王蘭，端木魯健，焦琳，柳百梅，孫紅嬌，李玉茜，于心亞，黃叢春，羅慧蘭，王俊華，王建昌

航空航天飛行器尤其是戰(zhàn)斗機(jī)會(huì)對人體心臟器官產(chǎn)生不利影響，其中以正加速度(+Gz)最為突出[1-2]。多年的航空經(jīng)驗(yàn)顯示，飛行人員長期飛行之后，心律失常的發(fā)生率偏高。另外，患有冠心病的飛行人員不僅影響心臟泵血功能導(dǎo)致血流動(dòng)力學(xué)障礙，還可引起心臟的電不穩(wěn)定而導(dǎo)致心律失常，甚至惡性心律失常。既往研究表明，加速度會(huì)誘發(fā)或加重心律失常[3]，但目前對于發(fā)生機(jī)制缺乏相關(guān)的深入研究。本課題主要通過研究正常和缺血心肌在模擬飛行環(huán)境的+Gz暴露條件下的單相動(dòng)作電位(monophasic action potential，MAP)變化情況，推斷主要心肌細(xì)胞離子通道的功能變化。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象及分組 健康、雄性、成年新西蘭大白兔60只，體重2.5～3.5kg，由解放軍總醫(yī)院附屬第一醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物科提供并飼養(yǎng)。將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物隨機(jī)分為4組：對照組(A組)、+Gz組(B組)、缺血組(C組)、缺血+加速度組(D組)，每組15只。

1.2 材料及主要儀器 動(dòng)物離心機(jī)(空軍航空醫(yī)學(xué)研究所)、小動(dòng)物呼吸機(jī)(上海奧爾科特儀器有限公司)、電生理刺激儀DF-5A型(蘇州東方電子儀器廠)、Medlab4c-501生物信號采集系統(tǒng)MD3000(淮北正華生物儀器設(shè)備有限公司)、自制復(fù)合電極，手術(shù)器械及醫(yī)用縫線等。

1.3 方法

1.3.1 心肌缺血模型的制備 C、D組制備心肌缺血模型。兔術(shù)前禁食1d，仰臥固定于兔固定架上，3%戊巴比妥30mg/kg耳緣靜脈麻醉后，靜脈推注肝素1000U抗凝。四肢皮膚刺入9號金屬針頭，與生物信號采集處理系統(tǒng)心電圖導(dǎo)線連接，觀察并記錄標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)Ⅱ心電圖。嚴(yán)格按無菌操作手術(shù)，逐層切開頸部皮膚行氣管插管，連接動(dòng)物呼吸機(jī)，頻率22～25次/min，潮氣量10ml/kg。沿胸骨左緣第3、4肋處剪斷肋骨，將左側(cè)胸壁向外翻起，剪開心包，充分暴露左心室前壁。于左心耳下2mm處穿“6-0”號絲線，打一活結(jié)逐漸拉緊絲線，造成冠狀動(dòng)脈前降支心肌缺血。方法是拉線的同時(shí)觀察心電圖Ⅱ?qū)?lián)的變化，以出現(xiàn)S-T段壓低、抬高或T波倒置等S-T段和(或)T波的變化證明形成了冠脈狹窄、心肌缺血；調(diào)整線結(jié)的松緊度以達(dá)到既形成缺血而又不將血管完全阻斷的目的；然后將絲線打死結(jié)形成血管固定性狹窄。縫合關(guān)閉胸腔送動(dòng)物房飼養(yǎng)。D組術(shù)后肌內(nèi)注射青霉素80萬U、2次/d，共3d。

1.3.2 +Gz暴露的實(shí)驗(yàn)方法 B組和D組進(jìn)行+Gz暴露。使用動(dòng)物離心機(jī)進(jìn)行+Gz暴露：+Gz組兔置于兔籠中(內(nèi)徑30cm×20cm×15cm)，頭朝向離心機(jī)軸心，兔籠固定于離心機(jī)上。離心機(jī)半徑為2m，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行加速度程序控制。+Gz組暴露條件：G值增長率約為+0.5Gz/s，逐漸達(dá)到目標(biāo)值+8Gz，于+8Gz每次持續(xù)暴露時(shí)間為1min，間隔3min，3次/d，共7d。

