李宏玉,尹 俠,張世強(qiáng),朱路文,唐 強(qiáng)*
1黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第二醫(yī)院,黑龍江 哈爾濱150001;
2黑龍江中醫(yī)藥大學(xué),黑龍江 哈爾濱150040
心肌缺血是冠心病基本的病理、生理過程,盡早恢復(fù)缺血心肌的血流灌注能夠挽救缺血心肌,顯著提高治療效果;但心肌缺血再灌注損傷(myocardial ischemia reperfusion injury,MIRI)成為影響冠心病治療的重要因素。缺血預(yù)適應(yīng)(ischemic preconditioning,IPC)是心肌保護(hù)的新概念,是MURRY等[1]于1986年首次提出,是迄今為止最有效的內(nèi)源性心肌缺血保護(hù)方法[2-3],其通過反復(fù)、短暫的缺血/再灌注刺激后,使心肌對(duì)之后更長(zhǎng)時(shí)間缺血缺氧等刺激的耐受性增強(qiáng),對(duì)心肌細(xì)胞產(chǎn)生一定的保護(hù)作用。有研究顯示,運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生IPC樣類似的保護(hù)效應(yīng),運(yùn)動(dòng)預(yù)處理(exercise preconditioning,EP)作為一種生理性模仿缺血預(yù)適應(yīng)的預(yù)處理方式,通過在缺血前進(jìn)行適宜強(qiáng)度、重復(fù)多次的運(yùn)動(dòng)干預(yù),可以模擬缺血預(yù)處理的模式來增強(qiáng)心臟對(duì)缺血、缺氧的耐受能力,引起心肌保護(hù)效應(yīng)[4-6]。這可為防治冠心病提供新思路和新途徑,與中醫(yī)“治未病”的疾病防治準(zhǔn)則相一致。流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能減少心臟疾病危險(xiǎn)因素,降低冠心病的發(fā)生率和病死率[7]。因此,本研究通過建立離體心肌缺血/再灌注模型探討運(yùn)動(dòng)預(yù)處理誘導(dǎo)老齡大鼠心肌發(fā)揮IPC的保護(hù)作用機(jī)制,為臨床應(yīng)用提供參考。
選取SPF級(jí)雄性SD老齡大鼠75只,鼠齡:15~18個(gè)月,體質(zhì)量(450±20)g,購(gòu)買于黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)藥物安全性評(píng)價(jià)中心[動(dòng)物使用許可證:SYXK(黑)2019002]。飼養(yǎng)環(huán)境:通風(fēng)良好、自由飲水、人工光照12 h/12 h(明暗交替)、溫度(21±2)℃、濕度(60±5)%的標(biāo)準(zhǔn)屏障環(huán)境。
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)跑臺(tái)(徐州利華電子公司,ZH-PT型);Langendorff離體心臟灌流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(江蘇賽昂斯生物技術(shù)有限公司);-80℃超低溫冰箱(日本Panasonic公司);BioNex臺(tái)式多導(dǎo)生理信號(hào)記錄儀(美國(guó)Mindware公司);2,3,5-氯化三苯基四氮唑(美國(guó)Sigma公司);無水乙醇(天津市天力化學(xué)試劑公司);多聚甲醛(天津光科密歐有限公司);肝素鈉注射液(天津生物化學(xué)制藥有限公司,規(guī)格:1萬U/mL)。
采用電動(dòng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)跑臺(tái)進(jìn)行訓(xùn)練,1次/d,共訓(xùn)練3 d。跑臺(tái)參數(shù)如下:①時(shí)間:30 min/d;②速度:15 m/min;③坡度:0°;④電擊強(qiáng)度:1.0 mA。淘汰標(biāo)準(zhǔn):1次訓(xùn)練中電擊次數(shù)>5次和/或1次電擊時(shí)間>1 s的大鼠。跑臺(tái)訓(xùn)練完成后,淘汰15只大鼠,共納入60只配合度較高、體質(zhì)較好的大鼠。按照隨機(jī)數(shù)字表法分為對(duì)照組(Con組)、缺血再灌注模型組(IR組)、運(yùn)動(dòng)預(yù)處理+缺血再灌注組(EP+I(xiàn)R組)、缺血預(yù)適應(yīng)組(IPC組)、運(yùn)動(dòng)預(yù)處理+缺血預(yù)適應(yīng)組(EP+I(xiàn)PC組),每組12只。
