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        睡眠呼吸暫停低通氣綜合征動(dòng)物模型的研究進(jìn)展

        2012-01-25 14:44:24湯鳳蓮桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院廣西桂林541001
        中國老年學(xué)雜志 2012年9期
        關(guān)鍵詞:間歇動(dòng)物模型低氧

        湯鳳蓮 周 燕 (桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院,廣西 桂林 541001)

        睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(SAHS)是一種發(fā)病率高、具有潛在危險(xiǎn)的疾病,主要表現(xiàn)為睡眠時(shí)打鼾并伴有呼吸暫停和呼吸表淺,夜間反復(fù)發(fā)生低氧血癥、高碳酸血癥和睡眠結(jié)構(gòu)紊亂,導(dǎo)致白天嗜睡、心腦血管并發(fā)癥乃至多臟器損害,嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量和壽命。有資料顯示廣西地區(qū)14歲以上人群打鼾發(fā)生率為27.3%,SAHS發(fā)生率4.3%〔1〕,而且它還是全身多種疾病的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。目前該病的病因、發(fā)病機(jī)制尚不十分清楚,有待深入研究的前提與基礎(chǔ)就是建立成熟的動(dòng)物模型。本文就近年來國內(nèi)外有關(guān)的文獻(xiàn)作一綜述。

        1 模型動(dòng)物的選擇

        在SAHS模型的研究中,研究者們已選用過大鼠、小鼠、犬、豬、兔、猴、貓、羊等動(dòng)物構(gòu)建動(dòng)物模型,其中以前四種居多。對于狗、豬、猴等大動(dòng)物常被用于實(shí)驗(yàn)性上氣道阻塞,從解剖學(xué)機(jī)制上模擬阻塞性SAHS;而小動(dòng)物,如大鼠、小鼠,常被暴露于低氧環(huán)境中從病理生理機(jī)制上模擬SAHS的低氧血癥狀態(tài),慢性間歇低氧大鼠模型已被許多國內(nèi)外學(xué)者用于SAHS發(fā)病機(jī)制及其并發(fā)癥的研究〔2,3〕。相比較而言,大動(dòng)物模型能很好地模擬人SAHS上氣道阻塞過程,易于進(jìn)行睡眠呼吸監(jiān)測,但其來源及飼養(yǎng)困難,麻醉及手術(shù)操作困難,維護(hù)費(fèi)用較高,研究數(shù)量受限。鼠易繁殖、易飼養(yǎng),麻醉及手術(shù)操作簡單,維護(hù)費(fèi)用較低,但鼠的低氧模型繞過了造成人類阻塞性SAHS最重要的部位上氣道,且低氧處理多未考慮到動(dòng)物的睡眠結(jié)構(gòu),因而不能完全模擬臨床SAHS睡眠與覺醒狀態(tài)對血氧的影響。

        2 常見的SAHS動(dòng)物模型制作技術(shù)

        2.1 人工無創(chuàng)模擬間歇低氧環(huán)境造模 由于SAHS最重要的一個(gè)病理生理特點(diǎn)是夜間睡眠時(shí)反復(fù)的間歇性低氧、睡眠剝奪、微覺醒〔4〕,所以目前大部分SAHS模型的建立都是采用這一方法。這種造模方法常用的是Wistar大鼠、SD大鼠、C57BL/6J小鼠、兔、貓等小型動(dòng)物,多采用雄性〔5,6〕,這些動(dòng)物也是其他疾病動(dòng)物模型所常用的,能夠比較準(zhǔn)確地重現(xiàn)所要研究的疾病,易獲得、飼養(yǎng)和管理,而且有足夠長的生存時(shí)間供應(yīng)用,足夠的大小供取標(biāo)本。常用的方法是將動(dòng)物放入氧艙〔6〕或戴上面罩〔5〕,間歇灌注氮?dú)?、氧氣或低氧混合氣體。根據(jù)間歇低氧時(shí)間的長短可粗略地分為“大間歇”和“小間歇”,也可根據(jù)艙內(nèi)壓力分為“常壓低氧”和“低壓低氧”。

