劉俊丹，邱文才，李紫元，梁偉燊，唐陸平，何永明

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院獸醫(yī)系，廣東佛山 528000)

大鼠無創(chuàng)性肺功能檢測(cè)指標(biāo)的建立

劉俊丹△，邱文才△，李紫元，梁偉燊，唐陸平*，何永明*

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院獸醫(yī)系，廣東佛山 528000)

用雙腔法測(cè)量大鼠肺功能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為呼吸系統(tǒng)疾病相關(guān)的大鼠動(dòng)物模型的肺功能檢測(cè)提供參考。采用EMKA無創(chuàng)肺功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)40只SD大鼠肺功能的17項(xiàng)指標(biāo)(潮氣量,TV；最大呼氣量,EV；每分通氣量,MV；吸氣時(shí)間,Ti；呼氣時(shí)間,Te；吸氣流峰值,PIF；呼氣流峰值,PEF；間歇時(shí)間,RT；呼吸頻率,f；吸氣末期停頓,EIP；呼氣末期停頓,EEP；暫時(shí)停頓,Pau；支氣管收縮程度,Penh；延遲時(shí)間,dT；特殊氣道阻率,SRaw；特殊氣道導(dǎo)率,SGaw；呼氣中期流速,EF50)進(jìn)行檢測(cè)。TV值為1.01 mL (0.41～2.23),EV為1.01 mL (0.41～2.22),MV為226.02 mL (76～517),Ti為144.17 msec (108～204),Te為172.45 msec (118～265),PIF為11.05 mL/s (4.6～27.1),PEF為10.58 mL/s (3.4～23.9),RT為107.08 msec (76～188),f為196.88 bpm(141～255),EIP為2.72 msec (2～4),EEP為19.56 msec (13～32),Pau為0.63 (0.41～0.88),Penh為0.62 (0.33～1.06),dT為39.56 ms (4.56～96.38),SRaw為38.53 cm H2O.s (2.27～83),SGaw為0.078 l/cmH2O.s (0.01～0.37),EF50為9.5 mL/s (3～20)。試驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，大鼠肺功能部分指標(biāo)在不同時(shí)間段、不同性別差異具有顯著意義。首次測(cè)得SD大鼠無創(chuàng)肺功能多項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)呼吸系統(tǒng)疾病的研究和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定有著重要的參考價(jià)值。

無創(chuàng)式動(dòng)物肺功能檢測(cè)分析儀；氣流信號(hào)；雙腔法；肺功能

肺功能檢查是呼吸系統(tǒng)疾病的必要檢查之一，對(duì)于評(píng)估疾病的病情嚴(yán)重程度、診斷病變部位、評(píng)及對(duì)危重病人的監(jiān)護(hù)等方面有重要的指導(dǎo)意義。隨著呼吸生理及藥理學(xué)研究的發(fā)展，在很多呼吸系統(tǒng)疾病的動(dòng)物模型中動(dòng)物肺功能的測(cè)定顯得尤為重要。雙腔法檢測(cè)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有無創(chuàng)傷的特點(diǎn)，且靈敏度強(qiáng)。而特殊氣道阻率(SRaw)和特殊氣道導(dǎo)率(SGaw)都是雙腔法檢測(cè)的一個(gè)特點(diǎn)，也是學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可的無創(chuàng)肺功能檢測(cè)指標(biāo)。雖然雙腔體積描記法在1979年已作為一種參考技術(shù)用于豚鼠肺功能的檢測(cè)，但用于大鼠肺功能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的檢測(cè)未見報(bào)道。EMKA無創(chuàng)式動(dòng)物肺功能檢測(cè)分析儀是一種無創(chuàng)特殊氣道阻力與氣道高反應(yīng)的檢測(cè)分析系統(tǒng)，具有操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，敏感性高的特點(diǎn)[1]。EMKA能對(duì)多種動(dòng)物進(jìn)行檢測(cè)，無需麻醉及氣管插管，能夠完全自動(dòng)校準(zhǔn)，且能夠自動(dòng)感應(yīng)動(dòng)物種類并調(diào)整軟件分析參數(shù)設(shè)定，是清醒動(dòng)物有約束類檢測(cè)系統(tǒng)中唯一適合量篩選試驗(yàn)的儀器。本試驗(yàn)運(yùn)用無創(chuàng)雙腔法對(duì)正常大鼠的肺功能進(jìn)行檢測(cè)分析，為呼吸系統(tǒng)疾病的臨床研究提供科學(xué)、合理的基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與分組 健康SPF級(jí)6周齡～7周齡SD大鼠80只，大鼠平均體重200 g±20 g，雌雄各半。SD大鼠由廣東省醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供，許可證號(hào)：SCXK(粵)2013-0002。將雄大鼠(♂)編號(hào)為A1至A20，雌大鼠(♀)編號(hào)為B1至B20。大鼠適應(yīng)環(huán)境1周后用于試驗(yàn)。試驗(yàn)期間正常飲食，室內(nèi)溫度保持在23℃～25℃、濕度60%左右，光照時(shí)間保持在12 h左右(9:00 am ～21:00 pm)，籠具保持清潔衛(wèi)生。

