重復-Gx加速度暴露對家兔心臟結構的影響*

周必業(yè)， 李 靖, 李鳴皋, 孫海文, 周家興, 韓 磊

(解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學中心空潛科, 北京 100048)

除+Gz外，艦載飛行較其他高性能戰(zhàn)機在彈射起飛及攔阻著艦過程還受到很大的水平加速度(±Gx)[1-3]作用， 其對心血管系統(tǒng)影響非常顯著。研究顯示，+Gx的G值不太高時，動脈血壓輕度升高，主要原因為心輸出量輕度增加及血管外周阻力增大。當G值過高引起心率減慢、心輸出量減少時，動脈血壓又有所降低[1，2]。攔阻著艦時因受到-Gx作用，同時其帶來的高度應激反應會導致體內應激反應相關的激素大量分泌，這些生理及心理上的變化無疑會對心臟功能產生很大的影響[3，4]，-Gx與 +Gx只是方向不同，那么它對人體影響是否與+Gx有所不同，因此我們設計了本實驗。本實驗利用國內唯一的生物水平加速度平臺，以雄性新西蘭家兔為實驗對象，觀察重復-Gx加速度暴露對實驗動物心臟組織結構影響，并探索其可能的作用機制。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及分組

1月齡的雄性新西蘭家兔20只，體重1.2～1.4 kg，購自軍事醫(yī)學科學院實驗動物中心。隨機分為兩組(n=10):對照組和水平加速度暴露組。購回后飼養(yǎng)一周，準備實驗。

1.2 實驗設備

隔水式恒溫培養(yǎng)箱(上海一恒 GHP-9050)、電子天平(舜宇恒平儀器 SOPTOP)、電動震蕩儀(大龍 MX-E)、恒溫磁力攪拌器(新瑞儀器 85-2)、酸度計(雷磁 PHS-25)、石蠟切片機(Leica RM2125)、光學顯微鏡(Leica CM1850)、顯微鏡(奧林巴斯 CX43)、Leica EM AMW 全自動微波組織處理機(德國Leica)、H-7650 透射電子顯微鏡(日本Hitachi)；EMUC7 超薄切片機(德國Leica)，水平加速度平臺(與領邦儀器合作研制)等。

1.3 實驗試劑

甲醛、丙酮(滬試 10000418)、中性樹膠(上海標本模型廠)、無水乙醇(振興化工 XK13-011-0036)、二甲苯(滬試 100234192)、蘇木精-伊紅、戊二醛、磷酸、醋酸鈾-枸櫞酸鉛、Na2HPO4·12H2O(滬試 10020318)、NaH2PO4·2H2O(滬試 20040718)、檸檬酸(滬試 10007118)、ECL(Millipore)、甲醇(國藥)、璜基水楊酸(國藥)、TCA(國藥)、氯化鈉(國藥)等。

1.4 動物固定

實驗動物呈坐位垂直固定于座椅上，放置于動物艙中，座椅與動物艙固定牢靠后，將動物艙放置于水平加速度實驗裝置的平臺上并固定好，使動物面朝軌道運行方向。

1.5 水平加速度暴露

實驗組動物固定好后進行水平加速度暴露，水平加速度作用條件為：加速度作用方向為由胸至背(-Gx),加速度作用峰值3.6 G，加速度作用時間為2 s，模擬美軍艦載機阻攔著艦的水平加速度曲線。暴露組實驗動物每次暴露后休息5 min，然后進行下一次暴露。每個實驗動物每天暴露20次，共計暴露30 d。

對照組動物也按照實驗組動物方式在座椅上進行固定后放置于動物艙中，然后固定于水平加速度試驗平臺上，所有程序同暴露組，只是不進行水平加速度暴露。

每日實驗結束后將實驗組和對照組動物放回動物房中。

1.6 標本留取與保存

末次水平加速度暴露結束后，將實驗組和對照組動物靜脈注射空氣處死，迅速留取家兔的心臟，并將部分心肌組織置于固定液中進行固定，部分心肌組織置于凍存管中放入液氮罐中保存。

1.7 HE染色(大體組織結構)

心臟經4%PA灌注固定6～8 h，流水沖洗24 h，再用10 %甲醛固定24 h，常規(guī)沖洗后，經梯度乙醇溶液進行脫水處理后， 于二甲苯中進行透明(共2次)，進行石蠟包埋，用石蠟切片機(Leica RM2125)沿著心臟長軸垂直方向進行連續(xù)切片，切片厚度為4 μm，將切片貼于多聚賴氨酸處理過的載玻片上；脫臘、水化、常規(guī)蘇木精-伊紅染色、脫水、透明、封片。將切片置于光學顯微鏡(Leica CM1850)、顯微鏡(奧林巴斯 CX43)下進行觀察，并用數碼相機進行拍照。

