張 瑞,黃 帥,富 旗,鄭少憶,郭惠明,陳寄梅,莊 建,朱 平
終末期心臟疾病最好的治療方法是心臟移植。臨床上應(yīng)用最多的心臟保存方式是單純低溫浸泡保存,最常用的浸泡液則是組氨酸-色氨酸-酮戊二酸鹽液(histidine-tryptophan-ketoglutarate solution,HTK)。但浸泡保存的安全缺血時(shí)間限制為5~6 h,超過(guò)這一時(shí)限,心肌可出現(xiàn)不可逆的損傷。心臟保存時(shí)間過(guò)短是供心缺乏的因素之一,限制了心臟移植手術(shù)的開(kāi)展。日本學(xué)者通過(guò)將大鼠心臟保存在高壓干燥環(huán)境中,在保證較高復(fù)跳率的前提下顯著延長(zhǎng)了供心保存時(shí)間[1]。但其研究?jī)H停留在現(xiàn)象觀察,未與其他保存方式進(jìn)行比較,也未進(jìn)行生物學(xué)方面的檢測(cè)。近些年國(guó)內(nèi)外對(duì)于干燥保存的進(jìn)一步研究幾近空白。本研究是在此基礎(chǔ)上,對(duì)供心高壓干燥保存與HTK液浸泡保存移植后的復(fù)跳率、移植后2 h供心活力評(píng)分、移植后24h凋亡指數(shù)、移植后24h自噬標(biāo)志性蛋白微管相關(guān)蛋白1-輕鏈3-Ⅱ(microtubuleassociated protein 1 light chain 3-Ⅱ,LC3-Ⅱ)及 B 細(xì)胞白血病/淋巴瘤-2(B cell lymphoma/leukemia-2,Bcl-2)蛋白的表達(dá)進(jìn)行比較,觀察一氧化碳和氧氣混合氣體的高壓干燥保存方式是否優(yōu)于HTK液浸泡保存,并探討該保存方式的可能作用機(jī)制。
1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與分組 SPF級(jí)C57BL/6雄性小鼠84只。供鼠4~6周齡,體重(21±2)g,共48只;受鼠6~8周齡,體重(29±2)g,共36只,所有實(shí)驗(yàn)用鼠均購(gòu)自中山大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心(合格證號(hào):No.44008500005103),飼養(yǎng)在屏障環(huán)境內(nèi),并實(shí)行嚴(yán)格的微生物控制,同時(shí)保證屏障環(huán)境內(nèi)溫度控制在20℃ ~25℃,日溫差<3℃,相對(duì)濕度50% ~70%。供鼠隨機(jī)分為4組(n=12):對(duì)照組、即刻移植供體組、HTK浸泡保存供體組及高壓干燥保存供體組。受鼠隨機(jī)分為3組(n=12):即刻移植受體組、HTK保存受體組及高壓干燥保存受體組。
1.2 供心切取方式及灌注保存方法 所有供鼠術(shù)前準(zhǔn)備及供心切取方式參見(jiàn)文獻(xiàn)[2-3]。切取供心后按照分組不同行相應(yīng)處理。對(duì)照組:供心取出后不做特殊處理直接送檢;即刻移植供體組:供心取出經(jīng)主動(dòng)脈插管予逆行灌注4℃等滲鹽水1 mL,不經(jīng)保存即刻移植;HTK保存供體組:供心取出后經(jīng)主動(dòng)脈套管逆行灌注,4℃ HTK液1 mL,浸泡于15 mL HTK液中,置于4℃冰箱保存24 h;高壓干燥保存供體組:供心經(jīng)主動(dòng)脈套管逆行灌注,4℃ 改良Krebs-Henseleit液1 mL(KH液),KH液配方參見(jiàn)文獻(xiàn)[2],懸掛于已預(yù)冷至4℃的干燥高壓保存罐內(nèi)(保存罐購(gòu)自于日本成育心血管病研究中心),供心下方放裝有15 mL純凈水的燒杯,用以維持保存罐內(nèi)濕度。往罐內(nèi)注入800 hPa的一氧化碳及3200 hPa的氧氣,密封后將罐置于4℃冰箱中保存24 h。
