不同β-腎上腺素能受體對(duì)低氧應(yīng)激大鼠心臟舒縮功能的影響*

紀(jì)巧榮， 張 昱， 劉 杰， 曹成珠， 周 振， 袁周陽， 張 偉

(青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院， 青海省高原醫(yī)學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青海 西寧 810001)

應(yīng)激(stress)是機(jī)體受到內(nèi)外環(huán)境刺激時(shí)出現(xiàn)的一種重要的非特異性防御反應(yīng)。下丘腦-垂體-腎上腺皮質(zhì)系統(tǒng)(hypothalamus-pituitary-adrenal cortex system，HPA)和交感-腎上腺髓質(zhì)系統(tǒng)(sympathetic-adrenal medulla system)的激活作為重要的神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)[1]，在應(yīng)激反應(yīng)中起著重要的調(diào)節(jié)作用。交感-腎上腺髓質(zhì)系統(tǒng)的激活可引起兒茶酚胺(catecholamine，CA)類激素分泌增加，例如去甲腎上腺素(norepinephrine，NE)和腎上腺素(epinephrine，E)等大量釋放會(huì)激活不同腎上腺素能受體，從而發(fā)揮針對(duì)心血管的調(diào)節(jié)作用，其中β-腎上腺素能受體(β-adrenergic receptor，β-AR)的激活在應(yīng)激代償調(diào)節(jié)中更具有意義。相關(guān)研究已證實(shí)內(nèi)源性腎上腺素對(duì)低氧應(yīng)激機(jī)體具有一定的保護(hù)作用，可能與肺循環(huán)中β-AR作用占主要優(yōu)勢(shì)有關(guān)[2]，但低氧應(yīng)激下β-AR激活對(duì)心臟泵血功能的影響還不是很清晰。因此，研究低氧應(yīng)激下不同β-AR對(duì)心臟泵血功能的影響對(duì)急性高原病的防治具有重要的臨床意義。

材 料 和 方 法

1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

健康雄性SD大鼠購于北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司，許可證號(hào)：SCXK(京)2012-0001，No.11400700064575，體重(300±20)g。動(dòng)物的使用和處理經(jīng)過青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1動(dòng)物分組 大鼠隨機(jī)分為 4 組(n=7)：正常對(duì)照(control)組、非選擇性β-腎上腺素能受體阻斷劑普萘洛爾組(propranolol group)、選擇性β1-腎上腺素能受體阻斷劑阿替洛爾組(atenolol group)和選擇性β2-腎上腺素能受體阻斷劑ICI 118,551組，其中control組經(jīng)股靜脈插管給予0.1 mL的生理鹽水，其余各給藥組經(jīng)股靜脈插管分別給予普萘洛爾(3 g/L，1 mg/kg)、阿替洛爾(6 g/L，2 mg/kg)和ICI 118,551(1.5 g/L，0.5 mg/kg)各0.1 mL，各藥物的使用劑量是根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)已驗(yàn)證的最適有效作用劑量[3]；分別于常氧(西寧，海拔2 260 m，20.9 % O2，79.1 % N2)和低氧(15.0 % O2，85.0 % N2)通氣狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該低氧通氣模型已在前期低氧影響肺循環(huán)的研究中證實(shí)是有效的急性低氧應(yīng)激模型[4]。

2.2實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 各組大鼠禁食12 h 后，用2.5 %戊巴比妥鈉(50 mg/kg，i.p.)麻醉并仰臥固定于恒溫加熱板(154 Huron Avenue Clifton，NJ 07013 USA)上，頸前正中和左腹股溝區(qū)備皮，直腸溫度反饋維持體溫在36.5 ℃～37.5 ℃。呼吸機(jī)(950 North Hague Avenue Columbus, Ohio 43204-2121 USA)參數(shù)為呼吸頻率每分鐘70次，潮氣量6～7 mL·kg-1·min-1。壓力傳感器經(jīng)水銀檢壓計(jì)校準(zhǔn)后與PowerLab 16/35生物信號(hào)采集系統(tǒng)(AD Instruments, Australia)連接，傳感器高度維持在大鼠左心房水平。

