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编号:10240647
模拟失重大鼠比目鱼肌小动脉网各级血管内径的变化*
http://www.100md.com 《航天医学与医学工程》 1999年第3期
     作者:毛秦雯 张立藩 马进

    单位:(第四军医大学,航空航天生理学教研室,西安 710032)

    关键词:模拟失重;肌骼肌;血管脱锻炼;小动脉;毛细血管前阻力血管

    航天医学 与医学工程/990306摘要: 目的 探讨模拟失重是否可引起后肢肌肉小动脉网各级血管内径发生改变及其可逆性。 方法 采用墨汁灌注法观察尾部悬吊4wk(SUS-4),悬吊4wk后恢复1wk(REC-1)、恢复5 wk(REC-5),以及对照(CON)大鼠比目鱼肌小动脉网各级血管内径的变化。 结果 在SUS-4组,比目鱼肌的营养动脉、弓状小动脉及V 、II级横行小动脉的内径,较CON组分别减小了31%、29%、28%及41%(均为P<0.01);在REC-1组,仅有部分恢复但仍普遍低于CON组(P<0.05,P<0.01);在REC-5组,除II级横行小动脉外,其余各级小动脉的内径均已恢复。 结论 4wk模拟失重大鼠后肢肌肉小动脉可能发生萎缩性变化。本工作还提示小动脉网的结构变化可能是飞行后引起立位耐力降低的重要发生原因之一。
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    中图分类号: R852.22 文献标识码:A 文章编号:1002-0837(1999)03-0177-04

    Changes in Lumen Diameters of Vessels in Arteriolar

    Network in Rat Soleus Muscle after Simulated Weightlessness.

    MAO Qin-wen,Department of Aerospace Physiology, The Fourth

    Military Medical University, Xi'an 710032,Chian

    ZHANG Li-fan,MA Jin.Space Medicine &
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    Medical Engineering,1999,12(3):177~180

    Abstract: Objective To elucidate whether simulated weightlessness can induce changes in lumen dia-meters of vessels in arteriolar networks in hindlimb muscles and whether these changes are reversible. Method Changes in lumen diameters of the vessels in the arteriolar network in soleus muscle of 4 wk tail-suspended (SUS-4), 1 wk (REC-1) and 5 wk (REC-5) recovered rats were examined and compared with that of control (CON) rats by use of the method of intra-arterial infusion of a carbon suspension. Result The lumen diameters of the feeding arteries and arcade arterioles, and the transverse arterioles of the order of both V and II in the SUS-4 group were reduced by 31%, 29%, 28%, and 41%, respectively, as compared with that of the CON group (P<0.01). The diameters of these arterioles in REC-1 group were partially restored but remained significantly less than that of the CON group (P<0.05, or P<0.01). In REC-5 group, except for the transverse arterioles of order II, the diameters of all the other arterioles were fully recovered. Conclusion These findings indicate that a 4 wk simulated weightlessness might induce atrophic changes in the arterioles of the hindlimb muscles.It also suggests that structural changes in arteriolar network might be an important mechanism accounting for postflight orthostatic intolerance.
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    Key words:simulated weightlessness;skeletal muscle;vascular deconditioning;arteriole;precapillary resistance vessels

    近年来对航天员的观察表明,姿势性缩血管反应减弱可能是造成飞行后立位耐力不良的重要机制之一[1]。本实验室[2]及Delp等[3]的工作均发现模拟失重可引起大鼠后身大、中动脉血管环收缩反应普遍减弱。我们还发现,模拟失重大鼠身体后部的动脉血管,如股动脉与胫前动脉的内径及中膜面积均减小[4,5]。然而,大、中动脉仅起弹性贮器及血流分配的渠道作用,对外周阻力的贡献很小[6]。系统循环的外周阻力主要来自数量众多的小动脉,故研究其适应性变化对理解立位耐力降低的机理将具有更加重要的意义。小动脉的适应性变化可表现在以下三个方面:(1)小动脉网络形态结构的改变;(2)小动脉管壁血液流变学特性的改变;(3)小动脉对神经-体液因素舒缩反应性的改变[7]。关于第三种改变,我们已有报道,参见文献[4]。本工作采用墨汁灌注法[8]对第一种适应性变化,即模拟失重大鼠后肢肌肉小动脉网络各级血管内径的变化进行了定量观察。
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    方 法

    动物 雄性SD大鼠(体重250~300g)24只。动物被随机分为4组(每组n=6),即悬吊4wk(SUS-4),悬吊4wk后恢复1wk(REC-1)、恢复5wk(REC-5),及对照组(CON)。CON组各有2只动物分别与SUS-4、REC-1及REC-5组同时取材。尾部悬吊采用陈杰等[9]改进的方法。