Con組、IR組、IPC組不做特殊運(yùn)動(dòng)干預(yù);EP+I(xiàn)R組、EP+I(xiàn)PC組接受運(yùn)動(dòng)預(yù)處理干預(yù),具體如下:采用電動(dòng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)跑臺(tái)進(jìn)行梯度運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,1次/d,5 d/周,共訓(xùn)練6周。跑臺(tái)參數(shù)如下:①時(shí)間:起始15 min/d,每3 d時(shí)間增加5 min/d,直至?xí)r間增至60 min/d時(shí)不再變化;②速度:20 m/min;③坡度:0°;④電擊強(qiáng)度:1.0 mA。
選取1%戊巴比妥鈉溶液經(jīng)腹腔注射(40~50 mg/kg)對(duì)大鼠進(jìn)行麻醉[8],為防止血管凝血選取肝素鈉溶液經(jīng)腹腔注射(100 U/100 g)。麻醉后,將大鼠固定、開胸、迅速取出心臟,用1號(hào)線將離體心臟固定在Langendorff離體灌流裝置上,采用95%O2和5%CO2混合氣體及37℃Krebs-Henseleit(K-H)灌流液恒溫恒壓灌流,制備老齡大鼠離體心肌缺血再灌注動(dòng)物模型。
2.3.1 Con組模型 當(dāng)心臟離體之后,快速主動(dòng)脈插管進(jìn)行離體灌流,持續(xù)平衡灌注180 min,不參與缺血處置[9-10]。
2.3.2 IR組模型 預(yù)灌注平衡20 min,然后保持心臟溫度恒定在37℃,通過控制灌流設(shè)備的三通閥,使全心缺血40 min后,再?gòu)?fù)灌120 min。
2.3.3 EP+I(xiàn)R組模型EP+I(xiàn)R組大鼠心臟離體后,模型制備方法同IR組。
2.3.4 IPC組模型IPC組大鼠心臟離體后平衡灌注20 min,給予3次缺血預(yù)處理(短暫缺血5 min,再灌注10 min),之后缺血40 min,再?gòu)?fù)灌120 min。
2.3.5 EP+I(xiàn)PC組模型EP+I(xiàn)PC組大鼠心臟離體后,模型制備方法同IPC組。
2.4.1 灌流液取材 各組大鼠在停灌注前(穩(wěn)定灌注20 min)和再灌注后30、60、120 min時(shí),用2 mL EP管留取1 min心臟灌流液,并用量筒準(zhǔn)確測(cè)量灌流液體積,隨后離心,取上清保存于-20℃冰箱中以備LDH活性檢測(cè)。
2.4.2 心肌組織取材 各組大鼠離體心臟在灌流結(jié)束后取下全心,每組隨機(jī)選取6只用于心肌梗死面積觀察。4℃PBS溶液沖洗心臟表面及內(nèi)腔血液并用濾紙吸干水分,-20℃冷凍20 min后進(jìn)行染色。6只大鼠心肌組織用生理鹽水洗凈,經(jīng)液氮速凍后,置于-80℃冰箱保存用于超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)及丙二醛(malondialdehyde,MDA)檢測(cè)。
2.5.1 心臟功能評(píng)價(jià) 心臟恢復(fù)跳動(dòng)后,連接生物信號(hào)采集系統(tǒng),分別采用以下指標(biāo)評(píng)價(jià)大鼠心功能:①停灌注前(穩(wěn)定灌注20 min)和再灌注后30、60、120 min時(shí)的心率(heart rate,HR);②左心室舒張壓(left ventricular developed pressure,LVDP);③左心室壓力最大上升速率(+dp/dtmax);④左心室壓力最大下降速率(-dp/dtmax)。⑤接取1 min心臟灌流液,測(cè)定體積及冠脈流量(coronary flow,CF)。
