沙塵暴PM 2.5顆粒對(duì)大鼠心電的影響?

孫小龍 李星輝 華永芬 王立君 韓俊先

沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)將地面塵沙吹起使空氣混濁,水平能見度小于1 km 的天氣現(xiàn)象。研究表明沙塵天氣發(fā)生時(shí),大氣中不同粒徑的顆粒物(particle matter,PM)濃度明顯升高對(duì)人體危害極大,其中最為熟悉的是空氣動(dòng)力學(xué)直徑＜10μm 的可吸入顆粒物(inhalable particles,PM 10),PM 10又可分為粗顆粒物(coarse particles,PMc)、細(xì)顆粒物(Fine particles,PM2.5)、超 細(xì) 顆 粒 物(ultrafine particles,UFP)[1]。細(xì)顆粒物PM2.5易沉積于細(xì)支氣管和肺泡,影響肺巨噬細(xì)胞的吞噬功能,引起咳嗽、過敏和支氣管炎等呼吸系統(tǒng)疾病[2]。PM2.5還可通過局部氧化損傷、炎癥反應(yīng),使促炎介質(zhì)及血管活性分子進(jìn)入血液循環(huán)促使血液粘稠度升高、局部缺血的形成,導(dǎo)致心肌梗死、缺血性卒中、心力衰竭、心律失常等心血管疾病的發(fā)生[3－4]。既往多數(shù)研究PM2.5的來(lái)源多為工業(yè)廢氣、機(jī)動(dòng)車尾氣、燃料燃燒等[5],而甘肅河西走廊地區(qū)由于獨(dú)特的地理環(huán)境,干旱明顯、存在大面積的沙漠和戈壁,是中國(guó)北方沙塵暴的第二大源區(qū),也是沙塵暴頻繁發(fā)生的地區(qū)[6]。本研究采集河西走廊的沙塵顆粒,研究不同濃度的PM2.5對(duì)大鼠心電變化等影響,以探討沙塵顆粒與當(dāng)?shù)鼐用裥穆墒С５燃膊〉南嚓P(guān)性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及材料

選取60只15周齡SPF級(jí)雄性健康Wistar大鼠,體重(361.5±23.60)g,購(gòu)自甘肅中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心[合格證號(hào):SYXK(甘)2015－0005]。在SPF級(jí)的動(dòng)物房適應(yīng)性喂養(yǎng)1周,自由進(jìn)食水。實(shí)驗(yàn)所用沙塵暴PM2.5由甘肅省河西走廊地區(qū)武威市環(huán)境保護(hù)局監(jiān)測(cè)中心的YH-1000 大流量TSPPM2.5采樣器[青島精誠(chéng)儀器儀表有限公司]供給。使用TEOM1405D 雙通道顆粒物監(jiān)測(cè)儀來(lái)保證沙塵暴PM2.5的粒徑大小,對(duì)于粒徑10μm 的顆粒物先經(jīng)頂端的PM 10切割頭進(jìn)入采樣系統(tǒng),再被虛擬沖擊器分離為PMc和PM2.5,進(jìn)入雙通道的顆粒物分別聚積在系統(tǒng)可更換的TEOM 濾膜上,實(shí)驗(yàn)所用沙塵暴顆粒物PM2.5均來(lái)自這些更換后的濾膜。

1.2 方法

1.2.1 沙塵暴PM2.5溶液的配制 將采有沙塵暴顆粒物PM2.5的濾膜取出并裁剪成1 cm×3 cm 大小,浸入超純水中,超聲震蕩30 min×3次,震蕩液用六層紗布過濾,濾液經(jīng)冷凍真空干燥后得到沙塵暴顆粒物PM2.5粉末,置入－20℃冰箱保存。本科研組既往實(shí)驗(yàn)表明PM2.5濃度過高容易氣管堵塞造成大鼠窒息死亡、過低引不起相應(yīng)的毒性變化,我國(guó)新?環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?(GB3095-2012)中規(guī)定,PM2.5年均限值是35μg/m3,日均限值是75μg/m3,河西走廊沙塵暴天氣下PM2.5濃度急劇升高,再結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[7]配制不同濃度的PM2.5溶液。用電子天平稱取各暴露組所需沙塵暴顆粒物PM2.5的劑量(高劑量:24 mg/kg、中劑量組:6.0 mg/kg、低劑量組1.5 mg/kg),分別用生理鹽水配置成濃度16、4、1 mg/ml的高、中、低組混懸液,經(jīng)超聲震蕩20 min混勻后備用。

