代謝、血液堿化和純氧影響呼吸調(diào)控的人體實驗研究II：血液堿化后運動試驗*

孫興國，William W. Stringer，尹 希，葛萬剛，王桂芝,4，呂 婧,,5，劉 方,4， 慈 政,4，Karlman Wasserman

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 國家心血管病中心阜外醫(yī)院 心血管疾病國家重點實驗室，心血管病國家臨床醫(yī)學(xué)研究中心， 北京 100037；2.美國加州大學(xué)洛杉磯分校Harbor-UCLA 醫(yī)學(xué)中心內(nèi)科學(xué)系，洛杉磯生物醫(yī)學(xué)研究院，圣約翰心血管研究中心，美國加州90502；3.河北醫(yī)科大學(xué)第四人民醫(yī)院功能科，石家莊 050000；4.山東省濰坊醫(yī)學(xué)院麻醉學(xué)系臨床麻醉學(xué)教研室和臨床醫(yī)學(xué)系，濰坊261061；5.廣州市第一人民醫(yī)院麻醉科，廣州 510180）

代謝、血液堿化和純氧影響呼吸調(diào)控的人體實驗研究II：血液堿化后運動試驗*

孫興國1,2△，William W. Stringer2，尹 希1,3，葛萬剛1，王桂芝2,4，呂 婧1,2,5，劉 方1,4， 慈 政1,4，Karlman Wasserman2

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 國家心血管病中心阜外醫(yī)院 心血管疾病國家重點實驗室，心血管病國家臨床醫(yī)學(xué)研究中心， 北京 100037；2.美國加州大學(xué)洛杉磯分校Harbor-UCLA 醫(yī)學(xué)中心內(nèi)科學(xué)系，洛杉磯生物醫(yī)學(xué)研究院，圣約翰心血管研究中心，美國加州90502；3.河北醫(yī)科大學(xué)第四人民醫(yī)院功能科，石家莊 050000；4.山東省濰坊醫(yī)學(xué)院麻醉學(xué)系臨床麻醉學(xué)教研室和臨床醫(yī)學(xué)系，濰坊261061；5.廣州市第一人民醫(yī)院麻醉科，廣州 510180）

目的：在完成吸入室內(nèi)空氣狀態(tài)下癥狀限制性最大極限心肺運動試驗(CPET)和動脈血氣指標(biāo)動態(tài)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討體液酸堿度和CO2含量對呼吸調(diào)控的影響。方法：選正常志愿者5名，給予5%NaHCO3(總量0.3 g/kg)分次口服，每5 min口服75 ml(3.75g )?？偭糠? h后，重復(fù)CPET。于靜息、熱身、運動及恢復(fù)期，連續(xù)測定肺通氣指標(biāo)及每分鐘動脈取樣的血氣指標(biāo)變化，并與本人在非堿化血液條件下對照數(shù)據(jù)進(jìn)行配對t檢驗比較。結(jié)果：堿化血液之后，CPET期間隨著運動功率逐步遞增，氣體交換和血氣指標(biāo)的反應(yīng)模式與非堿化血液對照相似（P＞0.05）；即與靜息狀態(tài)比較，每分通氣量、潮氣量、呼吸頻率、V·O2、V·CO2均呈現(xiàn)近于線性漸進(jìn)性遞增(P＜0.05～0.001)。與堿化血液前吸入室內(nèi)空氣的對照比較：在堿化血液條件下，所有時間點血紅蛋白濃度，PaCO2與pH均顯著提高(P＜0.05)；除無氧閾P(yáng)aCO2減低外，只有熱身狀態(tài)呈增高態(tài)勢，統(tǒng)計學(xué)有顯著差異(P＜0.05)；而PaO2無差異(P＞0.05)，各狀態(tài)均較對照狀態(tài)減低，除恢復(fù)期外均有統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.05)。與非堿化血液對照比較，除靜息每分通氣量低于對照(P＜0.05）外，所有通氣指標(biāo)均無統(tǒng)計學(xué)差異(P＞0.05)。結(jié)論：堿化血液條件下， 盡管有更高的CaCO2, PaCO2和 pHa平均水平及更低的Hba和[H+]a平均水平，機(jī)體對CPET的呼吸反應(yīng)模式基本相似。