2.3手術(shù)操作 將大鼠做頸前正中切口，分別行右頸外靜脈插管和右頸總動(dòng)脈插管，用充盈肝素生理鹽水(2×104U/L)的聚乙烯導(dǎo)管(ID 0.58 mm，OD 0.96 mm)經(jīng)右頸外靜脈導(dǎo)入右心室監(jiān)測(cè)右心室收縮壓(right ventricular systolic pressure，RVSP)及右心室內(nèi)壓最大上升及下降速率(the maximum raise/decline rate of right ventricular pressure,±dp/dtmax)；聚乙烯導(dǎo)管(ID 0.50 mm，OD 0.80 mm)經(jīng)右頸總動(dòng)脈導(dǎo)入左心室監(jiān)測(cè)左心室收縮壓(left ventricular systo-lic pressure，LVSP)及左心室±dp/dtmax；左側(cè)腹股溝做斜行切口，鈍性分離股靜脈，行股靜脈插管(ID 0.58 mm, OD 0.96 mm)用于靜脈給藥。待各項(xiàng)指標(biāo)趨于平穩(wěn)，對(duì)照組經(jīng)股靜脈給生理鹽水0.1 mL，各藥物組經(jīng)股靜脈給予相應(yīng)藥物0.1 mL，待藥物作用10 min后，分別在常氧及低氧通氣狀態(tài)下監(jiān)測(cè)記錄心率(heart rate，HR)、LVSP、RVSP及左、右心室±dp/dtmax的變化。

2.4動(dòng)脈血?dú)夥治?各組大鼠在常氧和低氧通氣5 min時(shí)取動(dòng)脈血約20 μL，進(jìn)行動(dòng)脈血?dú)夥治?梅州康立高科技有限公司，BG-800A)。

3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用StatView 5.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示。各組內(nèi)均數(shù)兩兩比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)，組間均數(shù)比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，多組均數(shù)比較采用單因素方差分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1 低氧通氣前后動(dòng)脈血?dú)夥治鼋Y(jié)果

各組大鼠低氧通氣前后分別采集動(dòng)脈血進(jìn)行血?dú)夥治鰧?duì)比，結(jié)果顯示，與常氧下比較，低氧通氣5 min后各組大鼠動(dòng)脈血pH值的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性；各組大鼠動(dòng)脈血氧分壓(arterial partial pressure of oxygen，PaO2)均明顯降低(P<0.05)，且動(dòng)脈血二氧化碳分壓(arterial partial pressure of carbon dioxide，PaCO2)處于正常范圍，見表1。

表1 低氧通氣前后動(dòng)脈血?dú)夥治鼋Y(jié)果

*P<0.05,**P<0.01vs20.9% O2condition of same group.

2 常氧和低氧下各實(shí)驗(yàn)組大鼠心臟舒縮功能指標(biāo)變化的描記結(jié)果

應(yīng)用PowerLab 16/35生物信號(hào)采集系統(tǒng)分別描記常氧和低氧下各實(shí)驗(yàn)組大鼠心臟舒縮功能指標(biāo)變化曲線，結(jié)果顯示，常氧下propranolol組和atenolol組的HR、LVSP、RVSP和左、右心室±dp/dtmax較給藥前明顯下降；低氧通氣5 min后propranolol組與ICI 118,551組的RVSP和右心室±dp/dtmax明顯升高，說明常氧下心臟β1-AR的阻斷會(huì)明顯降低全心的舒縮功能，低氧下心臟β2-AR的阻斷會(huì)增強(qiáng)右心室的舒縮功能，見圖1。

3 常氧下各實(shí)驗(yàn)組大鼠心臟舒縮功能指標(biāo)的變化

通過對(duì)常氧下各實(shí)驗(yàn)組大鼠心臟舒縮功能指標(biāo)變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析顯示，propranolol組和atenolol組藥物作用10 min 后，HR、LVSP、RVSP及左、右心室±dp/dtmax均降低，ICI 118,551組僅LVSP和左心室±dp/dtmax降低(P<0.05)，見表2，表明阻斷心臟β-AR后影響了心肌正常舒縮功能的維持，表現(xiàn)為左、右心室舒縮能力均較給藥前明顯降低。