1.2.2 沙塵暴顆粒物PM2.5暴露模型的建立 60只大鼠以隨機(jī)數(shù)字表法分為高、中、低劑量組以及空白組,以15只/籠飼養(yǎng),每組每只尾部用記號(hào)筆隨機(jī)編號(hào)(1～15號(hào)),在大鼠適應(yīng)性喂養(yǎng)1周(期間無(wú)大鼠死亡)后,每只大鼠按16、4、1 mg/ml的濃度及以0.15 ml/100 g的容積通過氣管插管的方式進(jìn)行氣管內(nèi)滴注。每只大鼠經(jīng)電子秤稱重、記錄體重并用10%水合氯醛以2 ml/kg的劑量行腹腔注射麻醉后固定其門齒及四肢,充分暴露咽喉部及聲門裂,將自制的氣管插管(剪取留置針的軟管10 cm,頭端剪成斜面,尾端插入塑好形的細(xì)鐵絲其管內(nèi)長(zhǎng)度不超過斜面)在聲門打開的一瞬間迅速插入其中,深度為1 cm,拔出鐵絲,將咽喉鏡移至氣管插管尾端,確認(rèn)在氣道后將不同濃度的PM2.5混懸液緩慢滴入氣管,空白組以同樣的方法滴入等量生理鹽水。滴注后多方位變換大鼠體位,使其完全入肺。每天一次,共滴注7天,每次麻醉前測(cè)量體重,觀察大鼠的毛色、反應(yīng)、呼吸、活動(dòng)量、進(jìn)食水及死亡情況。

1.2.3 心電圖檢測(cè)與分析 ①麻醉:第7天氣管滴注后用10%水合氯醛以2 ml/kg的劑量行腹腔注射麻醉。②心電圖檢查;將麻醉的大鼠3～4 min后立即固定在大鼠固定板上,防噪音,遠(yuǎn)離電離源頭,周圍無(wú)任何其他電器,最大限度降低外源性因素造成的誤差,采用Power Lab 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及Lab-Chart分析軟件(澳大利亞AD Instruments公司),記錄心電的3個(gè)電極一端與多通道生理記錄儀相連接,另一端的夾子分別夾在穿過大鼠右前肢(正極)、左前肢(負(fù)極)、右后肢(地線)皮下的針形電極上,連續(xù)記錄Ⅱ?qū)?lián)心電圖,每只大鼠記錄1 min。③軟件參數(shù)設(shè)置:采樣頻率:1 k,量程:5 m V,放大濾波器:500 Hz。④心電圖分析檢測(cè):LabChart軟件中選取連續(xù)約120 個(gè)心動(dòng)周期,ECG average view 系統(tǒng)分析,自動(dòng)記錄、導(dǎo)出心率、節(jié)律、P波、QRS波、ST 段、T 波、PR 間 期、QT 間 期、心 電 圖波形等。異常心電圖定義:人工分析每只大鼠的心電圖,其中①P-QRS-T 非順序發(fā)生,②頻率異常,③電壓異常,④傳導(dǎo)異常,⑤節(jié)律不齊,⑥ST段抬高或者壓低,T 波倒置、低平等,只要滿足上述1條即定義為異常心電圖。本次實(shí)驗(yàn)異常心電圖包括房性早搏、心房撲動(dòng)、室性早搏、短陣室性心動(dòng)過速、交界性心律、電交替、低電壓、S波加深、ST 段 抬 高、ST 段 壓 低 等。

