不同β-肾上腺素能受体对低氧应激大鼠心脏舒缩功能的影响*

纪巧荣， 张 昱， 刘 杰， 曹成珠， 周 振， 袁周阳， 张 伟

(青海大学医学院， 青海省高原医学应用基础重点实验室， 青海 西宁 810001)

应激(stress)是机体受到内外环境刺激时出现的一种重要的非特异性防御反应。下丘脑-垂体-肾上腺皮质系统(hypothalamus-pituitary-adrenal cortex system，HPA)和交感-肾上腺髓质系统(sympathetic-adrenal medulla system)的激活作为重要的神经内分泌反应[1]，在应激反应中起着重要的调节作用。交感-肾上腺髓质系统的激活可引起儿茶酚胺(catecholamine，CA)类激素分泌增加，例如去甲肾上腺素(norepinephrine，NE)和肾上腺素(epinephrine，E)等大量释放会激活不同肾上腺素能受体，从而发挥针对心血管的调节作用，其中β-肾上腺素能受体(β-adrenergic receptor，β-AR)的激活在应激代偿调节中更具有意义。相关研究已证实内源性肾上腺素对低氧应激机体具有一定的保护作用，可能与肺循环中β-AR作用占主要优势有关[2]，但低氧应激下β-AR激活对心脏泵血功能的影响还不是很清晰。因此，研究低氧应激下不同β-AR对心脏泵血功能的影响对急性高原病的防治具有重要的临床意义。

材 料 和 方 法

1 实验动物

健康雄性SD大鼠购于北京维通利华实验动物技术有限公司，许可证号：SCXK(京)2012-0001，No.11400700064575，体重(300±20)g。动物的使用和处理经过青海大学医学院实验动物伦理委员会批准。

2 实验方法

2.1动物分组 大鼠随机分为 4 组(n=7)：正常对照(control)组、非选择性β-肾上腺素能受体阻断剂普萘洛尔组(propranolol group)、选择性β1-肾上腺素能受体阻断剂阿替洛尔组(atenolol group)和选择性β2-肾上腺素能受体阻断剂ICI 118,551组，其中control组经股静脉插管给予0.1 mL的生理盐水，其余各给药组经股静脉插管分别给予普萘洛尔(3 g/L，1 mg/kg)、阿替洛尔(6 g/L，2 mg/kg)和ICI 118,551(1.5 g/L，0.5 mg/kg)各0.1 mL，各药物的使用剂量是根据前期实验已验证的最适有效作用剂量[3]；分别于常氧(西宁，海拔2 260 m，20.9 % O2，79.1 % N2)和低氧(15.0 % O2，85.0 % N2)通气状态下进行实验，该低氧通气模型已在前期低氧影响肺循环的研究中证实是有效的急性低氧应激模型[4]。

2.2实验准备 各组大鼠禁食12 h 后，用2.5 %戊巴比妥钠(50 mg/kg，i.p.)麻醉并仰卧固定于恒温加热板(154 Huron Avenue Clifton，NJ 07013 USA)上，颈前正中和左腹股沟区备皮，直肠温度反馈维持体温在36.5 ℃～37.5 ℃。呼吸机(950 North Hague Avenue Columbus, Ohio 43204-2121 USA)参数为呼吸频率每分钟70次，潮气量6～7 mL·kg-1·min-1。压力传感器经水银检压计校准后与PowerLab 16/35生物信号采集系统(AD Instruments, Australia)连接，传感器高度维持在大鼠左心房水平。

2.3手术操作 将大鼠做颈前正中切口，分别行右颈外静脉插管和右颈总动脉插管，用充盈肝素生理盐水(2×104U/L)的聚乙烯导管(ID 0.58 mm，OD 0.96 mm)经右颈外静脉导入右心室监测右心室收缩压(right ventricular systolic pressure，RVSP)及右心室内压最大上升及下降速率(the maximum raise/decline rate of right ventricular pressure,±dp/dtmax)；聚乙烯导管(ID 0.50 mm，OD 0.80 mm)经右颈总动脉导入左心室监测左心室收缩压(left ventricular systo-lic pressure，LVSP)及左心室±dp/dtmax；左侧腹股沟做斜行切口，钝性分离股静脉，行股静脉插管(ID 0.58 mm, OD 0.96 mm)用于静脉给药。待各项指标趋于平稳，对照组经股静脉给生理盐水0.1 mL，各药物组经股静脉给予相应药物0.1 mL，待药物作用10 min后，分别在常氧及低氧通气状态下监测记录心率(heart rate，HR)、LVSP、RVSP及左、右心室±dp/dtmax的变化。

2.4动脉血气分析 各组大鼠在常氧和低氧通气5 min时取动脉血约20 μL，进行动脉血气分析(梅州康立高科技有限公司，BG-800A)。

3 统计学处理

采用StatView 5.0软件进行统计分析。实验数据用均数±标准差(mean±SD)表示。各组内均数两两比较采用配对t检验，组间均数比较采用独立样本t检验，多组均数比较采用单因素方差分析，以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1 低氧通气前后动脉血气分析结果