        2.1.1 常壓“小間歇”低氧造模 這是目前國內(nèi)外比較常見的造模方法。McGuire等〔5〕在研究慢性間歇性窒息(chronic in-termittent asphyxia,CIA)時(shí),利用膈肌和骨骼肌的收縮功能變化在SAHS發(fā)病機(jī)制中的作用時(shí),利用低氧混合氣間歇性供大鼠呼吸,建立大鼠SAHS模型。研究者將雄性Wistar大鼠隨機(jī)分為CIA組和對照組,所有大鼠被頭罩包裹。CIA組的大鼠頭罩內(nèi)灌注15 s室內(nèi)空氣,接著灌注15 s 100%濃度的氮?dú)猓瑥亩诡^罩內(nèi)的最低血氧分壓值在55~65 mmHg之間。這樣1 min完成兩個(gè)周期,每天持續(xù)8 h,每周5 d,持續(xù)5 w后完成模型建立用于研究。為了模擬SAHS患者睡眠時(shí)低氧血癥和高碳酸血癥,McGuire對上述方法又做了改進(jìn),先向大鼠的頭罩內(nèi)灌注15 s氮?dú)夂投趸嫉幕旌蠚怏w使氧濃度降至6% ~8%,而二氧化碳濃度升至10% ~14%,隨后灌注15 s室內(nèi)空氣使氧濃度和二氧化碳濃度恢復(fù)正常。同樣1 min完成兩個(gè)周期,每天持續(xù)8 h,每周5 d,持續(xù)5 w,同時(shí)誘導(dǎo)出鼠咽部肌肉收縮能力和肌纖維類型的變化,成功建立SAHS鼠模型。Almendros等〔7〕假設(shè)SAHS睡眠期間的反復(fù)間歇低氧導(dǎo)致了日間血壓升高,將大鼠在白天睡眠時(shí)置于睡眠艙內(nèi),艙內(nèi)循環(huán)注入氮?dú)猓看巫⑷氲獨(dú)?2 s,每30 s一個(gè)循環(huán),使每一循環(huán)艙內(nèi)最低氧濃度達(dá)3% ~5%,每天7 h,共35 d,結(jié)果顯示間歇低氧大鼠血壓明顯升高。國內(nèi)王璋等〔8〕對上述方法加以改進(jìn)制作了常壓低氧動(dòng)物艙,一般的做法是將4~6只動(dòng)物放入一有機(jī)玻璃艙,然后用壓縮空氣與混合氣體在電磁閥控制下分別以2 L/min的流速輸入低氧艙,間隔30 s,1 min一個(gè)循環(huán),每天8 h累計(jì)缺氧時(shí)間12 w。艙內(nèi)氧濃度由測氧儀檢測,根據(jù)測氧儀檢測結(jié)果提示:艙內(nèi)氣體氧濃度(FiO2)在低氧氣體輸入后逐漸減低至7.4%~7.8%,在此水平持續(xù)5~7 s,然后隨著空氣的輸入FiO2逐漸升至20%~21%。結(jié)果證實(shí),所改進(jìn)的間歇性缺氧模型是較理想的SAHS動(dòng)物模型,該模型穩(wěn)定、穩(wěn)定性好、設(shè)備相對簡單,便于長期研究;并且可以通過調(diào)節(jié)氧濃度、缺氧-復(fù)氧循環(huán)間隔以及每日間隔缺氧總時(shí)間等參數(shù)方便控制缺氧程度。目前國內(nèi)外學(xué)者大多模擬該方法制作大鼠、小鼠SAHS動(dòng)物模型用于該疾病的研究〔2,3〕。對于缺氧-復(fù)氧循環(huán)時(shí)間的安排,根據(jù)研究目的的不同,多數(shù)循環(huán)設(shè)計(jì)為每隔30~90 s缺氧-復(fù)氧過程交替一次,每個(gè)實(shí)驗(yàn)日間歇缺氧1~8 h,缺氧累計(jì)時(shí)間1~8 w不等,實(shí)驗(yàn)過程中動(dòng)物吸入氣的氧濃度,多在5%~10%范圍內(nèi)。不足之處在于此種模型并不存在真正的上氣道阻塞,自然也就無法模擬阻塞時(shí)胸內(nèi)壓力降低這種變化,而且實(shí)驗(yàn)中低氧的時(shí)間段與動(dòng)物的睡眠時(shí)間往往并不完全一致。因此,這種動(dòng)物模型只是比較適合于研究間歇低氧引起的病理生理改變,而不能完全模擬SAHS病理生理狀態(tài)。