1.3.3 單向動(dòng)作電位的記錄 動(dòng)物的固定、備皮、開胸暴露心臟方法同制備心肌缺血時(shí)的實(shí)驗(yàn)方法。自制接觸電極固定于裝有彈簧裝置的固定架上，一端接觸電極光滑球面與左心室表面接觸，垂直輕放，略施壓力，以彈簧拉伸長度限定電極對心臟組織的統(tǒng)一壓力，電極以不因心臟搏動(dòng)而移位、心電圖平穩(wěn)為準(zhǔn)，另一端與生物信號采集處理系統(tǒng)連接，參考電極夾在胸口皮下組織。生物信號采集處理系統(tǒng)將所測得的信號放大后輸入電腦并觀察記錄。誘發(fā)心律失常方案：將心外膜起搏電極放置于左心室表面，參考電極與皮膚相連進(jìn)行程序刺激，S1S1刺激頻率從150次/min開始，逐次遞增10次，直至300次/min結(jié)束。

1.4 觀察記錄指標(biāo) ①M(fèi)AP記錄指標(biāo)(圖1)：復(fù)極達(dá)50%振幅的單相動(dòng)作電位時(shí)程(MAPD50)；復(fù)極達(dá)90%振幅的單相動(dòng)作電位時(shí)程(MAPD90)；單相動(dòng)作電位的振幅(MAPA)；0相最大上升速率(Vmax)。②S1S1刺激時(shí)心律失常誘發(fā)率。

圖1 MAP的測量示意圖Fig. 1 Chart of monophasic action potential (MAP)measurement

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 15.0進(jìn)行分析，所有數(shù)據(jù)均以表示，組間比較采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)的單因素方差分析，進(jìn)一步行多個(gè)樣本均數(shù)間的SNK-q檢驗(yàn)，心律失常發(fā)生率比較采用χ2檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 術(shù)后兔存活情況 4組中A組無動(dòng)物死亡，B組中有1只死亡，可能因?yàn)榧铀俣缺┞兑l(fā)心臟疾病；C組有1只在實(shí)驗(yàn)過程中因程序刺激出現(xiàn)室顫而死亡；而D組有2只動(dòng)物在飼養(yǎng)期間不明原因死亡。

2.2 心肌細(xì)胞MAP參數(shù)的變化 結(jié)果顯示，各組間MAPA和Vmax差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)；與A組比較，B、C、D組MAPD50和MAPD90均明顯縮短(P＜0.05)，且縮短程度呈遞減趨勢(P＜0.05，表1)；心肌缺血后的動(dòng)作電位時(shí)程與缺血前比較明顯縮短(圖2)。

2.3 心律失常誘發(fā)率的比較 結(jié)果顯示，各組心律失常的誘發(fā)情況如下：A組1例；B組6例；C組7例，其中1例因出現(xiàn)室顫而死亡；D組12例，包括室性早搏(圖3A)、室性心動(dòng)過速(圖3B)等，部分為未行刺激而自發(fā)室性早搏的情況。除C組與B組相比心律失常誘發(fā)率差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外，B、C、D組均較A組容易誘發(fā)，D組又分別較B、C組容易誘發(fā)(P＜0.05)，呈現(xiàn)加速度和缺血雙重因素的疊加效應(yīng)(表2)。

表1 各組MAP的變化情況±s，n=15)Tab.1 Changes of monophasic action potential in each group ( s, n=15)

表1 各組MAP的變化情況±s，n=15)Tab.1 Changes of monophasic action potential in each group ( s, n=15)