1.2.4 心臟質(zhì)量指數(shù)檢測(cè) 心電檢測(cè)完畢后,各組隨機(jī)選取10只大鼠稱體重(BM),處死后解剖胸腔取出心臟并稱取心臟濕重(HM),計(jì)算心臟質(zhì)量指數(shù)＝HM/BM。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用IBM SPSS Statistics23.0 軟件進(jìn)行分析,符合正態(tài)分布的計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(ˉx±s)表示,多組間差異比較采用單因素方差(One-Way ANOVA)分析;計(jì)數(shù)資料采用例數(shù)(構(gòu)成比)表示,組間比較采用Fisher確切概率法并用Bonferroni校正法校正,以P＜0.05為差異有顯著性。

2 結(jié)果

2.1 心率及各波段時(shí)限比較

與空白組相比,低、中、高劑量各組的心率減慢且呈劑量依賴性(P＜0.01);QRS波時(shí)限、RR 間期明顯延長(zhǎng)(P＜0.05);P 波時(shí)限、PR 間期、QT 間 期均無(wú)明顯差異(P＞0.05),見表1。

表1 心率及各波段時(shí)限比較

2.2 各波段振幅比較

與空白組相比,低、中、高劑量各組的P 波、S波振幅增加,T 波振幅降低,ST 段抬高且呈劑量依賴性(P＜0.05);Q 波、R 波振幅無(wú)差異(P＞0.05),見表2。

表2 各波段振幅比較/m V

2.3 異常心電圖頻率及部分圖形

低、中、高劑量組異常心電圖的頻率分別:57.1%、71.4%、76.9%,空白組為:13.3%。與空白組相比,低、中、高劑量各組異常心電圖的頻率明顯增加(P＜0.01);由于樣本量小,異常心電圖的種類多,每組各種異常心電圖的頻數(shù)＜5,故各組異常心電圖之間無(wú)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。部分正常與異常心電圖見圖1。

圖1 大鼠部分正常與異常心電圖

2.4 體重變化及死亡率比較

低、中、高劑量組的體重在沙塵暴PM2.5顆粒暴露前與空白組無(wú)明顯差異(P＞0.05);低、中、高劑量組第3、5、7天體重均較空白組明顯減輕且呈劑量依賴性(P＜0.05);低、中、高劑量組第3、5、7天死亡率與空白組無(wú)明顯差異(P＞0.05),見表3。

表3 體重變化及死亡率比較

組別 n 處死前體重/g死后心臟重量/mg心臟質(zhì)量指數(shù)/(mg/g)空 白 組 10 345.9±20.9 907.4±109.5 2.62±1.79低 劑 量 組 10 323.4±20.0 848.0±89.1 2.62±2.28中劑量組 10 331.8±21.3 1039.0±101.9△ 3.06±1.14△高 劑 量 組 10 301.4±12.2＃ 1100.6±76.6△ 3.60±1.00△

2.5 心臟指數(shù)變化比較 中、高劑量組的心臟質(zhì)量及心臟質(zhì)量指數(shù)較空白組明顯增加(P＜0.01),而低劑量組較空白組上述變化不明顯(P＞0.05),見表4。

2.6 一般情況比較 本研究觀測(cè)到隨著暴露次數(shù)的增加,實(shí)驗(yàn)組的大鼠毛色逐漸晦暗失去光澤,呼吸明顯加深加快,活動(dòng)量、飲食、進(jìn)水量明顯減少,且體重也明顯減少并呈劑量依賴性。

3 討論

流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)PM2.5污染對(duì)心血管系統(tǒng)的健康產(chǎn)生負(fù)面影響,同時(shí)也使與心血管疾病有關(guān)的醫(yī)療保健和住院率增加[8]。相關(guān)研究也提示環(huán)境顆粒物水平的短期提高能引起心律不齊、惡性心律失常、惡化心力衰竭和引發(fā)急性動(dòng)脈粥樣硬化、缺血性心血管并發(fā)癥等發(fā)生[9－11]。筆者臨床發(fā)現(xiàn)甘肅河西走廊地區(qū)每冬春季節(jié)沙塵暴天氣出現(xiàn)時(shí),醫(yī)院、診所等醫(yī)療機(jī)構(gòu)心血管疾病患者住院率、門診率、急診率同比上升[12],故選取該地區(qū)沙塵顆粒做相關(guān)動(dòng)物研究。