        2.1.2 常壓“大間歇”低氧造模 前幾年這種辦法國內(nèi)外用的比較多〔9,10〕。一般是將動(dòng)物放入氧艙后通入氮?dú)猓古搩?nèi)氧濃度在數(shù)十秒內(nèi)從正常降至10%左右,連續(xù)低氧4~8 h后出艙恢復(fù)正常氧供,至第二天再次低氧為一次低氧-復(fù)氧循環(huán),連續(xù)數(shù)周。其他實(shí)驗(yàn)條件類似于“小間歇”低氧條件。此種造模方法一次循環(huán)連續(xù)低氧的時(shí)間長達(dá)數(shù)小時(shí),故將其稱為“大間歇”低氧。實(shí)驗(yàn)中均證實(shí)模型動(dòng)物內(nèi)皮功能發(fā)生改變,能夠部分模擬SAHS,但是由于其每次低氧時(shí)間比較長,造成的損害也比較大,和SAHS患者的間歇低氧特點(diǎn)并不相同,這實(shí)際上是一種慢性低氧肺動(dòng)脈高壓模型,更多地應(yīng)用于COPD、肺心病的研究,故近幾年在SAHS方面的研究已很少應(yīng)用。

        2.1.3 常壓持續(xù)低氧造模 劉永義等〔11〕選用鼠齡6個(gè)月的成年雄性SD大鼠置于常壓低氧密封艙內(nèi)飼養(yǎng),保持艙內(nèi)平均氧濃度為13.4%,持續(xù)飼養(yǎng)30 d。觀察到SD鼠在密封艙低氧環(huán)境中表現(xiàn)為呼吸頻率加快,呼吸幅度變大,具有咽腔呼吸壓力波動(dòng)增強(qiáng)、吸氣壓力降低等類似SAHS臨床表現(xiàn),并證實(shí)在此咽腔呼吸壓力作用下,SD鼠軟腭的力學(xué)特征發(fā)生了明顯變化,軟腭組織發(fā)生了易于SAHS形成和發(fā)展的重建。

        2.1.4 低壓低氧造模 上述三種造模方法都是在常壓下進(jìn)行的,也有研究者模擬高原低壓低氧環(huán)境造?!?2〕。將動(dòng)物放入氧艙后以一定的速率模擬上升至數(shù)千米高度,造成低壓低氧,持續(xù)數(shù)小時(shí)后降至海平面高度的壓力,連續(xù)數(shù)周。這種造模方法的優(yōu)點(diǎn)是其艙內(nèi)氣體組成與空氣無差別,消除了氣體組分改變可能造成的影響,而且其缺氧程度可以精確控制,但其多用于高原缺氧的研究。缺點(diǎn)也較明顯,設(shè)備要求較高,不能準(zhǔn)確反映常壓下缺氧的情況,并且一次循環(huán)低氧的時(shí)間太長,不能滿足SAHS反復(fù)短暫缺氧-復(fù)氧循環(huán)的要求。

        2.2 手術(shù)造模 根據(jù)發(fā)病機(jī)制不同,SAHS可分為阻塞型、中樞型及混合型,其中阻塞型占成人發(fā)病率的90%以上,而阻塞型SAHS的病理生理學(xué)特征為睡眠高阻力性呼吸,導(dǎo)致呼吸暫停及呼吸不足,高阻力的形成歸結(jié)為上氣道解剖學(xué)狹窄和咽部肌肉功能異常。低氧模型繞過了造成人類阻塞性SAHS最重要的部位,即上氣道,因此不能完全符合SAHS的自然病理狀態(tài)?;谝陨显?,一些學(xué)者嘗試用手術(shù)或局部注射等方法,造成上氣道阻塞,模擬人形成呼吸暫停、呼吸不足及吸氣受限。由于操作的需要,在手術(shù)造模過程中所選用的動(dòng)物體積一般較大,如小型豬、狗、猴等。根據(jù)干預(yù)部位的不同造模方法主要有兩種:咽鄂部注射凝膠法和氣管部位干預(yù)法。