1.1.2 試驗(yàn)儀器 EMKA小動(dòng)物無創(chuàng)式肺功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)購(gòu)于法國(guó)EMKA Technologies公司，小動(dòng)物無創(chuàng)式肺功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括EMKA 肺功能IOX數(shù)據(jù)采集軟件操作系統(tǒng)(IOX v 2.9)、EMKA 肺功能數(shù)模轉(zhuǎn)換器、前置放大器、傳感器、通氣泵等。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)環(huán)境模擬 正式試驗(yàn)前1周，每天對(duì)大鼠進(jìn)行模擬試驗(yàn)訓(xùn)練，試驗(yàn)時(shí)保持安靜，直至數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定和有規(guī)律后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.2 正式試驗(yàn) 試驗(yàn)開始第1天早晨6:00，按照標(biāo)號(hào)順序從A1到A20，將每只雄性大鼠放入雙腔室內(nèi)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，系統(tǒng)自動(dòng)生成數(shù)據(jù)并保存，每次測(cè)定時(shí)間約5 min。正式試驗(yàn)開始第1天中午12點(diǎn)，按照標(biāo)號(hào)順序從B1到B20，將每只雌性大鼠放入雙腔室內(nèi)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，同上。第1天剩余的兩個(gè)時(shí)間段，按照前兩個(gè)步驟要求重復(fù)操作。第2天開始，調(diào)換A、B組的試驗(yàn)順序，重復(fù)上面三個(gè)步驟操作。按照以上步驟重復(fù)以上操作2次，結(jié)束試驗(yàn)(表1)。

圖1 EMKA肺功能分析系統(tǒng)連接示意圖

時(shí)間Time6：0012：0018：0024：00-4d(simulation)♂♀-3d(simulation)♂♀-2d(simulation)♀♂-1d(simulation)♀♂0d(Rest)+1d(Start)♂♀♂♀+2d(Start)♀♂♀♂+3d(Start)♂♀♂♀+4d(Start)♀♂♀♂

連接好設(shè)備后，將大鼠引入雙腔室，固定住大鼠并盡量減少應(yīng)激，使其在雙腔室內(nèi)保持平靜后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。使用EMKA 肺功能IOX數(shù)據(jù)采集軟件操作系統(tǒng)按規(guī)范程序進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果

2.1 不同時(shí)間段大鼠肺功能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

40只健康大鼠進(jìn)行4天的肺功能測(cè)試，其數(shù)據(jù)采集采用EMKA肺功能分析系統(tǒng)(圖2)，將大鼠在四個(gè)時(shí)間段各項(xiàng)肺功能指標(biāo)的變化情況進(jìn)行整理(表2)。試驗(yàn)結(jié)果表明大鼠肺功能的各項(xiàng)指標(biāo)都有不同程度的變化：TV與EV的18:00分別與6:00和12:00差異顯著(P<0.05)；MV和EF50的6:00與18:00差異顯著(P<0.05)；Ti的12:00與其他3個(gè)時(shí)間段差異顯著(P<0.05)；Te、PIF、PEF、RT、Penh、f、EIP的6:00與其他3個(gè)時(shí)間段的值差異具有顯著性(P<0.05)；EEP的6:00與12：00、24:00差異顯著(P<0.05)；SRaW的6:00與12:00、18:00差異顯著(P<0.05)；SGaW的12:00與24:00差異顯著(P<0.05)，而6:00與其他3個(gè)時(shí)間段具有顯著性(P<0.05)差異；同時(shí)Pau與dT的4個(gè)時(shí)間段的值均無差異(P>0.05)。

