌微循環(huán)紅細(xì)胞流速明顯增加，增幅27.9%；局部組織血流量也明顯增加，增幅達39.2%；局部組織毛細(xì)血管密度增加8.5%。由此可見，減阻劑對于正常大鼠后肢骨骼肌微循環(huán)血流灌注的變化，主要源自于血流速度的增加；而毛細(xì)血管密度的增加則可能是減阻劑增加循環(huán)血流速度，引起血流切應(yīng)力增加，促使大動脈、微動脈擴張，導(dǎo)致毛細(xì)血管前灌注壓升高，局部毛細(xì)血管開放增加所致。

減阻劑增加微循環(huán)灌注的作用機制目前尚不十分清楚，但可以明確的是減阻劑的作用不僅僅限于“Toms現(xiàn)象”，還可能與以下機制有關(guān)：(1)減低血流撇清效應(yīng)：正常情況下，紅細(xì)胞在微血管血流的分布并不是均勻的，紅細(xì)胞主要位于血流的軸心，血流邊緣即靠近管壁的血流無紅細(xì)胞，該現(xiàn)象稱為血流撇清效應(yīng)。Marhefka等[12]通過體外實驗證明PEO可以使血液在微管中流動時紅細(xì)胞更靠近管壁，從而有利于血液與組織間的氣體交換；(2)降低法-林效應(yīng)逆轉(zhuǎn)的臨界半徑：Marhefka等[12]使用大鼠紅細(xì)胞通過微管的模型來模擬微血管血流，發(fā)現(xiàn)減阻劑可以降低法-林效應(yīng)逆轉(zhuǎn)的臨界半徑，使得紅細(xì)胞在通過更小的微循環(huán)中阻力降低，從而增加紅細(xì)胞在局部組織的流速，增加局部供氧；(3)增加紅細(xì)胞變形能力：Marhefka等[13]通過體外模型發(fā)現(xiàn)減阻劑可以使紅細(xì)胞通過微管分叉時變形能力得到提高，表明減阻劑使紅細(xì)胞進入毛細(xì)血管的能力及速度增加，從而有利于紅細(xì)胞向組織供氧；(4)增加血流切應(yīng)力：Macias等[11]關(guān)于減阻劑改善動物失血性休克預(yù)后的研究結(jié)果表明，減阻劑除通過減低血流撇清效應(yīng)和法-林效應(yīng)逆轉(zhuǎn)的臨界半徑外，還可能通過減低血管內(nèi)近壁血液黏度和增加切應(yīng)力使毛細(xì)血管的征募增加，從而減輕休克微循環(huán)障礙發(fā)揮抗休克作用。

減阻劑作為可以減低流體阻力的一類高分子聚合物，在心血管疾病、腦血管疾病、糖尿病、休克、彌散性血管內(nèi)凝血等多學(xué)科方面均有巨大的研究價值。本研究通過在體實驗發(fā)現(xiàn)PEO可增強骨骼肌微循環(huán)灌注，同時進一步證實，超聲造影可用于檢測DRPs治療前后微血管調(diào)節(jié)狀況，為今后開展DRPs研究提供了方法學(xué)參考。

本研究雖然觀察到減阻劑增加微循環(huán)血流速度的效應(yīng)，但是微循環(huán)血流調(diào)節(jié)受多方面的影響，毛細(xì)血管前壓力有無變化、局部組織有無異常代謝產(chǎn)物等尚有待于進一步的深入研究。

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EffectsofDrag-reducingPolymersonMicrocirculationofNormalRatHindlimbSkeletalMuscle

HU Feng, ZHA Dao-gang, CHEN Xiang-hui, DU Rong-sheng, ZHOU Bing-jie, LIU Yi-li

Department of Cardiology, Nanfang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou 510515, China

ZHA Dao-gang Tel: 020-62787390, E-mail: nfyy2006-cs@yahoo.com.cn

ObjectiveTo observe the effects of polyethylene oxide (PEO) on microcirculation of normal rat hindlimb skeletal muscle.MethodsSixteen male Wistar rats were anesthetized and equally and randomly divided into PEO group (administered with 10 ppm PEO solution) and control group (administered with equal volume of normal saline). The PEO solution or saline was separately injected through the caudal vein at a constant rate of 5 ml/h for 20 minutes. Using short axis view at right mid thigh region, contrast-enhanced ultrasonography was performed before and after the administration of solution. Electrocardiogram, blood pressure, and central venous pressure were also monitored.ResultsIn the PEO group, after the administration of PEO, microcirculation capillary volume increased from (20.78±2.63) dB to (22.40±1.94) dB (P=0.023), red blood cell velocity from (0.27±0.08) s-1to (0.35±0.13) s-1(P=0.010), and capillary blood flow from (5.65±1.81) dB/s to (7.91±3.28) dB/s (P=0.013). In the control group, there were no significant changes in microcirculation capillary volume, red blood cell velocity, and capillary blood flow (allP>0.05) after the injection of normal saline. The changes of heart rates, blood pressures and central venous pressure were not significant after the administration of either PEO or saline (allP>0.05).ConclusionPEO can remarkably increase capillary volume, red blood cell velocity, and capillary blood flow in normal rat hindlimb skeletal muscle.

drag-reducing polymers; polyethylene oxide; contrast-enhanced ultrasonography; microcirculation

ActaAcadMedSin，2011,33(2)：189-193

查道剛 電話：020-62787390, 電子郵件：nfyy2006-cs@yahoo.com.cn

R540.4+7

A

1000-503X(2011)02-0189-05

10.3881/j.issn.1000-503X.2011.02.018

2010-05-04)