        2.2.1 咽鄂部注射凝膠法 國內(nèi)采用的是20 kg左右的中國小型豬,用15號針頭在豬下頜骨最高點(diǎn)內(nèi)側(cè)1 cm處進(jìn)針,深度約3 cm,緩慢推進(jìn),共注射10 ml醫(yī)用聚丙烯酰胺水凝膠+2 ml 0.9%生理鹽水青霉素液(內(nèi)含青霉素8×106U),這是外部注射法;也可采用內(nèi)部注射法:5 ml水凝膠同樣稀釋后用13號針頭在豬咽腭弓及舌根部多點(diǎn)進(jìn)針注射〔13〕。靈長類的氣道解剖結(jié)構(gòu)與人類比較類似,國外有學(xué)者在猴子舌根、懸雍垂、咽側(cè)壁注射液態(tài)膠造?!?4〕。國內(nèi)柳忠祿等〔15〕在小型動(dòng)物Wistar大鼠的雙側(cè)舌鄂弓、咽腭弓及舌根部注射透明質(zhì)酸鈉凝膠成功建立阻塞型SAHS模型,且該模型穩(wěn)定、可靠。由于阻塞型SAHS患者的發(fā)病機(jī)制與睡眠時(shí)上氣道塌陷、狹窄有關(guān),因此利用安全有效的組織充填物造成動(dòng)物上氣道的狹窄、阻塞所建立的動(dòng)物模型與阻塞型SAHS的自然病理狀態(tài)比較相符,具有穩(wěn)定、可靠、重復(fù)性好的特點(diǎn)。缺陷是目前還沒有報(bào)道該模型的呼吸暫停主要發(fā)生在睡眠的哪一期。

        2.2.2 氣管部位干預(yù)法 包括利用可充氣裝置放置在動(dòng)物頜下和利用氣管插管周期性閉合誘導(dǎo)阻塞型SAHS模型。Farre等〔16〕設(shè)計(jì)了一種適用于鼠的頸圈通過氣管切開置于上氣道,計(jì)算機(jī)調(diào)控頸圈壓力造成上氣道阻塞。Kimoff等〔17〕用2只健康成年犬進(jìn)行氣管造口術(shù),在口內(nèi)置一乳膠短管,在管末端置一活瓣,并同時(shí)在犬體內(nèi)置人腦電圖及肌電圖記錄電極,計(jì)算機(jī)不間斷接收犬腦電圖及肌電圖信號,當(dāng)睡眠開始時(shí),計(jì)算機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)活瓣開關(guān),造成氣道阻塞。氣管阻塞在整個(gè)睡眠期間持續(xù)存在,以此模擬人SAHS期間發(fā)作的呼吸暫停和間歇低氧。氣管插管法是將動(dòng)物麻醉后行氣管切開、插管,再用面罩將其口鼻密封,實(shí)驗(yàn)時(shí)通過插管施以負(fù)壓致氣道塌陷,呼吸暫停,然后正壓通氣,暫停中止,整個(gè)過程由計(jì)算機(jī)程序控制〔18〕。雖然這種造模方法也達(dá)到了模型動(dòng)物氣道間歇阻塞的效果,但這種方法繞過了人類阻塞型SAHS最重要的部位——上氣道,而且操作復(fù)雜,容易影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,目前較少有人采用。

        2.3 自發(fā)性SAHS動(dòng)物模型 Hendricks等〔19〕觀察到英格蘭牛頭犬由于上氣道解剖結(jié)構(gòu)異?!涬穹蚀?、咽腔狹窄,可自行發(fā)生睡眠呼吸暫停。國內(nèi)有報(bào)道部分極度肥胖的陸川豬同樣存在因上氣道解剖異常而自行發(fā)生睡眠呼吸暫停的情況〔20〕。王菁等〔21〕報(bào)道SD大鼠睡眠中會(huì)自發(fā)出現(xiàn)呼吸暫停,這種呼吸暫停主要是中樞性的,可以作為研究睡眠呼吸暫停中樞發(fā)病機(jī)制的天然動(dòng)物模型。Yamauchi等〔22〕報(bào)道C57BL/6 J(B6)小鼠睡眠中會(huì)自發(fā)出現(xiàn)呼吸暫停,類似人的缺氧-復(fù)氧循環(huán),并認(rèn)為SAHS發(fā)病與遺傳相關(guān)。這些自發(fā)性的SAHS動(dòng)物模型避免了人為干預(yù)的因素,在這一點(diǎn)上是比較理想的,但是此類模型呼吸暫停主要發(fā)生在快速動(dòng)眼睡眠期,而人類睡眠呼吸暫停則主要發(fā)生在非快速動(dòng)眼睡眠期,因此有一定差異。