2.5.2 TTC染色法觀察各組心肌梗死面積 灌流結(jié)束后取材,隨后放置于-20℃冰箱冷凍30 min,配制1% TTC染色液后置于37℃恒溫箱中避光預(yù)熱30 min。隨后沿心臟縱軸進(jìn)行組織切片,連續(xù)切成厚度約2 mm相同的6片心肌組織。孵育、定色、拍照、用圖像分析軟件Image Pro Plus 6.0來測(cè)定梗死區(qū)結(jié)果分析,梗死面積用梗死區(qū)(蒼白區(qū))面積/全心面積(磚紅色區(qū)+蒼白區(qū))的百分比表示。
2.5.3 比色法檢測(cè)乳酸脫氫酶活性、心肌組織含量及活力
2.5.3.1 乳酸脫氫酶活性 取再灌注后120 min留取的2 mL灌流液(-80℃保存),按檢測(cè)試劑盒(可見光比色法)說明書測(cè)定灌流液中乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)的活性。
2.5.3.2 心肌組織含量及活力 取出-80℃冰箱保存的心肌組織,分別按照檢測(cè)試劑盒說明書測(cè)定MDA含量及SOD活力。
采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料符合正態(tài)分布,數(shù)據(jù)以(±s)表示。組間比較采用單因素方差分析,組內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)比較采用重復(fù)測(cè)量方差分析,兩兩比較方差齊用LSD-t檢驗(yàn),方差不齊則用Tamhane"s T2檢驗(yàn)。P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
見表1。
5組大鼠心肌組織經(jīng)TTC染色后,非梗死區(qū)域呈磚紅色,梗死區(qū)域呈蒼白色。Con組無缺血模型制備,故無梗死面積變化;與Con組比較,IR組心肌梗死面積明顯增大(P<0.05);與IR組比較,EP+I(xiàn)R組、IPC組、EP+I(xiàn)PC組 心 肌 梗 死 面 積 明 顯 縮 ?。≒<0.05);與EP+I(xiàn)R、IPC組比較,EP+I(xiàn)PC組心肌梗死面積明顯更?。≒<0.05);EP+I(xiàn)R組和IPC組比較,心肌梗死面積差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見圖1、表2。
3.3.1 5組大鼠心臟再灌注120 min灌流液LDH活性水平比較 見表3。
3.3.2 5組大鼠心肌組織MDA含量、SOD活性比較 見表4。
MIRI是一系列復(fù)雜的病理、生理變化,損傷機(jī)制具體包括線粒體損傷、細(xì)胞凋亡、炎癥反應(yīng)及氧化應(yīng)激等[11-12]。運(yùn)動(dòng)預(yù)適應(yīng)對(duì)心肌細(xì)胞保護(hù)作用的機(jī)制較為復(fù)雜,目前認(rèn)為,其主要與運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)心肌細(xì)胞適應(yīng)性保護(hù)有關(guān)。
再灌注后心律失常是心肌缺血再灌注損傷的重要表現(xiàn)之一。如何預(yù)防或減少心肌缺血再灌注損傷是臨床研究的熱點(diǎn)之一。本研究結(jié)果顯示,與IR組比較,EP+I(xiàn)PC組灌注后HR、LVDP、±dp/dtmax、CF等心功能指標(biāo)均明顯提高,這提示,缺血再灌注前給予一定的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練以及缺血預(yù)處理能有效提高M(jìn)IRI老齡大鼠心臟功能。與EP+I(xiàn)R、IPC組比較,EP+I(xiàn)PC組灌注后HR、±dp/dtmax、CF均明顯升高,這提示,在缺血再灌注前給予一定程度的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,能夠有效增強(qiáng)MIRI老齡大鼠心肌缺血預(yù)適應(yīng)誘導(dǎo)的心功能。這與孫華偉[13]研究發(fā)現(xiàn)速度遞增的跑臺(tái)訓(xùn)練能明顯改善心功能;王立中等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)冠心病患者及經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療術(shù)后出院患者,接受適宜強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以增強(qiáng)患者的運(yùn)動(dòng)耐力、改善心臟舒張功能,并降低再入院率的結(jié)果