A. Control group; B. Acceleration group; C. Ischemia group; D . Ischemia undergoing positive acceleration group. MAPA. Monoph asic action potential amplitude; MAPD 50. Monophasic action potential duration at repolarization of 50% amplitude; MAPD 90. Monophasic action potential duration at repolarization of 90% amplitude; V max. Maximum rising rate of phase 0. (1) P＜0.05 compared with group A; (2) P＜0.05 compared with group B; (3)P＜0.05 compared with group C

Group MAPA (mV) Vmax (mV/s) MAPD50 (ms) MAPD90 (ms)A 32.51±1.49 226.73±4.31 130.44±4.56 139.94±4.30 B 32.30±1.02 225.82±3.80 124.01±3.22 (1) 133.38±3.06 (1)31.72±1.16 224.15±6.77 114.92±3.59 (1)(2) 124.42±3.62 (1)(2)D 31.02±1.35 221.50±6.23 107.96±5.70 (1)(2)(3) 117.33±5.63 (1)(2)(3)C

圖2 心肌缺血后動(dòng)作電位時(shí)程縮短Fig.2 Monophasic action potential shortened after myocardial is chemia

圖3 心律失常的類型Fig.3 Type of arrhythmia

3 討 論

本研究結(jié)果顯示，+Gz暴露可引起快速性心律失常，同時(shí)還可增加缺血心肌發(fā)生快速性心律失常的概率。國外報(bào)道指出，符合航空醫(yī)學(xué)鑒定標(biāo)準(zhǔn)且無相關(guān)癥狀的身體健康、未曾受過離心機(jī)訓(xùn)練的志愿者，在接受+Gz作用的當(dāng)時(shí)和作用后都會(huì)發(fā)生心律失常，發(fā)生概率隨+Gz負(fù)荷的增加而升高[4-6]。

從體循環(huán)角度分析其原因，一方面，可能由于在高強(qiáng)度的+Gz作用下，心臟會(huì)受到離心力的強(qiáng)烈拉伸、擠壓等形態(tài)變化，誘發(fā)心律失常；另一方面，身體內(nèi)血液會(huì)在加速度作用下重新分布，向下半身聚集，造成回心血量大量減少，進(jìn)而心臟搏出量明顯減少，隨著心輸出量的減少，冠狀動(dòng)脈的灌注會(huì)受到影響，從而造成心肌供血不足誘發(fā)缺血性心律失常；如果同時(shí)合并有冠心病，則更容易引發(fā)缺血性心律失常。

表2 心律失常誘發(fā)率Tab.2 Evocation rate of arrhythmia

由于方法學(xué)等因素的限制，在公開的文獻(xiàn)庫中很難查到有關(guān)+Gz引起快速性心律失常，以及加重缺血性心律失常的細(xì)胞電生理機(jī)制方面的報(bào)道。經(jīng)典的研究細(xì)胞電生理機(jī)制、探討離子通道功能的細(xì)胞膜片鉗技術(shù)為離體實(shí)驗(yàn)，需要從組織消化、分離心肌細(xì)胞，其中影響因素環(huán)節(jié)多，各種藥物、試劑對細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，包括離子通道的影響較大，因此用來研究缺血和加速度對心肌細(xì)胞的作用有一定難度和不確定性。鑒于此，筆者通過復(fù)習(xí)文獻(xiàn)和預(yù)實(shí)驗(yàn)摸索，決定采用接觸電極直接記錄心肌細(xì)胞群的MAP技術(shù)。該技術(shù)與單個(gè)心肌細(xì)胞跨膜動(dòng)作電位(transmembrane action-potential，TAP)具有相同的時(shí)限[7]，可實(shí)施于完整搏動(dòng)的心臟上，對組織無損傷，可比較準(zhǔn)確地反映缺血心肌細(xì)胞的電生理特點(diǎn)，在一定程度上能真實(shí)反映心肌細(xì)胞的電生理特性。結(jié)果證明我們采用該技術(shù)取得了預(yù)期效果。