        3 SAHS動(dòng)物模型評價(jià)指標(biāo)

        人類疾病的動(dòng)物模型必須具有人類疾病模擬性表現(xiàn),但目前沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)判斷以上模型動(dòng)物是否已經(jīng)達(dá)到診斷標(biāo)準(zhǔn)。從文獻(xiàn)結(jié)果分析,SAHS動(dòng)物模型制作后是否符合人類疾病模擬性表現(xiàn),主要有以下幾個(gè)觀察指標(biāo):

        3.1 以是否出現(xiàn)SAHS類似癥狀為標(biāo)準(zhǔn) 包括模型動(dòng)物的睡眠時(shí)是否有打鼾或鼾聲增加、憋醒、體位改變、胸廓和腹部的反常運(yùn)動(dòng),白天嗜睡等表現(xiàn)。

        3.2 模型動(dòng)物的低氧指標(biāo) SAHS一個(gè)重要的特點(diǎn)是間歇性低氧,為了判斷模型動(dòng)物在實(shí)驗(yàn)過程中是否發(fā)生了間歇低氧以及低氧的程度,就需要監(jiān)測動(dòng)物動(dòng)脈血氧飽和度的動(dòng)態(tài)變化,一般是根據(jù)多次血?dú)夥治鼋Y(jié)果來判斷。如果受實(shí)驗(yàn)條件限制,無法得到該類數(shù)據(jù),則動(dòng)物所處氧艙內(nèi)氧濃度的動(dòng)態(tài)變化結(jié)果也可以間接反映間歇低氧情況。

        3.3 多導(dǎo)睡眠儀監(jiān)測指標(biāo) 通過多導(dǎo)睡眠監(jiān)測觀察動(dòng)物腦電圖、肌電圖、眼動(dòng)圖、心電圖、呼吸變化,測定鼻和口腔氣流、阻抗,測定動(dòng)脈氧分壓及動(dòng)物動(dòng)脈血氧飽和度,計(jì)算呼吸暫停低通氣指數(shù)(AHI)值。多導(dǎo)睡眠監(jiān)測結(jié)果無疑具有重要的參考價(jià)值,然而目前尚無公認(rèn)的各種動(dòng)物多導(dǎo)睡眠圖判讀標(biāo)準(zhǔn),其結(jié)果受人為因素干擾過大,故可靠性欠佳。

        3.4 模型動(dòng)物的上氣道改變指標(biāo) 阻塞性SAHS最重要的阻塞部位是上氣道,患者該部位往往有解剖結(jié)構(gòu)的變化,因此檢測該部位的變化對于評價(jià)該模型的可靠性也十分重要。目前可以利用影像學(xué)檢查來測量上氣道橫截面面積、上氣道左右徑和前后徑大小,也可以用電生理方法測量支持咽腔開放的肌肉收縮性能的變化,還可以憑肉眼、光鏡、電鏡觀察該部位組織、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的改變。

        4 展望

        綜上所述,目前SAHS動(dòng)物模型的研究取得了可喜的進(jìn)展,這些模型雖然還不能完全復(fù)制出人類SAHS的發(fā)病過程、全部病理生理變化和生物學(xué)特性,但已為闡明該病的發(fā)病機(jī)制、探索治療方法作出了重要貢獻(xiàn)。今后研究的重點(diǎn)應(yīng)放在提高模型的穩(wěn)定性、可靠性、重復(fù)性、同人類相符性、易操作性且符合倫理學(xué)觀念的SAHS動(dòng)物模型上;此外由于SAHS患者存在明顯的家族聚集性,其發(fā)病很可能有多基因參與〔22〕,故對模型的遺傳性研究也是將來的一個(gè)重要研究方向。

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