1.3 供心異位移植術(shù) 受鼠按供鼠處理方法麻醉固定備皮消毒,在16倍雙人雙目手術(shù)顯微鏡下行頸部異位心臟移植手術(shù)。采用改良Cuff技術(shù),將即刻移植供體組(供心未經(jīng)保存)、HTK保存供體組(供心HTK液浸泡保存24 h)、高壓干燥保存供體組(供心高壓干燥環(huán)境中保存24 h)的供心分別移植于即刻移植受體組、HTK保存受體組以及高壓干燥保存受體組小鼠頸部。利用動(dòng)靜脈套管(購(gòu)于日本成育心血管病研究中心)將受體右頸總動(dòng)脈、頸外靜脈分別與供心主動(dòng)脈、肺動(dòng)脈吻合,吻合完畢后,開(kāi)放動(dòng)靜脈血管夾,恢復(fù)血流。術(shù)后觀察2 h,記錄即刻移植受體組、HTK保存受體組、高壓干燥保存受體組小鼠頸部異位移植后的供心復(fù)跳情況并行移植物功能評(píng)分參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。
1.4 移植術(shù)后處理 術(shù)畢,一次性肌內(nèi)注射青霉素5 U/g。受鼠獨(dú)籠飼養(yǎng)、保暖。
1.5 檢測(cè)項(xiàng)目
1.5.1 自噬標(biāo)志性蛋白LC3-Ⅱ檢測(cè) 移植后24 h,取各組供心組織10 mg,勻漿,加入100 μL裂解液,冰上裂解30 min;4℃,2000 r/min,離心15 min,離心半徑10 cm,取上清液,用考馬斯亮藍(lán)法進(jìn)行蛋白定量,取等量的標(biāo)本進(jìn)行SDS-PAGE電泳,膜進(jìn)行蛋白轉(zhuǎn)印,封閉液封閉。加入抗稀釋好的 LC3一抗(1∶1000)4℃過(guò)夜,以心肌組織α-tubulin作內(nèi)參,洗膜后加入相應(yīng)羊抗兔二抗(1∶5000),室溫?fù)u動(dòng)孵育1 h,增強(qiáng)化學(xué)發(fā)光(ECL)顯色劑顯色。陽(yáng)性條帶以Gel pro32軟件分析,測(cè)其吸光度值(A值)。結(jié)果以陽(yáng)性條帶A值與α-tubulin A值的比值表示。LC3多抗購(gòu)自一科生物科技有限公司;全蛋白提取試劑盒購(gòu)于凱基生物公司。
1.5.2 Bcl-2凋亡蛋白檢測(cè) Bcl-2凋亡蛋白的檢測(cè)方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。
1.5.3 心肌病理組織學(xué)檢查 對(duì)照組直接取供心心尖部10 mm×10 mm×5 mm組織,即刻移植受體組、HTK保存受體組、高壓干燥保存受體組于移植后24 h取頸部異位移植供心心尖部10 mm×10 mm×5 mm組織,4%甲醛溶液固定后,石蠟包埋,HE染色,光鏡下觀察心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化。
1.5.4 心肌凋亡細(xì)胞檢測(cè) 對(duì)照組直接取供心組織100 mg,即刻移植受體組、HTK保存受體組、高壓干燥保存受體組于移植后24 h取頸部異位移植供心組織100 mg,將心肌石蠟切片脫蠟脫水,采用TUNEL染色法染色,顯微鏡下觀察有綠色顆粒者即為凋亡的心肌細(xì)胞。在光鏡下,每組切片隨機(jī)選取10個(gè)高倍鏡視野(400倍),計(jì)數(shù)凋亡細(xì)胞核及整個(gè)心肌細(xì)胞數(shù)目,并計(jì)算心肌細(xì)胞的平均凋亡指數(shù)。公式如下:
心肌細(xì)胞的凋亡指數(shù)=凋亡數(shù)目/心肌細(xì)胞總數(shù)