相似。但其究竟是如何發(fā)揮心臟保護(hù)作用的,目前尚未形成統(tǒng)一結(jié)論。有研究顯示,進(jìn)行一定強(qiáng)度的EP可以增強(qiáng)心臟IPC的保護(hù)效應(yīng),通過提高心肌對(duì)抗缺血缺氧的耐受程度,誘導(dǎo)改善心臟收縮舒張功能,從而發(fā)揮心肌保護(hù)作用[16-17]。
表1 5組心臟功能指標(biāo)比較(±s)Table 1 Comparison of cardiac function indexes in five groups(±s)
注:與Con組同一時(shí)間點(diǎn)比較,1)P<0.05;與IR組同一時(shí)間點(diǎn)比較,2)P<0.05;與EP+IR組同一時(shí)間點(diǎn)比較,3)P<0.05;與IPC組同一時(shí)間點(diǎn)比較,4)P<0.05。Note:Compared with the Con group at the same time,1)P<0.05;Compared with the IR group at the same time,2)P<0.05;Compared with the EP+IR group at the same time,3)P<0.05;Compared with the IPC group at the same time,4)P<0.05.
+dp/dtmax/(Kpa/s)3 083.5±160.7 2 461.9±92.3 2 317.1±309.6 2 024.2±175.3 2 801.4±161.91)802.0±98.91)782.2±81.71)759.6±170.21)2 919.1±179.0 1 395.6±187.22)1 285.2±242.32)1 302.6±131.32)2 922.3±165.1 1 386.2±169.52)1 302.1±264.92)1 310.2±143.22)3 058.6±130.02)1 791.7±127.42)3)4)1 761.6±286.72)3)4)1 658.7±77.12)3)4)組別n Con組12 IR組12 EP+I(xiàn)R組12 IPC組12 EP+I(xiàn)PC組12時(shí)間再灌注前再灌注30 min再灌注60 min再灌注120 min再灌注前再灌注30 min再灌注60 min再灌注120 min再灌注前再灌注30 min再灌注60 min再灌注120 min再灌注前再灌注30 min再灌注60 min再灌注120 min再灌注前再灌注30 min再灌注60 min再灌注120 min HR/(次/min)300.2±17.9 256.0±24.8 246.5±14.6 236.6±12.8 277.5±16.21)107.4±16.11)99.9±11.71)106.3±17.51)285.3±19.7 133.4±13.32)119.3±13.72)132.4±17.42)285.8±17.4 136.9±14.72)120.5±12.62)134.2±16.92)284.2±18.2 185.8±16.22)3)4)166.9±18.62)3)4)183.5±21.42)3)4)LVDP/mm Hg 111.4±8.6 78.8±6.6 69.1±8.3 63.8±9.7 98.0±6.61)25.2±11.01)30.2±7.21)25.9±15.21)103.8±7.0 52.5±5.62)53.6±10.02)45.4±7.82)105.3±6.3 54.6±6.12)53.2±12.22)44.6±10.22)113.1±13.42)69.6±11.22)3)4)62.5±12.42)56.9±11.22)-dp/dtmax/(Kpa/s)2 365.2±96.9 1 853.3±220.4 1 827.1±150.7 1 684.2±158.7 2 292.9±172.71)837.4±184.91)801.5±131.91)844.5±95.61)2 315.2±180.3 1 154.6±164.02)1 176.8±155.42)1 211.4±151.32)2 308.1±163.2 1 138.6±163.92)1 