1.8 超微結構(電鏡)

每只家兔取心臟左室組織2塊，組織塊須小于1 mm3，2.5%戊二醛固定液中固定2 h， 0.1 mol/L磷酸漂洗液漂洗15 min/次，共三次；將心臟和組織塊置于1%鋨酸固定液中固定2～3 h； 0.1 mol/L磷酸漂洗液漂洗15 min/次，共三次；乙醇、丙酮梯度脫水、包埋、固化，將心臟和肺臟的組織標本放置于EMUC7 超薄切片機(德國Leica)上進行切片，切片厚度為 50～60 nm，用3%醋酸鈾-枸櫞酸鉛進行染色。將切片標本用H-7650 透射電子顯微鏡(日本Hitachi)進行觀察，選取不同部位進行拍片。

2 結果

2.1 -Gx加速度對家兔心臟大體組織形態(tài)的影響

光學顯微鏡下觀察兩組家兔心肌的HE染色切片可見，對照組家兔的心肌細胞形態(tài)正常，肌纖維排列相對整齊而致密，胞核深染現象較少，心肌細胞間質含量較少(圖1)；實驗組(水平加速度暴露組)家兔心肌切片在光學顯微鏡下觀察，其心肌細胞的形態(tài)及排列等與對照組無顯著區(qū)別(圖2)。提示，水平加速度暴露對實驗動物心肌的大體組織結構并未產生顯著的影響(圖1，圖2見彩圖頁Ⅴ)。

2.2 -Gx加速度對家兔心臟組織超微結構的影響

透射電鏡下觀察兩組家兔心肌組織的超微結構可見，對照組家兔心肌纖維為有分支的圓柱體，相鄰肌纖維彼此相連呈網狀；心肌肌膜完整，表面不平有橫行紋理和網狀纖維圍繞，肌纖維間有少量的膠原纖維和毛細血管；可見A帶、I帶、H帶和Z線等條紋；細胞核位于細胞中心，核膜清晰完整；可見心肌的閏盤呈階梯形，結構清晰且完整；心內膜細胞在電鏡下結構完整清晰，細胞形態(tài)正常(圖3)。

Fig. 3 Myocardial fiber and ultrastructure of myocardial cells in control group

實驗組家兔心肌在透射電鏡下可見心肌纖維斷裂、排列紊亂、心肌細胞水腫、核膜擴張、血管內皮基膜分離、心肌閏盤結構尚完整。上述改變提示，水平加速度暴露可導致家兔心肌超微結構的損傷性改變(圖4)。

Fig. 4 Myocardial fiber and ultrastructure of myocardial cells in-Gx explore group

3 討論

航空航天醫(yī)學中+Gx是表示慣性力作用于人體X軸，由背→(指向)胸的加速度，稱為向前加速度，其慣性力方向為胸背(眼球向內)，艦載機彈射起飛或滑躍起飛及載人飛船發(fā)射或回收時受到此加速度的影響。-Gx是表示慣性力作用于人體X軸，由胸→(指向)背的加速度，加速度名稱為向后加速度，其慣性力方向為背胸(眼球向外)。艦載機飛行員攔阻著艦阻時受到此加速度的影響。有文獻報道，彈射及滑躍式起飛和攔阻著艦時，飛行員在2 s左右時間內所受載荷為4～6±Gx[1，4]。+Gx的G值不太高時，會增加胸廓重量，使胸廓受壓，前后徑縮短，胸腔容積減少，吸氣肌負擔增加，腹壁受到重壓并造成腹腔臟器相互擠壓，導致腹內壓升高，動脈血壓輕度升高，主要原因為心輸出量輕度增加及血管外周阻力增大。當G值過高引起心率減慢、心輸出量減少時，動脈血壓又有所降低。當采取一定背角時,由于慣性力所包含的+Gz分量的作用，眼水平動脈壓隨著+Gx 值升高而相應降低。在一定G值范圍內，心率隨著+Gx值增大而加快。人暴露于+3.5Gx時,心率平均每分鐘增加24次, +5Gx時,每分鐘增加72次。但當高G值+Gx如+12Gx作用15～20 s后,心率可急劇減少到30～40次/min[1，5]。

心肌細胞間的連接處稱閏盤(intercalated disc)，在HE染色體的標本中呈著色較深的橫形或階梯狀粗線。閏盤位于Z線水平，由相鄰兩個肌纖維的分支處伸出許多短突相互嵌合而成，常呈階梯狀，在連接的橫位部分，有中間連接和橋粒，起牢固的連接作用，在連接的縱位部分，有縫隙連接，便于細胞間化學信息的交流和電沖動的傳導[6]。