堿化血液；心肺運動試驗；呼吸反應(yīng)模式；室內(nèi)空氣；呼吸頻率；潮氣量；分鐘通氣量；

動脈血中絕大部分CO2(88%)是以碳酸氫鹽的形式存在，物理溶解和氨基甲酸基團(tuán)攜帶的CO2分別只占5%和7%。運動過程中動脈血中CO2含量受體液pH和PaCO2波動的影響而發(fā)生變化[1,2]。運動需要心肺整體反應(yīng)以滿足肌肉運動增加的需氧量，氣體交換測試法是測定運動受限的基本方法。心肺運動試驗(CPET)可以檢測細(xì)胞與外環(huán)境氣體交換的能力，是目前人體整體功能檢測的唯一方法[3-5]。

CO2及[H+]對人體呼吸調(diào)控的影響一直是生理學(xué)的重要研究課題。據(jù)報道，早期航空航天等應(yīng)用生理學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了CO2對肺通氣功能影響的研究[6]國外研究報道急性呼吸性堿中毒降低運動初始攝氧動力學(xué)的主要因素[7,8]。但是，有關(guān)人體運動前急性血液堿化對呼吸調(diào)控和動力學(xué)效應(yīng)影響的研究很少。以往用氧化磷酸化模型[9]研究表明，肌肉細(xì)胞的堿化[10]、提高血液pH值[11]以及運動初始時抑制無氧糖酵解在加速肌肉的氧化磷酸化中起重要作用。因此，本文用NaHCO3堿化血液，進(jìn)而觀察對運動呼吸調(diào)控和O2代謝動力學(xué)的影響。

本文作為系列試驗的第二部分，以在吸入室內(nèi)空氣條件下進(jìn)行的CPET運動試驗的呼吸反應(yīng)作為對照[12]，通過堿化血液改變體內(nèi)酸堿度和CO2含量后，檢測在心肺運動試驗過程中通氣功能指標(biāo)的變化，以探討酸堿度和CO2含量對呼吸調(diào)控的影響，并與隨后在堿化血液基礎(chǔ)上吸入純氧進(jìn)行運動試驗觀察的影響進(jìn)行比較[13]。

1 對象與方法

1.1 研究對象

1.2 為尋找合適的個體化功率遞增速率進(jìn)行CPET預(yù)試驗

1.3 呼吸氣體交換測定和系統(tǒng)標(biāo)定

1.4 動、靜脈導(dǎo)管置入和血液采樣準(zhǔn)備

1.5 正式CPET方案的對照-室內(nèi)空氣CPET

1.6 各種指標(biāo)及其百分預(yù)計值的計算和測定

1.1 至1.6參見室內(nèi)空氣CPET方法[12,13]。

1.7 血液堿化后室內(nèi)空氣CPET

志愿者作完吸入室內(nèi)空氣運動試驗后，休息2 h。然后口服5% NaHCO3(0.3 g/kg)，分5～8次完成[口服75 ml(3.75 g)/5 min]。服用完全部NaHCO3后休息1 h，使NaHCO3充分吸收。此后再開始進(jìn)行CPET檢查，運動方案見1.5，記錄通氣指標(biāo)以及血氣指標(biāo)。各種指標(biāo)及其百分預(yù)計值的計算和測定見1.6。

1.8 統(tǒng)計學(xué)分析

應(yīng)用統(tǒng)計軟件SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理。采用雙側(cè)檢驗。計量資料以均值±標(biāo)準(zhǔn)差（）表示。對于連續(xù)動態(tài)測定的通氣指標(biāo)及動脈血氣指標(biāo)等參數(shù)，在不同時間之間進(jìn)行單因素方差分析并兩兩比較；并與在吸入室內(nèi)空氣條件下不同運動狀態(tài)測得的各參數(shù)進(jìn)行配對t檢驗。