    标本制备[8] 腹腔内注射戊巴比妥钠(45mg/kg)将动物麻醉,对右侧股动脉插管。

    在3.4 kPa下用Krebs液(含硝普钠10μg/ml, 37℃)灌注15min。随后用明胶墨汁灌注。墨汁配法:明胶(Fluka公司产品)15g加热溶于100ml蒸馏水,加中华墨汁20ml搅拌均匀,过滤。灌注5 min,至本侧后肢充分变黑后,结扎股静脉。切开皮肤,暴露下肢肌肉组织,原位固定于4%多聚甲醛中48 h。仔细分离,取下该侧比目鱼肌,酒精脱水,二甲苯及香柏油透明。将肌肉标本夹在两张载玻片之间,适度加压,镜下观察。
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    小动脉网络形态参数的测量 根据Engelson等[8],大鼠骨骼肌小动脉网络的模式结构大致如下:肌肉内的数支营养动脉/小动脉(feeding arteries or arterioles)先分支为若干弓状小动脉(arcade arterioles)并相互联结构成弓状小动脉网。从每支弓状小动脉又按一定间隔分出若干横行小动脉(transverse arterioles)分支。众多的横行小动脉又以非对称分支方式,形成中间无吻合连接的横行小动脉树状结构。其末端即直接延续为毛细血管。横行小动脉与毛细血管分界处的特征是:横行小动脉的平滑肌消失,毛细血管与骨骼肌纤维取平行走向。本工作按Strahler方法(1957)采用逆向排序方式描述横行小动脉分支树:即终末小动脉是“I”级,两支I级小动脉汇合则为一支“II”级横行小动脉,依次类推,可定出不同横行小动脉的级别。若级别不同的血管汇合,则取级别较高小动脉血管的级数作为下一级血管的级数。

    10×目镜(内装测微尺,经校验)和40×物镜下,测量营养动脉、弓状小动脉及V级和II级横行小动脉的内径。组间数据比较由u检验测定差别是否具有显著意义。
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    结 果

    附图给出比目鱼肌弓状小动脉内径的直方图,表明不同实验组其内径分布的变化。在SUS-4组,比目鱼肌营养动脉的内径较CON组减小了31%(P<0.01);在REC-1组,仅有部分恢复,仍较CON组减小22%(P<0.01);在REC-5组,已基本恢复正常。比目鱼肌弓状小动脉内径的变化是:SUS-4组较CON组减小29%(P<0.01);在REC-1组有所恢复,但仍减小8%(P<0.05);在REC-5组则已基本恢复。第V级横行小动脉内径的变化是:SUS-4组较CON组减小28%(P<0.01);在REC-1组有所恢复,但仍减小13%(P<0.01);在REC-5组则已基本恢复。第II级横行小动脉内径的变化是:SUS-4组较CON组减小41%(P<0.01);在REC-1组有所恢复,但仍减小23%(P<0.01);在REC-5组,仍为部分恢复,较CON组仍减小14%(P<0.05)。以上表明远端的横行小动脉恢复较慢。3
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    图1 尾部悬吊4 wk(SUS-4)、恢复1周(REC-1)及恢复5 wk(REC-5)大鼠墨汁灌注比目鱼肌标本的弓状小动脉内径分布图弓状小动脉为随机选取。各组的中位数(M)、均数()和标准误()分别是:CON, 48.3、 50.1±1.1(n=190);SUS-4, 32.8、 35.6±1.4 (n=137)**;REC-1,41.5、45.9±1.5(n=150)*; REC-5,45.3、49.2±0.8(n=208)。*P<0.05,**P<0.01,各组均数与对照相比较

    Fig.1 Distribution of lumen diameters of ink-filled arcade arterioles in soleus muscles of control (CON), 4 wk suspended(SUS-4) and 1 wk(REC-1) and 5 wk(REC-5)recovered rats
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    The medians(M), means() and standard errors() for different groups are, CON, 48.3, 50.1±1.1(n=190); SUS-4, 32.8, 35.6±1.4(n=137)**; REC-1, 41.5, 45.9±1.5(n=150)*; REC-5, 45.3, 49.2±0.8(n=208),respectively.*P<0.05,**P<0.01,as compared with that of CON

    表1 尾部悬吊4wk(SUS-4)、恢复1wk(REC-1)及恢复5wk(REC-5)大鼠墨汁灌注比目鱼肌标本,各类小动脉内径的测量值(μm,±)
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    Table 1 Lumen diameters of ink-filled arterioles in soleus muscles from control (CON),4-wk suspended (SUS-4),1-wk ( REC-1) and 5-wk ( REC-5) recovered rats(μm,±) 小动脉(arteriole)

    CON

    SUS-4

    REC-1

    REC-5

    营养动脉(feeding)
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    206.6±10.3

    142.5±2.4**

    160.0±2.1**

    192.5±5.7

    (n=15)

    (n=15)

    (n=15)

    (n=15)

    弓状动脉(arcade)

    50.1±1.1

    35.6±1.4**
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    45.9±1.5*

    49.2±0.8

    (n=190)

    (n=137)

    (n=150)

    (n=208)

    横行动脉(transverse)(V)

    16.7±0.8

    12.1±0.9**

    14.6±0.7**

    16.2±0.8
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    (n=50)

    (n=48)

    (n=43)

    (n=40)