各组大鼠低氧通气前后分别采集动脉血进行血气分析对比，结果显示，与常氧下比较，低氧通气5 min后各组大鼠动脉血pH值的差异无统计学显著性；各组大鼠动脉血氧分压(arterial partial pressure of oxygen，PaO2)均明显降低(P<0.05)，且动脉血二氧化碳分压(arterial partial pressure of carbon dioxide，PaCO2)处于正常范围，见表1。

表1 低氧通气前后动脉血气分析结果

*P<0.05,**P<0.01vs20.9% O2condition of same group.

2 常氧和低氧下各实验组大鼠心脏舒缩功能指标变化的描记结果

应用PowerLab 16/35生物信号采集系统分别描记常氧和低氧下各实验组大鼠心脏舒缩功能指标变化曲线，结果显示，常氧下propranolol组和atenolol组的HR、LVSP、RVSP和左、右心室±dp/dtmax较给药前明显下降；低氧通气5 min后propranolol组与ICI 118,551组的RVSP和右心室±dp/dtmax明显升高，说明常氧下心脏β1-AR的阻断会明显降低全心的舒缩功能，低氧下心脏β2-AR的阻断会增强右心室的舒缩功能，见图1。

3 常氧下各实验组大鼠心脏舒缩功能指标的变化

通过对常氧下各实验组大鼠心脏舒缩功能指标变化进行统计分析显示，propranolol组和atenolol组药物作用10 min 后，HR、LVSP、RVSP及左、右心室±dp/dtmax均降低，ICI 118,551组仅LVSP和左心室±dp/dtmax降低(P<0.05)，见表2，表明阻断心脏β-AR后影响了心肌正常舒缩功能的维持，表现为左、右心室舒缩能力均较给药前明显降低。

4 低氧下各实验组大鼠心脏舒缩功能指标的变化

通过对低氧下各实验组心脏舒缩功能指标变化进行统计分析显示，低氧通气5 min后control组左心室舒缩力显著降低，但右心室舒缩力则明显升高；且propranolol组、atenolol组和ICI 118,551组右心室舒缩力也显著升高(P<0.05)。进一步对各指标变化程度进行分析显示，低氧control组各项指标的改变程度较propranolol组和atenolol组明显，即control组左心室±dp/dtmax较常氧时分别降低了19.7%和24.6%，右心室±dp/dtmax较常氧时分别升高了10.5%和14.9%；propranolol组左心室±dp/dtmax较常氧时分别降低了14.4%和19.5%，右心室±dp/dtmax较常氧时分别升高了9.4%和13.5%；atenolol组左心室±dp/dtmax较常氧时分别降低了12.8%和24.8%，右心室±dp/dtmax较常氧时分别升高了2.5%和11.0%；ICI 118,551组左心室±dp/dtmax较常氧时分别降低了24.6%和21.1%，右心室±dp/dtmax较常氧时分别升高了5.2%和13.2%，见表3。以上结果说明低氧应激对左、右心室心肌舒缩能力的影响是不一致的，且低氧下右心心肌代偿性的舒缩反应增强参与了低氧下右心功能的维持；同时低氧应激下β2-AR可能通过参与对肺循环血管的调节作用以维持肺循环和体循环间血流量的平衡。

讨 论

应激时交感神经兴奋和儿茶酚胺释放对心血管的作用主要通过激动β-AR来实现，会引起心率加快和心肌收缩力增强等，以获得环境突变时的心输出量储备。β-AR主要分为β1-AR、β2-AR和β3-AR 3种亚型，其中β1-AR主要分布在心肌细胞膜，对心脏的收缩性、自律性及传导性具有重要的调节作用；β2-AR主要分布于支气管平滑肌、骨骼肌血管及冠状血管等，介导平滑肌舒张和血管扩张[5]。本研究选用非选择性β-AR阻断剂普萘洛尔，阻断β1-AR和β2-AR，拮抗交感神经兴奋及儿茶酚胺的作用；同时选用选择性β1-AR阻断剂阿替洛尔及选择性β2-AR阻断剂ICI 118,551分别阻断β1-AR和β2-AR，进一步明确低氧下不同亚型β-AR在调控心肌舒缩功能中的作用[6]。

实验通过呼吸机吸入室内空气和低氧气体制作常氧和低氧的大鼠通气模型，于通低氧前后进行动脉血气对比，达到了研究急性低氧应激大鼠的实验效果[4]。

Figure 1. The tracing chart of cardiac function indexes in all groups under normoxia and hypoxia conditions.