169.3±156.32)1 208.3±147.82)2 309.6±182.4 1 578.2±156.72)3)4)1 677.7±76.72)3)4)1 525.5±133.02)3)4)CF/(mL/min)9.4±0.9 7.9±0.5 7.6±0.5 6.4±0.7 9.3±0.41)5.6±0.51)3.8±0.51)3.2±0.91)9.4±0.7 6.8±0.42)5.2±0.52)4.2±1.02)9.3±0.4 6.6±0.32)5.3±0.72)4.1±0.72)9.7±0.8 7.4±0.62)3)4)6.9±0.72)3)4)5.6±0.82)3)4)
圖1 5組大鼠心肌梗死面積TTC染色結(jié)果Figure 1 TTC staining results in the area of myocardial infarction in five groups
表2 5組大鼠心肌梗死面積比率比較(±s)Table 2 Comparison of myocardial infarction areas ratio(±s)
表2 5組大鼠心肌梗死面積比率比較(±s)Table 2 Comparison of myocardial infarction areas ratio(±s)
注:與Con組比較,1)P<0.05;與IR組比較,2)P<0.05;與EP+I(xiàn)R組比較,3)P<0.05;與IPC組比較,4)P<0.05。Note:Compared with the Con group,1)P<0.05;Compared with the IR group,2)P<0.05;Compared with the EP+IR group,3)P<0.05;Compared with the IPC group,4)P<0.05.
心肌梗死面積比率/%0 24.35±0.491)13.88±0.322)13.91±0.402)10.07±0.172)3)4)組別Con組IR組EP+I(xiàn)R組IPC組EP+I(xiàn)PC組n66666
表3 5組大鼠灌流液中LDH活性水平比較(±s)U/LTable 3 Comparison of LDH activity levels in five groups(±s)U/L
表3 5組大鼠灌流液中LDH活性水平比較(±s)U/LTable 3 Comparison of LDH activity levels in five groups(±s)U/L
注:與Con組比較,1)P<0.05;與IR組比較,2)P<0.05;與EP+I(xiàn)R組比較,3)P<0.05;與IPC組比較,4)P<0.05。Note:Compared with the Con group,1)P<0.05;Compared with the IR group,2)P<0.05;Compared with the EP+IR group,3)P<0.05;Compared with the IPC group,4)P<0.05.
組別Con組IR組EP+I(xiàn)R組IPC組EP+I(xiàn)PC組n66666 LDH活性51.679±7.410 152.974±14.8301)105.923±13.3132)110.456±13.6132)78.361±16.8042)3)4)
表4 5組大鼠心肌組織MDA含量、SOD活力比較(±s)nmol/mgprotTable 4 Comparison of MDA and SOD content of myocardial tissue in five groups(±s)nmol/mgprot
表4 5組大鼠心肌組織MDA含量、SOD活力比較(±s)nmol/mgprotTable 4 Comparison of MDA and SOD content of myocardial tissue in five groups(±s)nmol/mgprot
注:與Con組比較,1)P<0.05;與IR組比較,2)P<0.05;與EP+I(xiàn)R組比較,3)P<0.05;與IPC組比較,4)P<0.05。Note:Compared with the Con group,1)P<0.05;Compared with the IR group,2)P<0.05;Compared with the EP+IR group,3)P<0.05;Compared with the IPC group,4)P<0.05.