4 低氧下各實(shí)驗(yàn)組大鼠心臟舒縮功能指標(biāo)的變化

通過對(duì)低氧下各實(shí)驗(yàn)組心臟舒縮功能指標(biāo)變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析顯示，低氧通氣5 min后control組左心室舒縮力顯著降低，但右心室舒縮力則明顯升高；且propranolol組、atenolol組和ICI 118,551組右心室舒縮力也顯著升高(P<0.05)。進(jìn)一步對(duì)各指標(biāo)變化程度進(jìn)行分析顯示，低氧control組各項(xiàng)指標(biāo)的改變程度較propranolol組和atenolol組明顯，即control組左心室±dp/dtmax較常氧時(shí)分別降低了19.7%和24.6%，右心室±dp/dtmax較常氧時(shí)分別升高了10.5%和14.9%；propranolol組左心室±dp/dtmax較常氧時(shí)分別降低了14.4%和19.5%，右心室±dp/dtmax較常氧時(shí)分別升高了9.4%和13.5%；atenolol組左心室±dp/dtmax較常氧時(shí)分別降低了12.8%和24.8%，右心室±dp/dtmax較常氧時(shí)分別升高了2.5%和11.0%；ICI 118,551組左心室±dp/dtmax較常氧時(shí)分別降低了24.6%和21.1%，右心室±dp/dtmax較常氧時(shí)分別升高了5.2%和13.2%，見表3。以上結(jié)果說明低氧應(yīng)激對(duì)左、右心室心肌舒縮能力的影響是不一致的，且低氧下右心心肌代償性的舒縮反應(yīng)增強(qiáng)參與了低氧下右心功能的維持；同時(shí)低氧應(yīng)激下β2-AR可能通過參與對(duì)肺循環(huán)血管的調(diào)節(jié)作用以維持肺循環(huán)和體循環(huán)間血流量的平衡。

討 論

應(yīng)激時(shí)交感神經(jīng)興奮和兒茶酚胺釋放對(duì)心血管的作用主要通過激動(dòng)β-AR來實(shí)現(xiàn)，會(huì)引起心率加快和心肌收縮力增強(qiáng)等，以獲得環(huán)境突變時(shí)的心輸出量儲(chǔ)備。β-AR主要分為β1-AR、β2-AR和β3-AR 3種亞型，其中β1-AR主要分布在心肌細(xì)胞膜，對(duì)心臟的收縮性、自律性及傳導(dǎo)性具有重要的調(diào)節(jié)作用；β2-AR主要分布于支氣管平滑肌、骨骼肌血管及冠狀血管等，介導(dǎo)平滑肌舒張和血管擴(kuò)張[5]。本研究選用非選擇性β-AR阻斷劑普萘洛爾，阻斷β1-AR和β2-AR，拮抗交感神經(jīng)興奮及兒茶酚胺的作用；同時(shí)選用選擇性β1-AR阻斷劑阿替洛爾及選擇性β2-AR阻斷劑ICI 118,551分別阻斷β1-AR和β2-AR，進(jìn)一步明確低氧下不同亞型β-AR在調(diào)控心肌舒縮功能中的作用[6]。

實(shí)驗(yàn)通過呼吸機(jī)吸入室內(nèi)空氣和低氧氣體制作常氧和低氧的大鼠通氣模型，于通低氧前后進(jìn)行動(dòng)脈血?dú)鈱?duì)比，達(dá)到了研究急性低氧應(yīng)激大鼠的實(shí)驗(yàn)效果[4]。

Figure 1. The tracing chart of cardiac function indexes in all groups under normoxia and hypoxia conditions.

圖1常氧和低氧下各實(shí)驗(yàn)組大鼠心臟舒縮功能指標(biāo)變化的描記圖

低氧應(yīng)激下control組的LVSP和左心室±dp/dtmax較常氧降低，而RVSP和右心室±dp/dtmax則較常氧升高，提示低氧應(yīng)激對(duì)左、右心室的影響是不一致的，低氧下左心室表現(xiàn)出了舒縮能力降低，而右心室則表現(xiàn)出舒縮能力的增強(qiáng)。分析認(rèn)為，機(jī)體的急性低氧會(huì)使心臟供氧減少[7]，隨著無氧代謝增強(qiáng)產(chǎn)生的酸性代謝產(chǎn)物增多，可直接影響心肌細(xì)胞肌漿網(wǎng)鈣泵對(duì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+的攝取和回收[8]，誘發(fā)心肌舒張速率的下降；同時(shí)，低氧引起代謝性酸中毒時(shí)，血管內(nèi)的氫離子會(huì)降低血管對(duì)兒茶酚胺等縮血管物質(zhì)的反應(yīng)性誘使外周血管舒張[9]，將進(jìn)一步減少心臟的回心血量，影響心臟的舒縮功能，進(jìn)而使平均系統(tǒng)動(dòng)脈壓明顯降低。Mendoza等[10]及Huang等[11]的研究也表明，低氧應(yīng)激大鼠的平均系統(tǒng)動(dòng)脈壓可明顯降低。對(duì)于右心室而言，低氧可直接引起肺循環(huán)血管的收縮[12]，促使肺動(dòng)脈壓力升高、加重右心室的后負(fù)荷。隨著右心室舒張期回心血量的不斷增加，右心室前負(fù)荷也將相應(yīng)增大，依據(jù)Frank-Starling機(jī)制[13]，一定程度的心室前負(fù)荷增加引起的心肌纖維長度增加可誘發(fā)心肌緊張?jiān)葱詳U(kuò)張，增強(qiáng)心肌收縮能力。由此誘發(fā)右室心肌產(chǎn)生緊張?jiān)葱詳U(kuò)張，可代償性增強(qiáng)右心室的收縮力，表現(xiàn)為右心室±dp/dtmax的升高。急性低氧時(shí)右心室后負(fù)荷的增加又會(huì)加重體循環(huán)的淤血和有效循環(huán)血量的降低，只有通過增加右心做功才能保障更多的血液進(jìn)入到肺循環(huán)，以此維持左心的回心血量。本課題組前期的相關(guān)研究[14-15]均證實(shí)了低氧應(yīng)激大鼠右心室收縮壓升高，且升高的程度與低氧持續(xù)時(shí)間在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)，這也與上述結(jié)果相符合。