图1常氧和低氧下各实验组大鼠心脏舒缩功能指标变化的描记图

低氧应激下control组的LVSP和左心室±dp/dtmax较常氧降低，而RVSP和右心室±dp/dtmax则较常氧升高，提示低氧应激对左、右心室的影响是不一致的，低氧下左心室表现出了舒缩能力降低，而右心室则表现出舒缩能力的增强。分析认为，机体的急性低氧会使心脏供氧减少[7]，随着无氧代谢增强产生的酸性代谢产物增多，可直接影响心肌细胞肌浆网钙泵对胞质内Ca2+的摄取和回收[8]，诱发心肌舒张速率的下降；同时，低氧引起代谢性酸中毒时，血管内的氢离子会降低血管对儿茶酚胺等缩血管物质的反应性诱使外周血管舒张[9]，将进一步减少心脏的回心血量，影响心脏的舒缩功能，进而使平均系统动脉压明显降低。Mendoza等[10]及Huang等[11]的研究也表明，低氧应激大鼠的平均系统动脉压可明显降低。对于右心室而言，低氧可直接引起肺循环血管的收缩[12]，促使肺动脉压力升高、加重右心室的后负荷。随着右心室舒张期回心血量的不断增加，右心室前负荷也将相应增大，依据Frank-Starling机制[13]，一定程度的心室前负荷增加引起的心肌纤维长度增加可诱发心肌紧张源性扩张，增强心肌收缩能力。由此诱发右室心肌产生紧张源性扩张，可代偿性增强右心室的收缩力，表现为右心室±dp/dtmax的升高。急性低氧时右心室后负荷的增加又会加重体循环的淤血和有效循环血量的降低，只有通过增加右心做功才能保障更多的血液进入到肺循环，以此维持左心的回心血量。本课题组前期的相关研究[14-15]均证实了低氧应激大鼠右心室收缩压升高，且升高的程度与低氧持续时间在一定范围内呈正相关，这也与上述结果相符合。

表2 常氧下药物作用10 min 后各组大鼠心脏舒缩功能指标的变化

*P<0.05vs0 min of same group;#P<0.05vs10 min of control group.

表3 低氧通气5 min后各组大鼠心脏舒缩功能指标的变化

*P<0.05vs0 min of same group;#P<0.05vs5 min of control group.

β-AR阻断剂可竞争性地与β-AR结合而拮抗肾上腺素能神经递质及β-AR激动的效应，主要包括对心脏功能的抑制和对部分血管平滑肌的舒张作用。心脏β1-AR阻断引起心肌舒缩力降低、心输出量减少，延缓房室间传导，且冠脉β2-AR阻断会影响心脏的供血、供氧，故心肌β-AR不同亚型阻断剂均可影响心脏功能的维持。非选择性β-AR阻断剂propranolol以及选择性β1-AR阻断剂atenolol可通过阻断心肌细胞β1-AR进而影响心脏舒缩功能，表现为心室内收缩压及±dp/dtmax的降低；选择性β2-AR阻断剂ICI 118,551阻断冠脉血管β2-AR，进而影响心脏的舒缩功能[6]。为明确不同亚型β-AR对低氧应激大鼠心肌舒缩力的调节效应，应用不同亚型β-AR阻断剂后给予低氧通气刺激显示，低氧下control组和ICI 118,551组的右心室内压及±dp/dtmax升高较propranolol组和atenolol组更为明显，认为可能与propranolol、atenolol阻断心肌β1-AR以后，心肌的舒缩功能已降低，对其它刺激的反应性降低，故低氧下2组大鼠心肌舒缩功能指标改变不明显。对于低氧propranolol组和atenolol组大鼠而言，β1-AR抑制产生的心脏的舒缩功能减弱和低氧应激下右心室紧张源性扩张引起的收缩力增强2种因素同时存在，因此右心室心肌舒缩功能的最终状况取决于这2种因素哪一种占优势。通过对低氧control组与propranolol组和atenolol组的RVSP、右心室±dp/dtmax变化量对比可看出，低氧下β1-AR阻断后右心舒缩力反而升高，但没有低氧control组升高的明显，这表明β1-AR的阻断对心功能还是起到了一定的抑制作用，然而低氧应激引发的右心室代偿性增强作用更为明显。此外，低氧下ICI 118,551组大鼠右心舒缩能力升高明显，认为β2-AR可能通过增加肺血管压，进而增加右心室血液充盈量，诱发右室舒缩能力的增加，进一步维持低氧应激下大鼠肺循环和体循环间的血流量平衡。

综上所述，急性低氧应激时交感兴奋引起的神经内分泌反应及心脏β1-AR的激活是心脏发挥代偿调节作用的重要方式，对心脏的舒缩功能起着重要的调节作用。同时，急性低氧下右心室可通过自身紧张源性扩张代偿引起右心收缩力增强，以此协调肺循环和体循环间的血流量，可见低氧应激下右心室的代偿作用在调节机体血流动力学方面显得尤为重要。