張舒婷，姚青青，李宜珊，施熠煒

（1. 山西醫(yī)科大學生物化學與分子生物學教研室，太原 030001；2. 山西醫(yī)科大學第一醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科，太原 030001）

肺動脈高壓（pulmonary hypertension，PH）是一種慢性肺循環(huán)疾病，由多種內外因素引起肺血管結構和（或）功能改變，使肺血管阻力進行性升高，最終肺動脈壓增高。PH 中有一類低氧性肺動脈高壓（hypoxic pulmonary hypertension，HPH），此類患者的5 年生存率僅為20%～36%，并且隨著病情進展，死亡率明顯升高[1-2]。因此，盡早發(fā)現和治療HPH 對于延緩病程，降低病死率極其重要。動脈血氣分析作為一種常用檢測方法，可以同時快速準確地檢測動脈血中血氣、電解質及代謝物等的變化，對于疾病的及時診療具有重要意義[3]，但是目前關于動脈血氣分析在H P H 中的作用相關研究還比較少。因此，本研究首先構建HPH 整體動物模型，然后進行動脈血氣分析，通過觀察動脈血氣分析指標的變化，探討動脈血氣分析指標在HPH 形成和發(fā)展中的作用及意義。

1 材料與方法

1.1 動物模型的構建和分組

SPF 級雄性SD 大鼠36 只，8 周齡，體質量200～250 g，購自山西醫(yī)科大學動物中心[SCXK(晉)2015-0001]。將大鼠在通風良好，環(huán)境安靜，溫度（24 ±2）℃的室內適應性飼養(yǎng)7 d，每日光照12 h，自由飲食[SYXK(晉)2015-0001]。隨后將大鼠分為常氧對照組和低氧1 d、3 d、7 d、14 d 和21 d 組，其中常氧對照組大鼠在設施內正常飼養(yǎng)（O2體積分數為21%），其余5 個低氧組大鼠按經典低氧艙造模方法放置在O2體積分數為10%的低氧艙（長沙長錦科技有限公司，CJDO2 245）內分別飼養(yǎng)1 d、3 d、7 d、14 d 和21 d。低氧艙內放有鈉石灰和氯化鈣，可吸收二氧化碳（CO2）和水蒸氣。每日打開艙門30 min清理低氧艙，并補充水和食物。本研究嚴格遵循科技部《關于善待實驗動物的指導性意見》的要求，在符合動物福利倫理的條件下進行。

1.2 測定大鼠右心室收縮壓(right ventricular systolic pressure，RVSP)和右心室肥厚指數（right ventricular hypertrophy index，RVHI）

低氧造模結束后，取出大鼠，按體質量向腹腔內注射質量分數為10%的水合氯醛（4 mL/kg）進行麻醉并固定。逐層暴露右頸外靜脈，將PE-50 聚乙烯導管（美國Scientific Commodities Inc公司產品）一端經右頸外靜脈插入右心室（right ventricular，RV），另一端連接PowerLab 多導生理記錄儀（澳大利亞ADInstruments 公司產品），采用右心導管法[4]測量RVSP。測定完成后，分離出心臟RV、左心室（left ventricular，LV）+室間隔（septum，S），分別稱取質量，并計算二者比值，以此評價右心室肥厚的程度，RVHI=RV/（LV+S）×100%。

1.3 肺組織Masson 染色及觀察

收集大鼠的右下肺，用質量分數為4%的甲醛溶液固定3 d，然后以不同體積分數的乙醇溶液脫水，二甲苯透明后，液體石蠟進行包埋，用切片機沿肺門紋理橫切，制作厚度約5μm 的肺組織切片，進行Masson 染色，顯微鏡下觀察肺動脈形態(tài)結構的病理學變化。

1.4 動脈血氣分析的測定

剖腹后，采用肝素抗凝針經腹主動脈取血2 mL，注意排出針管內的氣泡和隔絕空氣，使用ABL800 血氣分析儀（丹麥Radiometer 公司產品）在15 min 內進行動脈血檢測，測定指標包括血液酸堿度即p H 值、動脈血二氧化碳分壓（arterial partial pressure of carbon dioxide，PaCO2）、動脈血氧分壓（arterial partial pressure of oxygen，PaO2）、動脈血氧飽和度（arterial oxygen saturation，SaO2）、碳酸氫鹽（HCO3－）、鈉離子（N a+）、鉀離子（K+）、鈣離子（Ca2+）、血細胞比容（hematocrit，Hct）和血紅蛋白（hemoglobin，Hb）含量。