飛行員在飛行過程中，需要克服缺氧、加速度、心理應激等一系列挑戰(zhàn)，這些因素均能影響心肺功能，因而對心肺功能有著高于一般人的要求，研究顯示在正負加速度作用下，可使普通人心血管器官功能不全，回心血量減少，有效循環(huán)血量不足。在2、3、4個G值時，心臟每搏輸出量分別減少24%、37%、49%，使心臟以上血壓降低。造成頭部缺血缺氧，引起灰視、黑視、嚴重的可導致意識喪失，這些變化可能只是短暫的，但是對于飛行過程卻往往可能是致命的。關于+Gz對心臟影響的研究比較多，Burton[7]和Mackenzie[8]發(fā)現在高Gz環(huán)境下，小型豬左心室內膜下有不同程度出血和應激性心肌病理損傷。鄭軍[9]報道大鼠在高Gz值環(huán)境中暴露一定的時間，心肌細胞和血管內皮細胞水腫、肌原纖維排列疏松、線粒體和細胞核損傷。陸江陽[10]等發(fā)現將大鼠分別暴露于+1、+10 Gz 各5 min(每周3次，共3周)及30 s(每天5次，每周3次，共3周)，+10 Gz 組心肌細胞基質水腫、肌原纖維離散、線粒體變性、閏盤結構解離。Cayce報道一名37歲的F15戰(zhàn)斗機飛行員在8 Gz訓練后發(fā)生了急性心肌梗死[11]。牛忠英[12]等觀察雄性恒河猴分別承受+15 Gx/ 200 s、+18 Gx/ 16 s和+21 Gx/140 s模擬航天超重作用，發(fā)現實驗組心肌纖維扭曲、斷裂，心肌細胞出現不同程度的腫脹、空泡變性，排列紊亂，心肌間質血管充血，灶性出血，心肌組織損傷程度隨著超重作用的加大而加劇。王玉蘭[13]等觀察到在+Gx沖擊作用下家犬出現以肺臟、心臟為主的廣泛內臟損傷。以上研究結果說明各種加速度只要達到一定值及作用時間，對心臟造成損傷是肯定的。目前尚未檢索到國內外在-Gx對心臟影響方面影響的研究。在軍事醫(yī)學相關研究中電磁輻射對心肌引起的損傷也頗受重視[14]，李寶豐[15]等對大鼠接受電磁脈沖輻照(輻照參數為場強200 kV/m，脈沖前沿3.5 ns，脈寬14 ns，重復頻率1 Hz)研究發(fā)現，上述劑量輻照后的大鼠12 h心肌超微結構變化不明顯，24 h 變化最為明顯，表現為肌漿網擴張，線粒體腫脹，嵴排列紊亂、減少甚至空泡化，閏盤間隙增寬、達正常的5 ～6 倍，核內異染色質的邊集。48 h明顯好轉，96 h 已基本恢復正常。說明肌漿網擴張，線粒體腫脹，嵴排列紊亂、減少甚至空泡化，閏盤間隙增寬這些變化可能是可逆的。

本實驗中，對照組成年家兔的心臟組織在光鏡下觀察，其組織結構完整，細胞膜、細胞核和細胞器清晰可見，呈現出組織細胞在正常狀態(tài)下應有的表現，與對照組無明顯差異。而在透射電鏡觀察下，與對照組相比，可見實驗組家兔心肌表現為心肌纖維斷裂、排列紊亂、心肌細胞水腫、核膜擴張、血管內皮基膜分離等，提示心肌組織在水平加速度暴露后已經發(fā)生了超微結構的損傷性改變。上述結果提示，模擬攔阻著艦的水平加速度暴露對實驗動物的心臟組織可造成一定的損傷，導致實驗動物的心臟發(fā)生超微結構的損傷性改變，這種損傷很大程度上可能是由于加速度引起的擠壓、臟器牽拉、移位等作用而發(fā)生的，心臟的變形能力較差，過高的G值可以導致心室壓力和血壓急劇升高，嚴重者可引起心臟破裂[16，17]。-Gx不會引起明顯的血液向下身轉移，因而不會引起回心血量的減少，但在-Gx作用時心臟做功增加，心肌耗氧量大大增加，使得心肌氧分壓降低，代謝產物增多，這些作用因素可直接擴張冠狀動脈，使冠脈血流量增加，減少-Gx的損傷。因此這種損傷的程度較輕，且可能存在一定的累積效應及可逆性，所以在大體結構層面并未觀察到明顯的損傷性變化。同時這種損傷也可能與生理應激有一定關系。提示要重視水平加速度對心臟可能的損傷防護。本研究對艦載機飛行員的生理心理保護有重要意義。