2 結(jié)果

2.1 正常志愿者極限運動時間和功率

受試者在堿化血液后按預(yù)計方案行CPET檢查，達(dá)到無氧閾和峰值功率時間與正常對照組一致，除1例受試者于遞增功率運動第3分鐘達(dá)到無氧閾、第8分鐘達(dá)到峰值外，其余受試者均于遞增功率運動第4分鐘達(dá)到無氧閾、第9分鐘達(dá)到峰值。志愿者達(dá)到AT時的運動功率為100～180W、達(dá)到極限的最大功率負(fù)荷是225～360 W（表1，表1見彩圖頁VI）。

2.2 運動中肺通氣指標(biāo)連續(xù)動態(tài)變化

在堿化血液后的CPET運動期間，通氣指標(biāo)連續(xù)動態(tài)變化見表2和圖1（表2見彩圖頁VI，圖1見彩圖頁VII）。運動中隨著運動功率逐步遞增，每分?jǐn)z氧量(每搏攝氧量和心率的乘積)逐步遞增，呈現(xiàn)直線性漸進(jìn)性反應(yīng)(P＜0.05)：平均ΔΔW=10.19，分鐘通氣量(呼吸頻率和潮氣量的乘積)均呈現(xiàn)近似直線性漸進(jìn)性遞增(P＜0.05)：潮氣量和呼吸頻率在低強(qiáng)度運動時增加不顯著(P＞0.05)，運動強(qiáng)度超過無氧閾水平后才顯著增加(P＜0.05)。隨運動功率增加近線性上升，無氧閾之后上升速率逐步增大直至恢復(fù)期開始下降。

2.3 運動中動脈血氣指標(biāo)連續(xù)動態(tài)變化

在堿化血液后的CPET運動期間，動脈血氣指標(biāo)連續(xù)動態(tài)變化見表2和圖2（表2見彩圖頁VI，圖2見彩圖頁VIII）。各指標(biāo)的變化趨勢方向與正常對照基本一致。在堿化血液后的CPET運動期間，PaO2一直維持高水平不變(P＞0.05); PaCO2逐步提高，到達(dá)無氧閾后2 min開始顯著下降(P＜0.05)；動脈血pH值從高水平逐漸降低；無負(fù)荷運動時最高，隨后逐漸下降，運動負(fù)荷超過無氧閾水平后迅速降低(P＜0.05)；運動過程中乳酸水平逐漸升高，運動負(fù)荷達(dá)到無氧閾水平后迅速增高(P＜0.05)；運動過程中血紅蛋白水平逐漸增高，運動達(dá)峰值狀態(tài)時明顯增高(P＜0.05)；動脈血氧飽和度一直維持正常水平。

2.4 各運動狀態(tài)與非堿化血液室內(nèi)空氣對照比較

在堿化血液后的CPET運動期間，動脈血液pH值較非堿化血液運動時明顯增高，具有統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.05)；在靜息狀態(tài)、峰值狀態(tài)及恢復(fù)期，乳酸水平均較非堿化血液CPET測定時明顯增高(P＜0.05)；各個狀態(tài)下血紅蛋白濃度均較非堿化血液CPET測定時減低，除恢復(fù)期外均有統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.05)。在堿化血液后的CPET運動期間，PET CO2較非堿化血液CPET測定時增高，無負(fù)荷運動狀態(tài)（即熱身狀態(tài)）、無氧閾及峰值狀態(tài)均有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.05)；靜息狀態(tài)及無負(fù)荷運動狀態(tài)下，呼吸頻率較非堿化血液CPET測定時減低(P＜0.05)，無氧閾水平增高(P＞0.05)，峰值水平及恢復(fù)期基本無變化；靜息狀態(tài)下每分通氣量較非堿化血液CPET測定時明顯減低(P＜0.05)，其余各狀態(tài)均無統(tǒng)計學(xué)差異(P＞0.05）；各狀態(tài)下均無明顯差異(P＞0.05); 除了最大運動狀態(tài)的RER（即）明顯增高(P＜0.05)外，各狀態(tài)下RER均無明顯差異(P＞0.05，圖1，圖2，圖1見彩圖頁VII，圖2見彩圖頁VIII）。