2.2 不同性別大鼠肺功能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

分別對(duì)雌、雄大鼠肺功能各項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)除了TI、Pau、penh和EEP外，所有檢測(cè)結(jié)果差異顯著(P<0.05)。結(jié)果如表3所示。

2.3 大鼠肺功能正常參數(shù)值范圍

通過上述指標(biāo)測(cè)定結(jié)果，本試驗(yàn)計(jì)算了正常生理情況下，SD大鼠肺功能正常參考范圍，如表4所示。

3 討論

目前對(duì)大鼠肺功能檢測(cè)的方法與指標(biāo)不多，對(duì)動(dòng)物存在較大損傷，且尚未有完整的SD大鼠肺功能正常參考值范圍報(bào)道。比如安志遠(yuǎn)等在麻醉動(dòng)物手術(shù)中切開氣管后用AniRes2005動(dòng)物肺功能分析系統(tǒng)檢測(cè)了Wistar大鼠部分肺功能指標(biāo)[3]，如吸氣阻力(Ri)、呼氣阻力(Re)、最大通氣量(MVV)等，試驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，檢測(cè)指標(biāo)比較少，而且對(duì)動(dòng)物造成傷害較大。本研究采用無創(chuàng)方法檢測(cè)SD大鼠肺功能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)動(dòng)物無傷害、且測(cè)量的數(shù)據(jù)比較全面，高達(dá)17項(xiàng)，能夠?yàn)榕R床呼吸系統(tǒng)肺功能檢測(cè)提供科學(xué)、合理的試驗(yàn)依據(jù)。

圖2 EMKA肺功能分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集圖

項(xiàng)目Item時(shí)間Time6：0012：0018：0024：00TV1．16±0．23a1．04±0．20a0．85±0．24b1．00±0．33abEV1．16±0．29a1．04±0．20a0．85±0．23b1．00±0．03abMV254．90±66．64a208．32±49．88ab187．40±54．99b213．38±62．45abTi141．23±15．80b152．13±17．99a139．67±16．60b143．65±17．67bTe156．30±22．67b182．84±32．72a173．82±34．27a176．81±33．66aPIF13．11±3．15a10．58±2．45b9．56±2．65b10．95±30bPEF12．69±2．54a10．11±2．79b9．19±2．92b10．33±3．02bRT96．46±13．73b114．62±25．11a110．80±28．23a109．31±19．58af218．30±19．56a191．52±20．65b192．66±17．64b184．90±16．92bEIP2．40±0．62b2．87±0．53a2．85±0．49a2．75±0．55aEEP17．90±2．46b20．58±3．58a19．40±3．62ab20．36±4．07aPau0．65±0．05a0．62±0．09a0．62±0．10a0．64±0．08aPenh0．67±0．12a0．60±0．13b0．60±0．14b0．61±0．10bdT43．95±15．32a37．83±9．70a39．63±14．91a40．59±14．54aSRaw47．62±10．79a34．49±9．26b34．33±13．08b37．68±13．24abSGaw0．02±0．005c0．11±0．042a0．10±0．053b0．07±0．024bEF5010．82±2．00a9．02±2．40ab8．05±2．64b9．33±2．81ab

注：同一行小寫字母不同，表示差異顯著，P<0.05。

Note：Data with different small letters mean significant difference (P< 0.05).