表2 常氧下藥物作用10 min 后各組大鼠心臟舒縮功能指標(biāo)的變化

*P<0.05vs0 min of same group;#P<0.05vs10 min of control group.

表3 低氧通氣5 min后各組大鼠心臟舒縮功能指標(biāo)的變化

*P<0.05vs0 min of same group;#P<0.05vs5 min of control group.

β-AR阻斷劑可競(jìng)爭(zhēng)性地與β-AR結(jié)合而拮抗腎上腺素能神經(jīng)遞質(zhì)及β-AR激動(dòng)的效應(yīng)，主要包括對(duì)心臟功能的抑制和對(duì)部分血管平滑肌的舒張作用。心臟β1-AR阻斷引起心肌舒縮力降低、心輸出量減少，延緩房室間傳導(dǎo)，且冠脈β2-AR阻斷會(huì)影響心臟的供血、供氧，故心肌β-AR不同亞型阻斷劑均可影響心臟功能的維持。非選擇性β-AR阻斷劑propranolol以及選擇性β1-AR阻斷劑atenolol可通過阻斷心肌細(xì)胞β1-AR進(jìn)而影響心臟舒縮功能，表現(xiàn)為心室內(nèi)收縮壓及±dp/dtmax的降低；選擇性β2-AR阻斷劑ICI 118,551阻斷冠脈血管β2-AR，進(jìn)而影響心臟的舒縮功能[6]。為明確不同亞型β-AR對(duì)低氧應(yīng)激大鼠心肌舒縮力的調(diào)節(jié)效應(yīng)，應(yīng)用不同亞型β-AR阻斷劑后給予低氧通氣刺激顯示，低氧下control組和ICI 118,551組的右心室內(nèi)壓及±dp/dtmax升高較propranolol組和atenolol組更為明顯，認(rèn)為可能與propranolol、atenolol阻斷心肌β1-AR以后，心肌的舒縮功能已降低，對(duì)其它刺激的反應(yīng)性降低，故低氧下2組大鼠心肌舒縮功能指標(biāo)改變不明顯。對(duì)于低氧propranolol組和atenolol組大鼠而言，β1-AR抑制產(chǎn)生的心臟的舒縮功能減弱和低氧應(yīng)激下右心室緊張?jiān)葱詳U(kuò)張引起的收縮力增強(qiáng)2種因素同時(shí)存在，因此右心室心肌舒縮功能的最終狀況取決于這2種因素哪一種占優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)低氧control組與propranolol組和atenolol組的RVSP、右心室±dp/dtmax變化量對(duì)比可看出，低氧下β1-AR阻斷后右心舒縮力反而升高，但沒有低氧control組升高的明顯，這表明β1-AR的阻斷對(duì)心功能還是起到了一定的抑制作用，然而低氧應(yīng)激引發(fā)的右心室代償性增強(qiáng)作用更為明顯。此外，低氧下ICI 118,551組大鼠右心舒縮能力升高明顯，認(rèn)為β2-AR可能通過增加肺血管壓，進(jìn)而增加右心室血液充盈量，誘發(fā)右室舒縮能力的增加，進(jìn)一步維持低氧應(yīng)激下大鼠肺循環(huán)和體循環(huán)間的血流量平衡。

綜上所述，急性低氧應(yīng)激時(shí)交感興奮引起的神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)及心臟β1-AR的激活是心臟發(fā)揮代償調(diào)節(jié)作用的重要方式，對(duì)心臟的舒縮功能起著重要的調(diào)節(jié)作用。同時(shí)，急性低氧下右心室可通過自身緊張?jiān)葱詳U(kuò)張代償引起右心收縮力增強(qiáng)，以此協(xié)調(diào)肺循環(huán)和體循環(huán)間的血流量，可見低氧應(yīng)激下右心室的代償作用在調(diào)節(jié)機(jī)體血流動(dòng)力學(xué)方面顯得尤為重要。