1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。計(jì)量數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示?;盍υu(píng)分不符合正態(tài)分布,用中位數(shù)(四分位間距)表示,組間比較采用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)(Kruskal-wallis H)進(jìn)行分析,組間兩兩比較采用Mann-Whitney U檢驗(yàn)。LC3-Ⅱ、Bcl-2及凋亡指數(shù)結(jié)果采用單因素方差分析,兩兩組間比較采用SNK法檢驗(yàn);如果方差不齊,則采用Tamhane'T2法進(jìn)行檢驗(yàn)。組間頻數(shù)比較采用χ2檢驗(yàn)。以P≤0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2.1 復(fù)跳率和移植物功能評(píng)分 即刻移植受體組、HTK保存受體組、高壓干燥保存受體組頸部異位移植供心再灌注后復(fù)跳率為 75.0%、8.3%、66.7%,HTK保存受體組供心復(fù)跳率顯著低于即刻移植受體組和高壓干燥保存受體組(P<0.05)。
再灌注2 h后,高壓干燥保存受體組、HTK保存受體組、即刻移植受體組頸部異位移植供心移植物功能評(píng)分分別為[2.5(2.0 ~2.9)]、[4.5(4.0 ~4.5)]、[0.8(0.5 ~1.0)]分。高壓干燥保存受體組、HTK 保存受體組移植物功能評(píng)分較即刻移植受體組降低(P<0.01)。高壓干燥保存受體組移植物功能評(píng)分高于HTK保存受體組(P<0.01)。
2.2 Western blot檢測(cè)結(jié)果 高壓干燥保存受體組、即刻移植受體組LC3-Ⅱ蛋白及Bcl-2蛋白表達(dá)量高于對(duì)照組;高壓干燥保存受體組高于HTK保存受體組(P<0.05)。HTK保存受體組Bcl-2蛋白表達(dá)量高于對(duì)照組(P<0.05)。高壓干燥保存受體組LC3-Ⅱ表達(dá)低于即刻移植受體組(P<0.05)。見(jiàn)表1,圖1。
表1 各組小鼠LC3-Ⅱ、Bcl-2蛋白的表達(dá)(±s)Table 1 Expressions of LC3-Ⅱand Bcl-2 in different groups of mice(±s)
表1 各組小鼠LC3-Ⅱ、Bcl-2蛋白的表達(dá)(±s)Table 1 Expressions of LC3-Ⅱand Bcl-2 in different groups of mice(±s)
與對(duì)照組比較,*P<0.05;與即刻移植受體組比較,#P<0.05;與HTK保存受體組比較,△P<0.05
組別 n LC3-Ⅱ/α-tubulin Bcl-2/α-tubulin對(duì)照組12 0.13 ±0.03 0.19 ±0.02即刻移植受體組 12 1.24 ±0.20* 2.07±0.32*HTK 保存受體組 12 0.16 ±0.06# 0.26±0.08*#高壓干燥保存受體組 12 0.87±0.18*#△ 2.06±0.29*△
圖1 LC3-Ⅱ、Bcl-2蛋白Western blot檢測(cè)結(jié)果Figure 1 Results of Western blot for the expressions of LC3-Ⅱand Bcl-2 in different groups of mice
2.3 HE染色及Tunnel染色觀察心肌組織形態(tài)學(xué)HE染色后,光鏡下對(duì)照組和即刻移植受體組心肌細(xì)胞排列整齊,心肌細(xì)胞無(wú)水腫,HTK保存受體組和高壓干燥保存受體組較對(duì)照組、即刻移植受體組可見(jiàn)心肌水腫及炎細(xì)胞浸潤(rùn),而高壓干燥保存受體組較HTK保存受體組病理?yè)p傷較輕。Tunnel染色后,光鏡下對(duì)照組心肌細(xì)胞呈均一的淡染,未見(jiàn)異常核。Tunnel標(biāo)記的陽(yáng)性細(xì)胞細(xì)胞核呈綠色,即刻移植組心肌細(xì)胞染色均勻,未見(jiàn)綠色陽(yáng)性細(xì)胞,HTK保存受體組可見(jiàn)大量綠色陽(yáng)性凋亡細(xì)胞,明顯較高壓干燥保存受體組增加。對(duì)照組、即刻移植受體組、HTK保存受體組、高壓干燥保存受體組細(xì)胞凋亡指數(shù)分別為(1.08±0.56)、(2.13 ± 1.71)、(26.72 ± 5.23)、(5.04 ± 1.77)%,組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。與對(duì)照組、即刻移植受體組細(xì)胞凋亡指數(shù)比較,高壓干燥保存受體組、HTK保存受體組升高(P<0.01);高壓干燥保存受體組凋亡指數(shù)較HTK保存受體組降低(P<0.01)。見(jiàn)圖2。