大鼠肺功能TV表示平靜呼吸時(shí)每次吸入或呼出的氣體，EV是指一定時(shí)間內(nèi)所能呼出的氣體量，兩者的生理學(xué)意義完全不同，但是本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)TV與EV的平均值相等都為1.01 mL，我們推測(cè)造成這種結(jié)果的原因是動(dòng)物不能有意識(shí)的盡最大的力呼吸，因而儀器檢測(cè)到的最大呼氣量并不準(zhǔn)確，導(dǎo)致兩個(gè)數(shù)值的平均值一樣，更深的其他原因還有待進(jìn)一步研究。PEF是深吸氣后用力快速呼氣時(shí)的最高呼氣流速。PIF指用力呼氣和吸氣的最大流速。f是指每分鐘呼吸的次數(shù)。有報(bào)道指出[4-5]，使用BUXCO@HOP系統(tǒng)檢測(cè)雄性大鼠的f在100 bpm～250 bpm，MV在200 mL～300 mL，而本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)這幾個(gè)指標(biāo)分別為200.44 bpm±17.04 bpm、1.31 mL±0.40 mL、279.45 mL±73.36 mL，與報(bào)道相符合。同時(shí)，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)用全身體積描計(jì)(WBP)測(cè)量的f、TV、MV、PIF與PEF的值(本文未列出)跟用雙腔法測(cè)量的有很大差異。除此之外，我們的試驗(yàn)結(jié)果表明雙腔法還可以測(cè)定SRaw、SGaw和EF50，而WBP則不能檢測(cè)。這是由于WBP是整個(gè)動(dòng)物的呼吸氣流都一起檢測(cè)，動(dòng)物不受約束，而雙腔法是動(dòng)物的鼻部與胸部分開測(cè)量，因此對(duì)具體部位肺功能指標(biāo)檢測(cè)更精確。Penh是標(biāo)準(zhǔn)通氣指標(biāo)，該值用于小動(dòng)物整個(gè)肺功能的總體篩選，可反映氣道反應(yīng)性[6]。 哮喘是一種氣道梗阻常伴有不同程度的氣道高反應(yīng)性，Penh值越大，說明哮喘模型越成功，因此，在哮喘模型以及治療時(shí)經(jīng)常把Penh作為一個(gè)重要檢測(cè)指標(biāo)[7]。同時(shí)，哮喘模型還關(guān)注PEF、PIF、f和TV等指標(biāo)的變化[8-9]。SRaw表示氣道的反應(yīng)性，適用于各種阻塞式通氣功能障礙性疾病，阻力增大可表現(xiàn)為咳嗽、氣短，在慢性支氣管炎、肺氣腫情況下阻力明顯增加；EF50直接與氣道阻力相關(guān)[10]，有研究報(bào)道雙腔體積描記法檢測(cè)EF50是首次用于測(cè)量清醒小鼠氣道反應(yīng)性的有效方法，并常用于試驗(yàn)性哮喘的動(dòng)物模型、肺切除后的動(dòng)物模型、高氧動(dòng)物模等[11]。以上結(jié)果提示我們采用雙腔法檢測(cè)肺功能指標(biāo)在哮喘、咳嗽、支氣管炎等呼吸道疾病的檢測(cè)中更為準(zhǔn)確、可靠。

表3 大鼠肺功能不同性別檢測(cè)結(jié)果

注：同行小寫字母不同，表示差異顯著，P<0.05。

Note：Data with different small letters mean significant difference (P< 0.05).

表4 大鼠肺功能參考值范圍

晝夜節(jié)律對(duì)大鼠的能量代謝有一定的影響，在夜間休息狀態(tài)下，其生理的能量代謝也會(huì)降低，早上生理代謝比較旺盛[12]。本研究發(fā)現(xiàn)大鼠TV、MV、PIF、PEF、f、Pau、Penh、SRaW和EF50的6:00的測(cè)量值均比其他三個(gè)時(shí)間段高，其中PIF、PEF、f、Penh、SRaw、SGaW和EF50明顯高于24點(diǎn)，說明機(jī)體夜間代謝相對(duì)較低。同時(shí)，潮氣量、最大呼吸量等都與呼吸習(xí)慣、肌體的新陳代謝有一定的關(guān)系[13]。本研究表明大鼠肺功能其他各個(gè)指標(biāo)在不同的時(shí)間段都有顯著性差異，說明在一天不同的時(shí)間段大鼠肺的生理功能是變化的，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其變化都在正常生理范圍內(nèi)。因此，可以選擇在任一時(shí)段進(jìn)行藥理學(xué)、毒理學(xué)等方面的研究，但為了試驗(yàn)的齊性更好，應(yīng)盡量避免夜間睡眠時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。