組別Con組IR組EP+I(xiàn)R組IPC組EP+I(xiàn)PC組n66666 MDA含量3.498±1.322 7.199±0.9901)5.910±1.090 6.866±1.076 3.706±0.2502)3)4)SOD活力530.278±15.787 414.143±81.4731)437.787±31.574 429.803±49.081 522.346±13.5692)3)4)
TTC染色液可與正常心肌組織中的脫氫酶產(chǎn)生反應(yīng)而呈深紅色,但由于梗死心肌組織內(nèi)脫氫酶活性急劇下降,不能與染色液發(fā)生反應(yīng),故不會(huì)產(chǎn)生變化而呈蒼白色。本研究結(jié)果顯示,與Con組比較,IR組出現(xiàn)明顯的蒼白色梗區(qū),這直觀地從形態(tài)學(xué)角度驗(yàn)證了本研究MIRI模型制備成功。與IR組比較,EP+I(xiàn)R組、EP+I(xiàn)PC組心肌梗死面積明顯減小,這提示,在缺血再灌注前給予一定程度的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能夠大幅改善心肌損傷程度,縮小心肌梗死面積,達(dá)到保護(hù)心肌的效果。這與FRASIER等[18-20]研究發(fā)現(xiàn)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以減輕缺血再灌注后心律不齊、心肌頓抑、細(xì)胞凋亡以及心臟冠狀動(dòng)脈血管反應(yīng)異常等情況造成的心肌損傷,縮小心肌梗死面積的結(jié)果一致。PARRA等[21-22]研究認(rèn)為這可能與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以誘導(dǎo)心肌缺血耐受,提高心肌組織對(duì)缺血的預(yù)適應(yīng),從而減少心肌梗死面積有關(guān)。
本研究結(jié)果顯示:與EP+I(xiàn)R、IPC組比較,EP+I(xiàn)PC組LDH活性水平更低。這提示在缺血再灌注前給予一定程度的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,可以下調(diào)MIRI老齡大鼠的LDH含量,從而進(jìn)一步發(fā)揮心肌保護(hù)作用。這與郭光明[23]研究發(fā)現(xiàn)規(guī)律的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可下調(diào)大鼠血清中LDH含量的結(jié)果一致。LDH是機(jī)體能量代謝過程中重要的酶,它廣泛存在于心肌組織中,當(dāng)心肌組織受到破壞發(fā)生缺血壞死等情況時(shí),血液中LDH活性水平將激增[24],LDH活性水平增高將會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞進(jìn)一步損傷。
此外,本研究結(jié)果顯示,與IR組比較,EP+I(xiàn)PC組心肌組織中SOD活力明顯升高,MDA含量明顯降低。這提示,在缺血再灌注前給予一定程度的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,可以提高心肌抗氧化能力,能更有效地誘導(dǎo)老齡大鼠心肌IPC的心臟保護(hù)效應(yīng)。在心肌抗氧化能力方面,SOD和MDA是反映氧化應(yīng)激程度的2個(gè)重要指標(biāo)。SOD活力的強(qiáng)弱可以反映機(jī)體的抗氧化能力,MDA含量可以反映機(jī)體內(nèi)發(fā)生脂質(zhì)過氧化的程度[25]。缺血再灌注后氧化應(yīng)激促進(jìn)了氧化劑的積累,降低了心肌細(xì)胞的自由基清除能力,SOD活力弱化、MDA大量增加,導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷[26]。本研究IPC組心肌組織MDA含量、SOD活力較IR組無明顯差異,這提示老齡大鼠心肌IPC誘導(dǎo)心肌缺血耐受的敏感性不足。而與EP+I(xiàn)R、IPC組比較,EP+I(xiàn)PC組心肌組織中MDA含量明顯降低,SOD活力明顯升高,這提示,在缺血前進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù)可以使機(jī)體產(chǎn)生抗氧化能力的適應(yīng),使機(jī)體產(chǎn)生適量的自由基刺激抗氧化酶的活性,促進(jìn)機(jī)體SOD活力提高,降低MDA含量,從而上調(diào)機(jī)體抗氧化水平[27]。
運(yùn)動(dòng)預(yù)處理可誘導(dǎo)老齡大鼠心肌IPC保護(hù)作用,改善老齡大鼠心臟功能,減小心肌梗死面積,減輕心肌細(xì)胞損傷。運(yùn)動(dòng)預(yù)處理對(duì)缺血再灌注損傷心肌具有保護(hù)作用,可能與其降低心肌缺血再灌注時(shí)心肌LDH活性、MDA含量,提高SOD活力,增強(qiáng)心肌抗氧化能力有關(guān)。