本實(shí)驗(yàn)在空白組中可觀察到大鼠的大致正常心電圖:心率約為450次/分,Ⅱ?qū)?lián)P 波形態(tài)向上,QRS波群形態(tài)多為q Rs、Rs、R、RS型,ST 段多在基線水平;T 波形態(tài)向上,各波的振幅及寬度結(jié)果與周慧明等[13]研究的正常SD 大鼠心電圖Ⅱ?qū)?lián)參考值范圍大致相符。但到目前為止,仍沒有統(tǒng)一的大鼠心電圖的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),與大鼠的品種、采集心電圖的儀器種類、方法等不同有關(guān)。本研究與空白組相比,低、中、高劑量各組的心率明顯減慢且呈劑量依賴性,可能是在PM2.5的暴露下大鼠自主神經(jīng)功能受到影響,迷走神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng),交感神經(jīng)受到抑制,該結(jié)果與Mustafic等[9]對(duì)臭氧和大氣細(xì)顆粒物對(duì)大鼠心肺系統(tǒng)的影響及其機(jī)制研究結(jié)果相符。本研究發(fā)現(xiàn)QRS波時(shí)限隨著PM2.5暴露劑量的增高而延長(zhǎng),說(shuō)明隨著心臟結(jié)構(gòu)的改變,心室的除極活動(dòng)受到影響,使心室傳導(dǎo)、左右心室同步收縮失衡,同樣P波、S波的動(dòng)態(tài)變化考慮也與心房、心室的幾何形態(tài)改變相關(guān)。而T 波振幅逐漸變低、ST 段有逐漸抬高趨勢(shì),考慮在PM2.5的暴露增多下導(dǎo)致大鼠心肌缺血,該結(jié)果與趙金鐲等[14]研究的大氣PM2.5對(duì)大鼠心血管系統(tǒng)的急性毒性作用的結(jié)果一致。

研究同時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著PM2.5暴露劑量的增高,出現(xiàn)異常心電圖的頻率也增加,包括房性早搏、室性早搏、短陣室性心動(dòng)過速、電交替、低電壓、交界性心律、ST 段抬高、ST 段壓低等,說(shuō)明沙塵顆粒物的長(zhǎng)期暴露會(huì)引起機(jī)體心律失常、心肌缺血等改變。大鼠處死后心臟重量及心臟質(zhì)量指數(shù)也隨PM2.5暴露劑量的增高而增高,分析其原因,可能與炎性反應(yīng)引起心肌細(xì)胞水腫、增生、肥大有關(guān)。有研究證實(shí)暴露于PM2.5的大鼠,24 h后就可見炎性細(xì)胞浸潤(rùn),IL-6、CRP明顯升高,且高劑量組大鼠升高的量大于低劑量組[15],本課題組前期研究沙塵暴PM2.5暴露組大鼠的心臟組織切片可觀察到心肌細(xì)胞細(xì)大,間質(zhì)增多,且呈現(xiàn)劑量－效應(yīng)關(guān)系[16]。

綜上所述,沙塵暴PM2.5暴露可導(dǎo)致心臟電生理的改變,進(jìn)而對(duì)心臟結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生有害的影響。本實(shí)驗(yàn)PM2.5均來(lái)自于河西走廊的沙塵顆粒,與其它如大氣霧霾、工業(yè)污染等來(lái)源的理化性質(zhì)可能有所不同,推測(cè)甘肅河西走廊地區(qū)沙塵暴肆虐與當(dāng)?shù)鼐用裥难芗膊「甙l(fā)存在一定的關(guān)聯(lián)性。本研究為初步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn),目前仍在進(jìn)行中的人群隊(duì)列研究也發(fā)現(xiàn)暴露組與心律失常、缺血性心臟病等疾病的相關(guān)性。因此建議如甘肅河西走廊等沙塵暴多發(fā)地區(qū)預(yù)防心血管疾病方面,在做好常規(guī)的生活方式改善的同時(shí),也需要加強(qiáng)沙塵治理等環(huán)境保護(hù)措施,并最大可能的減少個(gè)人暴露。