本研究結(jié)果顯示，重復(fù)、長時(shí)間+Gz暴露和缺血均可使心肌MAPD50(50%動(dòng)作電位時(shí)程)和MAPD90(90%動(dòng)作電位時(shí)程)縮短，但缺血比+Gz暴露時(shí)動(dòng)作電位的變化程度大，而+Gz暴露和缺血雙重因素疊加作用比單純+Gz暴露或缺血時(shí)動(dòng)作電位的變化程度大。既往研究也得到過與本研究一致的結(jié)果[8]：實(shí)驗(yàn)動(dòng)物犬冠脈結(jié)扎前后缺血區(qū)心室動(dòng)作電位時(shí)程縮短。

本研究提示，復(fù)極過程中相關(guān)離子通道功能異常是加速度引起缺血心肌心律失常的重要機(jī)制。以往主要基于缺血心肌的研究提示MAPD90縮短的離子流基礎(chǔ)包括3個(gè)方面：①動(dòng)作電位I期瞬時(shí)外向鉀電流(transient outward potassium current，Ito)增加。一般情況下，兔的外膜心肌Ito電流密度明顯大于心內(nèi)膜，缺血時(shí)Ito通道進(jìn)一步開放，加速了復(fù)極過程。②復(fù)極Ⅱ期L型鈣內(nèi)流減少。心肌缺血時(shí)，細(xì)胞Na+/Ca2+交換能力下降、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)從胞質(zhì)攝取的Ca2+減少以及細(xì)胞膜Ca2+內(nèi)流增加等因素，導(dǎo)致心肌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度升高，進(jìn)而誘導(dǎo)Ca2+電流的滅活。③ATP敏感性鉀通道(ATP sensitive potassium channel，KATP)開放。發(fā)生心肌缺血時(shí)，細(xì)胞內(nèi)ATP/ADP的比值下降，導(dǎo)致正常條件下關(guān)閉的鉀通道開放，造成Ⅲ期復(fù)極階段外向鉀電流增加，動(dòng)作電位時(shí)程縮短[9-10]。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，作為損傷因素，+Gz暴露與缺血均使得MAPD90縮短，因此，推測+Gz暴露導(dǎo)致了與上述缺血效應(yīng)相似的離子通道功能變化。

缺血、+Gz或兩者疊加導(dǎo)致的部分區(qū)域心肌細(xì)胞MAPD50和MAPD90縮短，造成這部分心肌與正常心肌之間電生理特性的不均一性，引起復(fù)極離散程度增加，進(jìn)而可能造成折返性心律失常，形成心律失常的電生理基礎(chǔ)。

本課題研究結(jié)果顯示，與對照組比較，加速度組和缺血+加速度組的MAPA和Vmax變化差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。MAPA和Vmax反映的是快鈉通道開放的程度以及Na+內(nèi)流的速度。其他學(xué)者研究顯示心肌缺血時(shí)MAPA、Vmax降低[11]。本研究顯示缺血?jiǎng)游镌搩身?xiàng)指標(biāo)變化不大，可能是我們在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物造模時(shí)使其缺血的程度不如其他研究嚴(yán)重，未形成心肌梗死。這與本課題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有關(guān)，本課題的出發(fā)點(diǎn)是模擬并探討患有冠心病、冠脈狹窄但并非急性心肌梗死時(shí)期的飛行人員在進(jìn)行飛行作業(yè)接受加速度暴露時(shí)會(huì)發(fā)生的問題。而且，動(dòng)物需要繼續(xù)飼養(yǎng)和接受加速度暴露，如果造成心肌梗死，動(dòng)物死亡率會(huì)較高，無法完成后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。也就是說，本研究中導(dǎo)致心律失常的主要原因不是心肌細(xì)胞快鈉內(nèi)流異常。

總之，本研究結(jié)果可為進(jìn)一步研究飛行人員缺血性心律失常的防治提供理論指導(dǎo)。

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