圖2 各組小鼠心肌組織形態(tài)學(xué)觀察結(jié)果(×400)Figure 2 Myocardial histomorphology of different groups of mice(×400)
日本學(xué)者YoShida等[1]認(rèn)為組織或細(xì)胞的結(jié)構(gòu)未受損且其內(nèi)的結(jié)合水不受影響的情況下,游離水的減少可以降低新陳代謝率從而延長(zhǎng)組織保存時(shí)間?;诖?,他們進(jìn)行了一系列的高壓干燥保存研究,發(fā)現(xiàn)將大鼠供心懸掛暴露于(氧分壓:1600 hPa,一氧化碳分壓:400 hPa)高壓環(huán)境中保存24 h,移植后復(fù)跳率可達(dá)80%。本研究在日本學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,將小鼠供心懸掛于(氧分壓:3200 hPa,一氧化碳分壓:800 hPa)的高壓環(huán)境中保存24 h,并與臨床上常用的HTK液浸泡保存方法進(jìn)行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn),高壓干燥保存受體組復(fù)跳率為66.7%,低于日本學(xué)者80%的復(fù)跳率,但遠(yuǎn)高于HTK保存受體組(8.3%)。供心移植后2 h,高壓干燥保存受體組功能評(píng)分優(yōu)于HTK保存受體組,移植24h后供心HE染色心肌病理改變高壓干燥保存受體組較HTK保存受體組輕。這在一定程度上說(shuō)明了,在一氧化碳(一氧化碳分壓:800 hPa)和氧氣(氧分壓:3200 hPa)的高壓干燥環(huán)境中保存供心,能夠減少供心在冷缺血時(shí)的心肌細(xì)胞壞死,促進(jìn)移植再灌注后供心心臟功能的恢復(fù)。
自噬在心肌的缺血及再灌注過(guò)程中均發(fā)揮著一定作用[4]。在急性和慢性缺血狀態(tài)下自噬均可被啟動(dòng),當(dāng)心肌細(xì)胞處于如缺血造成的營(yíng)養(yǎng)缺乏狀態(tài)時(shí),細(xì)胞內(nèi)ATP水平下降,胞內(nèi)自噬體會(huì)明顯增加[5],此時(shí)自噬通過(guò)清除無(wú)用細(xì)胞器和蛋白質(zhì)為細(xì)胞提供能量,發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用。此外自噬也有可能通過(guò)抑制心肌細(xì)胞凋亡發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用[5],可能與損傷的線粒體被吞噬,減少了促凋亡物質(zhì)的釋放有關(guān)。在再灌注階段,自噬作用是增強(qiáng)的,該階段自噬的產(chǎn)生主要依賴于Beclin1的表達(dá)增強(qiáng),對(duì)心肌有害[6]。因過(guò)度的自噬會(huì)加重細(xì)胞損傷、促進(jìn)細(xì)胞死亡,且這種死亡方式不同于凋亡或壞死,稱為自噬性死亡或Ⅱ型程序性細(xì)胞死亡[7]。LC3-Ⅱ是自噬的標(biāo)記分子,可用以評(píng)價(jià)自噬強(qiáng)度。結(jié)合本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,即刻移植受體組供心未經(jīng)保存,復(fù)灌后自噬較對(duì)照組升高,原因除了急性缺血狀態(tài)下自噬增加以外還考慮有復(fù)灌后再灌注階段自噬作用的進(jìn)一步增強(qiáng)。