2.5 CPET核心功能指標(biāo)

堿化血液后的CPET運動期間，心肺代謝等整體功能核心指標(biāo)見彩圖頁XI表4。峰值氧耗量為(3.66±0.54)L/min，無氧閾時耗氧量為(1.95±0.55) L/min，峰值氧脈搏為(20.59±2.75)ml/beat，攝氧通氣效率為（51.36±10.27）ml/L，CO2排出通氣效率為22.32±2.49，以上各值占預(yù)計值的百分比分別為113.78%±15.71%、113.28%±30.67%、107.58%±8.34%、116.67%±21.46%和93.31%±9.05%。上述核心指標(biāo)與非堿化血液吸入室內(nèi)空氣狀態(tài)下行CPET檢查所測得數(shù)據(jù)相比，均無統(tǒng)計學(xué)差異(P＞0.05)。

3 討論

在堿化血液后的CPET運動中，隨著運動功率的遞增，潮氣量、每分通氣量、每分肺泡通氣量和肺泡通氣量均呈現(xiàn)直線性漸進(jìn)性遞增；在低強(qiáng)度運動時呼吸頻率增快不顯著，超過無氧閾水平呼吸頻率才顯著增快，其呼吸反應(yīng)模式與非堿化血液呼吸室內(nèi)空氣對照的呼吸反應(yīng)模式相似，說明堿化血液只是改變基礎(chǔ)狀態(tài)，改變血液中PaCO2和[H+]a的平均值，對運動中因代謝率改變導(dǎo)致的呼吸反應(yīng)模式并無明顯影響。在堿化血液后的CPET運動中，動脈血氧濃度一直維持正常水平不變(P＞0.05)，PaCO2逐步提高到無氧閾后開始顯著下降(P＜0.05)，動脈血pH值逐漸降低；在無負(fù)荷運動時[HCO3-]最高，隨后逐漸下降，超過無氧閾水平后迅速降低(P＜0.05)；運動過程中乳酸水平逐漸升高，達(dá)到無氧閾水平后迅速增高(P＜0.05)；運動過程中血紅蛋白水平逐漸增高，峰值狀態(tài)時明顯增高(P＜0.05)。運動過程中，緩沖乳酸產(chǎn)生額外的CO2以及血中減低均可增加血中的酸當(dāng)量，運動期間只要動脈血pH持續(xù)下降，就會刺激通氣調(diào)節(jié)機(jī)制，使通氣繼續(xù)增加[14]。生成的乳酸通過[H+]刺激呼吸，引起通氣增強(qiáng)。通氣增強(qiáng)可誘使肺泡氧分壓增高，進(jìn)一步維持甚至升高PaO2，使機(jī)體能夠繼續(xù)高強(qiáng)度運動。大量研究均描述了人在運動時會發(fā)生血液濃縮[15,16]，功率高于AT時，細(xì)胞的滲透壓升高，細(xì)胞外水分將移入細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞外液的減少將使血紅蛋白濃度升高，并提高動脈血氧含量。

在堿化血液后的CPET運動中，動脈血pH值較非堿化血液吸入室內(nèi)空氣時明顯增高，有統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.05)；在靜息狀態(tài)、峰值狀態(tài)及恢復(fù)期，乳酸水平較非堿化血液吸入室內(nèi)空氣時明顯增高(P＜0.05)；各狀態(tài)血紅蛋白濃度均較非堿化血液吸入室內(nèi)空氣時減低，除恢復(fù)期外均有統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.05)?？诜﨨aHCO3充分吸收后使血液堿化，所以動脈血pH值、濃度增高；由于短時間內(nèi)服用大量液體使血液稀釋，造成血紅蛋白濃度下降。