1.5 統(tǒng)計學方法

2 結果

2.1 大鼠RVSP 和RVHI 的變化

相較于常氧對照組，低氧各組的RVSP 和RVHI 明顯增高（P＜0.05），并且隨著低氧時間的延長呈升高趨勢（表1）。

2.2 肺動脈顯微結構觀察

Masson 染色觀察發(fā)現，常氧對照組肺動脈形態(tài)結構正常（圖1A）；低氧1、3 d 組肺動脈變化不明顯；低氧7、14、21 d 組可見肺動脈出現不同程度的改變，管壁增生肥厚且有大量膠原纖維沉積，管腔變窄，而且低氧時間越長，這種改變越明顯（圖1 B、C、D）。

表 1 大鼠RVSP和RVHI比較Table 1 Comparison of RVSP and RVHI in rats(± s)

表 1 大鼠RVSP和RVHI比較Table 1 Comparison of RVSP and RVHI in rats(± s)

注：RVSP 為右心室收縮壓，RVHI 為右心室肥厚指數；1 mmHg=0.133 kPa；與常氧對照組比較，*P ＜0.05。

組 別 n RVSP/mmHg RVHI/%常氧對照低氧 1 d低氧3 d低氧7 d低氧14 d低氧21 d F值P值6 6 6 6 6 6 23.76±2.01 35.31±2.98*40.37±4.21*48.29±2.66*46.18±5.95*50.13±3.17*100.00±0.00 114.96±19.51*122.21±21.58*134.57±29.11*150.80±18.86*153.96±24.14*46.272 6.543<0.001 0.001

2.3 動脈血氣分析各指標水平

2.3.1 血氣指標pH、PaCO2、PaO2、SaO2和HCO3－水平比較

與常氧對照組相比，低氧各組pH 和HCO3－水平明顯降低（P＜0.05），低氧21 d 組PaCO2明顯增高（P＜0.05），低氧14 d 組PaO2和SaO2明顯降低（P＜0.0 5）（表2）。

2.3.2 電解質指標Na+、K+和Ca2+水平比較

相比于常氧對照組，低氧3、7、14 和21 d組Na+水平下降明顯（P＜0.05），低氧1、3、7 和21 d 組K+水平升高明顯（P＜0.05），低氧3 d 組Ca2+水平下降明顯（P＜0.05）（表3）。

2.3.3 生化指標Hct、Hb 水平比較

與常氧對照組比較，低氧各組（1、3、7、14、21 d）的Hct 和Hb 水平均明顯提高，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.0 5）（表4）。

2.4 動脈血氣分析指標與RVSP 的相關性

HPH動脈血氣分析指標中，Na+水平與RVSP呈明顯負相關（P＜0.05）（表5，圖2），其余指標與RVSP 的相關性并不顯著。

圖 1 大鼠肺組織Masson 染色 （×400）Figure 1 Masson staining of the lung tissue of rats (×400)

表 2 大鼠血氣指標pH、PaCO2、PaO2、SaO2 和HCO3－水平比較Table 2 Comparison of blood gas index pH, PaCO 2, PaO2, SaO2 and HCO3－ levels in rats (± s)

表 2 大鼠血氣指標pH、PaCO2、PaO2、SaO2 和HCO3－水平比較Table 2 Comparison of blood gas index pH, PaCO 2, PaO2, SaO2 and HCO3－ levels in rats (± s)

注：pH 為酸堿度，PaCO2 為動脈血二氧化碳分壓，PaO2 為動脈血氧分壓，SaO2 為動脈血氧飽和度，HCO3－為碳酸氫鹽；與常氧對照組比較，*P ＜0.05。