高壓干燥保存受體組與HTK保存受體組供心相比,自噬標(biāo)志性蛋白LC3-Ⅱ表達(dá)含量增加,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,移植后供心功能的恢復(fù)及檢測(cè)指標(biāo)優(yōu)于HTK保存受體組,考慮在干燥保存狀態(tài)下保存供心,供心處在離體狀態(tài),無(wú)血液灌注,在保存過(guò)程中自噬作用增強(qiáng),通過(guò)清除無(wú)用細(xì)胞器為細(xì)胞提供能量,對(duì)細(xì)胞有保護(hù)作用。
細(xì)胞凋亡是心肌缺血再灌注損傷的主要機(jī)制之一[8],特定的基因調(diào)控細(xì)胞凋亡Bcl-2家族是與細(xì)胞凋亡關(guān)系密切的基因之一。Bcl-2為抗凋亡蛋白[9-10],是參與調(diào)控凋亡的關(guān)鍵因素,常被用作凋亡的檢測(cè)指標(biāo)[11]。本研究中由Tunnel染色結(jié)果推測(cè)即刻移植受體組供心在再灌注階段啟動(dòng)了抗凋亡作用有關(guān)。高壓干燥保存受體組的Bcl-2蛋白表達(dá)高于HTK保存受體組,這一結(jié)果與Tunnel染色結(jié)果相吻合。這些結(jié)果在一定程度上表明,心肌細(xì)胞的凋亡程度與心肌冷缺血再灌注損傷程度相關(guān),高壓干燥保存有可能通過(guò)上調(diào)Bcl-2蛋白的表達(dá),抑制心肌細(xì)胞凋亡,從而減輕供心冷缺血再灌注損傷。
根據(jù)本研究的凋亡檢測(cè)結(jié)果,推測(cè)外源性一氧化碳在高壓干燥保存方法中發(fā)揮了重要作用。內(nèi)源性一氧化碳主要來(lái)源于血紅素氧合酶系統(tǒng),HO-1將血紅素降解為一氧化碳、鐵和膽綠素[12],內(nèi)源性一氧化碳具有重要的生理作用和增加機(jī)體抗損傷的作用,但是通過(guò)增加內(nèi)源性一氧化碳來(lái)達(dá)到減輕病理性變化的方法復(fù)雜,是非特異性、難以量化和調(diào)控的。近年來(lái)的研究表明,外源性一氧化碳也有具有抗炎癥[13]、抗氧化[14]及抗細(xì)胞凋亡[15]等作用。Akamatsu等[16]研究表明,取心前將供體小鼠放入一氧化碳濃度為400/100萬(wàn)的環(huán)境中,同時(shí)在保存過(guò)程中將供心浸泡在含有一氧化碳濃度為1%的UW液中,能明顯減少供心的冷缺血再灌注損傷,供心心肌細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞凋亡明顯減少[17-18]。但體內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí),吸入的外源性一氧化碳可能會(huì)受到血紅蛋白的影響,多數(shù)與血紅蛋白結(jié)合,抑制了一氧化碳抗凋亡作用的發(fā)揮。與其他研究不同,本研究將供心直接暴露在富含一氧化碳的高壓干燥環(huán)境中,一氧化碳的調(diào)節(jié)作用直接作用于供心。本研究中Tunnel染色及Bcl-2蛋白檢測(cè)結(jié)果,也說(shuō)明了一氧化碳有抑制心肌細(xì)胞凋亡、延長(zhǎng)保存時(shí)間的效果。
綜上所述,本研究認(rèn)為高壓干燥(氧分壓:3200 hPa,一氧化碳分壓:800 hPa)的保存方式是一種有效的心臟保存方法,該保存方法可能利于冷缺血過(guò)程中自噬作用的發(fā)揮,通過(guò)清除無(wú)用的細(xì)胞器和蛋白質(zhì)為心肌細(xì)胞提供能量,達(dá)到保護(hù)心肌的作用,此外,該保存方法利用高壓一氧化碳作用于心肌細(xì)胞,使心肌細(xì)胞中Bcl-2蛋白上調(diào),抑制心肌細(xì)胞凋亡,減輕心肌缺血再灌注損傷,延長(zhǎng)了供心保存時(shí)間,但其機(jī)制仍值得進(jìn)一步探討。
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