[H+]對呼吸的調(diào)節(jié)是通過化學(xué)感受器和中樞感受器實現(xiàn)的。[H+]減低時呼吸抑制，呼吸頻率變慢，肺通氣量降低。血液堿化后pH值增高，[H+]濃度減低，與非堿化血液吸入室內(nèi)空氣對照比較，靜息狀態(tài)呼吸頻率及每分通氣量減低；其余通氣指標(biāo)在熱身、無氧閾、峰值及恢復(fù)2 min時均無顯著差異，表明運動過程中肺通氣隨功率增加發(fā)生的變化與基礎(chǔ)狀態(tài)的改變不相關(guān)，即改變血液中CO2濃度和[H+]的平均值對呼吸調(diào)控?zé)o明顯影響。Jerzy等研究發(fā)現(xiàn)堿化血液后在40%功率下運動，對動力學(xué)無影響。實際上正常人呼吸時，只要用足夠快速的分析裝置，即可觀察到PaO2和PaCO2一直在一定范圍內(nèi)上下波動，其“W”形波浪式信號的升降才是生命所必需，這種波浪式升降經(jīng)左心延遲到達(dá)動脈才是吸呼時相自主切換的解釋[4-5，18-22]。

本研究的不足之處在于樣本量小，存在統(tǒng)計偏倚，未觀察到許多上升或下降趨勢的統(tǒng)計學(xué)差異。作者將加大樣本數(shù)量，繼續(xù)進(jìn)行該方面研究。

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Human experiments of metabolism, blood alkalization and oxygen effect
on control and regulation of breathing II: room air exercise test after blood alkalization

SUN Xing-guo1，2△, STRINGER WW2, YIN Xi1,3, GE Wan-gang1, WANG Gui-zhi2，4,LV Jing1,2,5, LIU Fang1,4, CI Zheng1,4, WASSERMAN K2
(1.State Key Laboratory of Cardiovascular Disease, Fuwai Hospital, National Research Center of Clinic Medicine for Cardiovascular Diseases, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100037, China; 2. Department of medicine, Los Angeles Biomedical Research Institute at Harbor-UCLA Medical Center, University of California at Los Angeles, St. John’s Cardiovascular Research Center, California 90502; 3. The 4thPeople’s Hospital Affiliated Hebei Medical University, Shijiazhuang 050000; 4. Departments of Anesthesiology and Clinical Medicine, Weifang Medical University, Weifang 261061; 5. Department of Anesthesiology, the 1stPeople’s Hospital of Guangzhou, Guangzhou 510180, China)

Objective: Basis on the dynamic changes of the ventilation and arterial blood gas parameters to symptom-limited maximum cardiopulmonary exercise testing (CPET),we further investigate the ef f ect of alkalized blood by drinking 5% NaHCO3on ventilation during exercise. Methods: Aer drinking 5% NaHCO375 ml (3.75 g) every 5 min, total dosage of 0.3 g/Kg, 5 volunteers repeated CPET. All CPET and ABG data changes were analyzed and calculated. At the same time, CPET and ABG parameters aer alkalized blood were compared with those before alkalized blood (control) used paired t test. Results: Aer alkalized blood, CPET response patterns of parameters of ventilation, gas exchange and arterial blood gas were very similar (P＞0.05). All minute ventilation, tidal volume, respiratory rate, oxygen uptake and carbon dioxide elimination were gradually increased from resting stage (P＜0.05～0.001), according to the increase of power loading. During CPET aer alkalized blood,ABG parameters were compared with those of control: hemoglobin concentrations were lower，CaCO2and pHa were increased at all stages（P＜0.05）.e PaCO2increased trend was clear, however only signif i cantly at warm-up from 42 to 45 mmHg （P＜0.05）. Compared with those of control, only the minute ventilation was decreased from 13 to 11 L/min at resting (P＜0.05). Conclusion: Even with higher mean CaCO2, PaCO2and pHa, lower Hba and [H+]a, the CPET response patterns of ventilatory parameters aer alkalized blood were similar.

blood alkalization; cardiopulmonary exercise testing; respiratory response pattern；room air; respiratory frequency; tidal volume; minute ventilation

R332.3

A

1000-6834 (2015) 04-345-007

＊ 【基金項目】國家自然科學(xué)基金醫(yī)學(xué)科學(xué)部面上項目（81470204）；國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2012AA021009);中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院國家心血管病中心科研開發(fā)啟動基金（2012-YJR02)

2015- 06-05

2015-07-05

△【通訊作者】Tel： 010-88398300 ；E-mail： xgsun@labiomed.org