組 別 n pH PaCO 2/mmHg PaO2/mmHg SaO2/% HCO3－/(mmol·L－1)常氧對照低氧 1 d低氧3 d低氧7 d低氧14 d低氧21 d F值P值6 6 6 6 6 6 7.38±0 01 7.22±0.04*7.29±0.03*7.26±0.01*7.27±0.02*7.23±0.03*47.25±1.44 47.67±4.18 44.50±3.45 46.83±1.40 51.50±1.28 56.00±1.35*103.00±7.71 105.33±8.04 84.67±4.71 96.67±2.95 66.67±1.15*85.57±9.60 97.00±0.41 94.83±2.77 94.67±0.92 96.33±0.42 84.12±4.19*90.43±3.88 29.50±0.30 19.55±1.79*21.08±0.57*21.32±0.35*23.77±1.40*23.79±1.43*3.483 2.926 3.068 2.755 6.477 0.014 0.029 0.024 0.037<0.001

表 3 大鼠電解質指標Na+、K+和Ca2+水平比較Table 3 Comparison of electrolyte indicator Na+, K+ and Ca2+ levels in rats (± s)

表 3 大鼠電解質指標Na+、K+和Ca2+水平比較Table 3 Comparison of electrolyte indicator Na+, K+ and Ca2+ levels in rats (± s)

注：Na+為鈉離子，K+為鉀離子，Ca2+為鈣離子；與常氧對照組比較，*P ＜0.05。

組 別 n Na+/(mmol·L－1) K+/(mmol·L－1) Ca2+/(mmol·L－1)常氧對照低氧 1 d低氧3 d低氧7 d低氧14 d低氧21 d F值P值6 6 6 6 6 6 133.00±0.82 130.17±0.95 129.33±0.99*129.33±0.84*128.67±1.61*129.29±0.81*5.70±0.15 8.13±0.49*8.80±0.65*8.80±0.46*6.55±0.29 7.40±0.24*1.19±0.02 1.25±0.03 1.09±0.02*1.17±0.01 1.15±0.02 1.15±0.03 1.643 7.385 5.306 0.018<0.001 0.001

表 4 生化指標Hct、Hb水平比較Table 4 Comparison of Hct and Hb levels(± s)

表 4 生化指標Hct、Hb水平比較Table 4 Comparison of Hct and Hb levels(± s)

注：Hct 為血細胞比容，Hb 為血紅蛋白；與常氧對照組比較，*P ＜0.0 5。

組 別 n Hct/% Hb/(g·L－1)常氧對照低氧 1 d低氧3 d低氧7 d低氧14 d低氧21 d F值P值6 6 6 6 6 6 35.50±3.01 46.00±3.21*54.33±2.17*45.17±1.35*56.67±2.12*52.67±0.88*13.15±1.12 16.88±0.99*20.10±0.81*16.68±0.50*20.97±0.78*19.50±0.33*11.804 12.253<0.001<0.001

表 5 各指標水平與RVSP的相關性分析Table 5 Correlation analysis between index and RVSP

圖 2 大鼠 Na+與RVSP 的相關性分析Figure 2 Correlation analysis between Na+ and RVSP in rats

3 討論

HPH的病理生理基礎包括急性低氧性肺動脈收縮、慢性低氧性肺動脈重塑以及血液黏稠度增加、血栓形成等，多種因素共同作用可引起肺動脈壓力升高，導致右心室肥厚，最終發(fā)展為心臟衰竭而死亡[5-6]。但是HPH 發(fā)生、發(fā)展的具體機制尚不明確。

pH、PaCO2、PaO2、SaO2和HCO3－是常用的血氧和酸堿平衡指標。已有研究[7]表明，低氧性肺動脈收縮、呼吸性酸中毒是形成HPH 的最常見原因，低氧和酸堿失衡可導致肺血管異常重塑，當這兩者共同作用可使病情加重，而且HCO3－可作為PH 的獨立危險因素。在本實驗中，通過慢性低氧構建HPH 大鼠模型，采用Masson染色觀察肺動脈的形態(tài)結構，發(fā)現與正常肺動脈比較，低氧后的肺動脈出現明顯的肺血管重塑。同時，動脈血氣分析結果顯示，與常氧對照組相比，低氧后大鼠pH、HCO3－水平明顯降低，PaO2和SaO2也明顯降低（低氧14 d 組），而PaCO2明顯升高（低氧2 1 d 組），與國內其他學者的研究結果[8-9]相似。低氧環(huán)境下，動物通過調動體內低氧代償機制維持正常的氧運輸及利用。而在低氧14 d 時，由于無法攝取足夠O2，低氧引起的過氧化反應增加，大鼠出現代償不足或失效，引起PaO2和SaO2顯著降低，導致低氧血癥、高碳酸血癥、代謝性酸中毒以及呼吸性酸中毒。在低氧適應過程中，隨著大鼠體內代償機制的恢復，攝取和利用O2能力增強，機體可獲得充足的O2。在低氧21 d 時，大鼠的PaO2和SaO2又升高，說明在慢性低氧誘導的HPH 大鼠中，低氧和酸堿失衡參與并調控了HPH 的發(fā)生發(fā)展過程。