    横行动脉(transverse)(II)

    6.9±0.2

    4.1±0.1**

    5.3±0.2**

    5.9±0.2*

    (n=45)

    (n=51)
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    (n=76)

    (n=68)

    注:n,测量血管的数量;*P<0.05,**P<0.01,与对照组相比

    Note:n,number of the measured vessels;*P<0.05,**P<0.01 as compared with CON

    讨 论

    本工作的主要发现及方法学评价 以上结果表明:模拟失重4 wk后,比目鱼肌内的营养小动脉、弓状小动脉及横行动脉的内径均显著减小,且愈向远端,变化愈严重;恢复1 wk后,仅得到部分恢复;恢复5 wk后,除第II级横行小动脉外,其余均已恢复。推测后肢其它抗重力肌,甚至非抗重力肌的小动脉网也可能发生类似改变。本实验测得的对照大鼠比目鱼肌各级小动脉血管内径值与报道的大鼠斜方肌小动脉网的数据很相近[7]。Engelson等[8]还曾证明,经甲醛固定、墨汁灌注、香柏油透明后,小动脉血管内径与活体条件下基本一致。故本方法是可信的。但在应用墨汁灌注时仍应注意以下两个问题。
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    其一是,用化学固定剂处理组织标本时,如何防止组织发生变形的问题。化学固定剂可将粘弹性的物质转化为弹性凝胶。一方面组织的变形可能是固定剂,如锇酸或戊二醛渗透压作用的结果。另一方面,组织中的弹性蛋白等成分不能完全被固定,在相当长一段时间内可持续引起组织变形。但此问题在骨骼肌标本并不严重,可能与被固定肌纤维的强有力机械支撑作用有关[10]

    其二是,应使被固定血管处于扩张状态才能测得可靠管径数据。在固定时使用血管扩张剂,并于3.4 kPa压力下灌流,可使被固定小动脉处于扩张状态,且沿走行方向管径均匀一致,无管径逐渐变细的现象;仅在分支处管径才有变化[7]

    骨骼肌小动脉网络结构的生理意义 对任何骨骼肌,其动脉-小动脉网可分为两个部分:即(1)营养动脉(或营养小动脉),它们从动脉干分支,位于肌肉外的结缔组织;(2)肌肉内小动脉网,主要由网络状的弓状小动脉网与多级分支的横行小动脉树状结构组成。动脉与小动脉的区别全然在于管径,直径小于100μm者为小动脉[8]。血管几何参数和血管网络分支特征的定量描述对于定量描述微血管血流甚为关键。尽管一个世纪前对骨骼肌微循环网即已有过一般性描述,但长时间以来仍较粗略,且主要集中在毛细血管网方面,对骨骼肌小动脉网和小静脉网的描述也多限于定性。Engelson等[8]曾提出定量描述肌肉内小动脉网络的几何参数与拓扑参数,对比较不同条件下的网络变化有一定意义。在本工作,由于比目鱼肌为一较厚的肌肉,直接应用上述定量分析方法尚有一定困难,故暂只限于不同级小动脉内径的测量。
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    弓状小动脉网的功能在于能将血液平均分布于整块骨骼肌。在体显微压力和血流测量表明,在同一根弓状小动脉内压降相对较低,故可使各横行小动脉入口处的灌流压保持相对一致[11]。由多支营养动脉或小动脉供血,结合弓状小动脉网的特殊结构,在肌肉受损或者部分血流通路被阻断时,也有利于侧枝循环的建立。

    在活体组织标本可见,横行小动脉也进行血管运动。横行小动脉处于收缩状态可使其管腔闭合,引起远端毛细血管床血流中断。因此,每一支横行小动脉对相连毛细血管的血液灌流可发挥有力的局部调节作用。

    本工作首次观察到,模拟失重下后肢肌肉弓状小动脉及横行小动脉内径均显著缩小,这与我们对后肢中等大小动脉的观察结果相一致。除内径缩小外,中等大小的动脉还表现有管壁萎缩[4,5]。因此可推测后身肌肉的小动脉也有类似改变。由于所测量的是充分扩张状态下的小动脉血管内径,也足以说明这种管径缩小是结构性改变,而非功能性的。可见在模拟失重下,后肢肌肉内小动脉血管可能也均出现萎缩性变化,且越是远端部位,变化也越加严重。后身小动脉血管床萎缩性变化势必引起加压反射减弱。本实验室[12] 、Rodionov等[13]的肠系膜、后肢灌流实验已经证实模拟失重大鼠后肢血管床对KCl、PE或电刺激交感神经的升压反应均显著降低。飞行后立位耐力低下航天员的姿势性加压反应减弱[1]可由此得到解释。一些作者认为飞行后姿势性加压反应减弱可能是由于肾上腺素能受体水平调节变化所引起[14];而本实验结果则提示,后身小动脉血管的重塑性萎缩变化可能是第一位的原因。
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    *基金项目:国家自然科学基金资助(39380021)

    参考文献

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    收稿日期:1998-05-26, http://www.100md.com