不同性別對(duì)肺病的敏感性是不同的，男女在正常生理狀態(tài)下的呼吸功能也有小部分不同[21]。本研究分別對(duì)雌、雄大鼠肺功能各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)結(jié)果表明大鼠肺功能主要指標(biāo)Ti、Penh和EEP這4項(xiàng)指標(biāo)在不同性別中無顯著差異外，其他指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果都有顯著差異，這與已有報(bào)道相符合[14]。由于性別不同引起部分參數(shù)有差異，這提示我們?cè)谒幬镅邪l(fā)中，如果用藥目標(biāo)不是單一性別，那么必須選擇兩種性別的大鼠進(jìn)行試驗(yàn)，而且需分別統(tǒng)計(jì)分析。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，采用無創(chuàng)雙腔法檢測(cè)SD大鼠肺功能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以制定一份準(zhǔn)確全面的肺功能檢測(cè)參考值范圍，為后期進(jìn)行各種藥理學(xué)試驗(yàn)以及呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)疾病的診斷、治療和評(píng)估[15]提供試驗(yàn)依據(jù)，對(duì)呼吸系統(tǒng)疾病動(dòng)物醫(yī)學(xué)研究和臨床治療具有重要的指導(dǎo)意義。

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DevelopmentofDetectionIndicesofNoninvasiveLungFunctioninRats

LIU Jun-dan,QIU Wen-cai,LI Zi-yuan,LIANG Wei-shen,TANG Lu-ping,HE Yong-ming

(DepartmentofVeterinaryMedicine,FoshanUniversity,Foshan,Guangdong,528000，China)

The basic data of the rat lung functions were measured by double cavity method,which would provide a reference for the detection of pulmonary function in the rat animal models related to respiratory system diseases.17 items of lung functions in 40 (Sprague-Dawley) SD rats were determined by EMKA noninvasive pulmonary function monitoring system,which were tidal volume,TV; expired volume,EV; minute volume,MV; inspiratory time,Ti; expiratory time,Te; peak inspiratory flow,PIF; peak expiratory flow,PEF; relaxtion time,RT; breathing frequency,f; end-inspiratory pause,EIP; end-expiratory pause,EEP; pause,Pau; enhanced pause,Penh; time delay,dT; specific airway resistance,SRaw; specific airway conductance,SGaw and mid-expiratory flow,EF50.The measured values were as follows : TV was 1.01 mL (0.41-2.23),EV 1.01 mL (0.41-2.22),MV 226.02 mL (76-517),Ti 144.17 msec (108-204),Te 172.45 msec (118-265),PIF 11.05 mL/s (4.6-27.1),PEF 10.58 mL/s (3.4-23.9),RT 107.08 msec (76-188),f 196.88 bpm (141-255),EIP 2.72 msec (2-4),EEP 19.956 msec (13-32),Pau 0.63 (0.41-0.88),Penh 0.62 (0.33-1.06),dT 39.56 msec (4.56-96.38),SRaw 38.53 cmH2O.s (2.27-83 ),SGaw 0.078 l/cmH2O.s (0.01-0.37) and EF 50 9.5 mL/s(3-20).Meanwhile,the results showed that partial indicators of pulmonary functions in rats had significant differences between different periods and gender.Multi-indices of noninvasive lung function in SD rats were measured for the first time,which had irreplacable value for the study of respiratory diseases and the establishment of relevant standards.

noninvasive lung function testing analyzer; air flow signal; double body cavity; lung function

2017-03-04

十二五農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題(2011BAD34B00);農(nóng)業(yè)部行業(yè)科技專項(xiàng)(201003060-09);廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A040404048);佛山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(佛財(cái)工〔2015〕143 )

劉俊丹(1991-)，女，廣西人，碩士研究生，主要從事中獸藥研制和開發(fā)工作?！魍蓉暙I(xiàn)作者。*

S852.2

A

1007-5038(2017)12-0049-05