肺血管細胞的鈉、鉀和鈣離子通道與低氧誘發(fā)肺動脈收縮和重塑有關[10]。低氧可以直接抑制肺動脈平滑肌細胞（pulmonary arterial smooth muscle cells，PASMCs）的電壓依賴性鉀通道表達，使K+外流減少，細胞膜發(fā)生去極化，引起鈣通道開放Ca2+發(fā)生內流，PASMCs 出現低氧性收縮和增殖。Na+/H+交換體是一種離子交換蛋白，可在轉運一個Na+至細胞內的同時，轉運一個H+到細胞外。低氧也可以通過激活PASMCs的Na+/H+交換體，使細胞內pH 升高，從而降低電壓依賴性鉀通道活性，增加細胞內Ca2+濃度，引起PASMCs 收縮和異常增殖[11-12]。在本實驗中，低氧誘發(fā)大鼠肺動脈收縮和重塑的同時，動脈血中Na+、K+、Ca2+水平也發(fā)生改變，Na+水平（除低氧1 d 組）和Ca2+水平（低氧3 d 組）明顯降低，而K+濃度（除低氧14 d 組）明顯升高，并且在不同低氧時間具有波動性，可能是在血液標本采集、儲存、運輸等過程中血細胞隨機破壞發(fā)生溶血所致。在慢性低氧過程中，大鼠處于缺氧狀態(tài)，電解質改變受低氧影響較大，并且隨著機體酸堿狀況的變化而變化。上述對不同低氧時間血氧和酸堿平衡指標的研究結果提示，Na+、K+、Ca2+水平的改變可作為HPH 大鼠血液酸堿失衡的參考指標之一，進一步說明這3 種電解質的改變與HPH 的形成密切相關；并且通過相關性分析發(fā)現Na+水平與RVSP 呈顯著負相關，Na+可間接評價HPH 病情嚴重程度。

Hct 是反映血液黏稠度最可靠的指標，血液黏稠度越高，Hct 值越大，可用于預測HPH 病情嚴重程度[13-14]。另外，Hb 已被證實是形成HPH的重要因素[15]。低氧可以刺激腎臟產生和釋放促紅細胞生成素（erythropoietin，EPO）增多，促使骨髓生成紅細胞和Hb 增多，從而提高機體的血氧容量和血氧含量以維持正常的生理功能，并且紅細胞數量增多到一定程度后可反饋性抑制EPO 的生成，以抑制紅細胞數量的進一步增加，Hb 升高達最高值后可保持相對穩(wěn)定[16]。本研究結果顯示，相比于常氧對照組，低氧后的Hct 和Hb水平均顯著增高，隨著低氧時間的延長，為適應低氧環(huán)境，大鼠紅細胞數量和Hb 含量增高，Hct也隨之升高。PaO2和SaO2在低氧14 d 時最低，說明大鼠無法攝取足夠O2，機體處于缺氧狀態(tài)；而Hct 和Hb 在低氧14 d 時最高，說明大鼠調動低氧代償機制，通過增加紅細胞Hb，提高攜氧能力以適應低氧環(huán)境。但是，Hct 升高表示肺動脈中的血液黏稠度增加，血液瘀滯，并且呈現高凝狀態(tài)，加大血栓形成風險，導致肺循環(huán)阻力增大，加之僅低氧本身就可以使肺動脈發(fā)生收縮和異常重塑[17]，這幾個因素的同時出現更容易誘發(fā)HPH，并加重HPH 病情。

綜上，HPH 的病理生理過程涉及多個因素，可能與低氧、酸堿平衡紊亂、電解質改變以及血液系統(tǒng)異常等有關。動態(tài)監(jiān)測動脈血氣指標變化對于疾病的監(jiān)控以及評估HPH的嚴重程度具有重要的預警作用。臨床醫(yī)師可根據動脈血氣分析結果盡早進行干預治療及判斷預后，以有效降低HPH 患者的死亡率。