模拟失重4周大鼠心肌细胞动作电位的改变及其离子机理
作者：程宏伟 张立藩 余志斌 程九华 冯汉忠
单位：710032 西安，第四军医大学航空航天生理学教研室
关键词：失重模拟；大鼠；心肌细胞；动作电位；离子通道；膜片钳技术
中华航空航天医学杂志000406 【摘要】 目的 观察模拟失重4周大鼠心肌细胞动作电位(AP)的改变，并进一步阐明其离子机理。 方法 采用尾部悬吊大鼠模型模拟失重，胶原酶分离心肌细胞，用膜片钳全细胞方式记录单个心肌细胞的膜电容、AP、跨膜内向钙电流(ICa)和瞬时外向钾电流(Ito)等。 结果 正常对照大鼠左室游离壁心肌细胞的动作电位时程(APD)较心尖部位的长(P<0.05)；悬吊组大鼠左室游离壁心肌细胞APD20较对照组缩短有显著性意义(P<0.01)，而在心尖部位则无此改变；在对照组，左室游离壁细胞的ICa密度(AP复极化20%即时电位水平时记录)大于心尖部位(P<0.05)；在左室游离壁部位，悬吊组的ICa密度小于对照组(P<0.05)。 结论 正常大鼠左室不同部位心肌细胞的APD是非均一的；模拟失重4周可引起大鼠心肌细胞APD20改变，且具有部位的差异；复极化20%即时电位水平的ICa不同或改变是引起正常心肌细胞APD部位非均一性和模拟失重后左室游离壁心肌细胞APD20缩短的原因。
, http://www.100md.com
【中国图书资料分类法分类号】 R852.22 R331.3
Changes of action potentials of cardiac myocytes from 4-wk tail suspended rats and its related ionic mechanisms
CHENG Hongwei, ZHANG Lifan, YU Zhibin
(Department of Aerospace Physiology, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, China)
【Abstract】 Objective To observe the changes of action potentials (AP) of cardiac myocytes from 4-wk tail suspended rats, and elucidate its related ionic mechanisms. Methods Cardiac myocytes were isolated from suspended and control rats with collagenase. Using whole cell recording mode of patch clamp technique, membrane capacitances, AP, calcium currents (ICa) and transient outward currents (Ito) were recorded from a number of single ventricular myocyte. Results In control rats, the action potential duration (APD) of cardiac myocytes from left ventricular free wall (FW) was longer than that from apex (P<0.05). The APD20 of cardiac myocytes from FW in suspended rats was shorter than that in control rats (P<0.01), but there was no obvious change in apex myocytes. In control rats, ICa density (measured at an instant potential of 20% AP repolarization) of cardiac myocytes from FW was greater than that from apex (P<0.05). The ICa density of suspended rats was smaller than that of control rats in the region of FW. Conclusions There is a regional heterogeneity of APD of cardiac myocytes in left ventricle of normal rats. Four-wk simulated weightlessness may lead to an alteration in APD of cardiac myocytes in rats, and the alteration is different at different regions. It is suggested that the difference or change of ICa density (measured at an instant potential of 20% AP repolarization) is the cause of regional heterogeneity of APD of normal cardiac myocytes, and shortening of APD20 of cardiac myocytes from FW in suspended rats.
, 百拇医药
【Key words】 Weightlessness simulation; Rat; Cardiac myocyte; Action potential;Ionic channel; Patch clamp technique
航天飞行后影像医学观察资料，以及有关航天与模拟失重大鼠心肌变化的研究报道均提示[1-3]，失重/模拟失重心肌可能发生了萎缩性改变，心肌收缩性能降低。心肌功能的实现有赖于心肌细胞的兴奋，即动作电位及形成动作电位的跨膜离子通道电流。心肌形态学及功能的变化，可能会伴有动作电位及跨膜离子电流的改变。然而，尽管已经有一些关于失重(模拟失重)心肌的研究资料，但却未见有关心肌细胞电生理学特性的文献报道。本实验旨在观察模拟失重4周大鼠心肌细胞动作电位的改变，并进一步阐明其可能的离子机理。
材料与方法
一、模拟失重大鼠模型
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采用尾部悬吊大鼠模型模拟失重。体重200 g左右的雄性SD大鼠，按体重配对原则随机分为对照组与悬吊组各10只。尾部悬吊按文献[4]方法进行，悬吊4周后进行实验。
二、单个心室肌细胞的分离
以戊巴比妥钠腹腔内注射麻醉大鼠，成功后快速打开胸腔，剪下心脏，置于4℃的Joklik 最低必需培养液(minimum essential medium, MEM)[加入10 mmol NaHCO3和10 mmol 羟乙基哌嗪乙磺酸(hydroxyethyl piperazine ethanesulfonic acid, HEPES)，pH 7.2，通以95% O2和5% CO2的混合气体]中停跳。将心脏悬挂于Langendorff装置上，恒压灌流。流程为[5]：①上述Joklik MEM溶液(37℃)灌流3 min。②含0.5 mg/mlⅠ型胶原酶和1 mg/ml 牛血清白蛋白(bovine serum albumin, BSA)的上述Joklik MEM溶液(32～33℃)循环灌流35 min。③上述Joklik MEM溶液(室温)灌流3 min。取下心脏，剪取心尖和左室游离壁两部分心肌，分别在含1% BSA的上述Joklik MEM溶液中剪碎、分散，过滤得到单个心室肌细胞悬液。室温下保存，40 min内逐步恢复细胞外Ca2+浓度至1.8 mmol，6～10 h以内进行实验[6]。
, 百拇医药
三、溶液[7]
正常细胞外液组成为(mmol)：137 NaCl，5.4 KCl，1 MgCl2，1.8 CaCl2，10葡萄糖，10 HEPES，以NaOH调pH至7.4。无钠细胞外液为，以等摩尔浓度的氯化胆碱替代上述正常细胞外液中的NaCl，以KOH调pH至7.4。电极内液的组成为(mmol)：150 KCl，1 MgCl2，5 HEPES，10 乙二醇四乙酸(ethylene glycol tetra-acetate, EGTA)，5 三磷酸腺苷二钠(Na2ATP)，以KOH调pH至7.2。
四、电生理学记录方法
膜片钳实验由计算机、pCLAMP 8.0软件、数据采集卡和膜片钳放大器组成的计算机化系统控制完成。以正常的细胞外液灌流细胞，在全细胞记录状态下测量细胞膜电容，在电流钳模式下，以1.5倍的阈上去极化电流刺激(时程10 ms)引发和记录动作电位[7](action potential，AP)，刺激间隔为1 s。
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由于APD20即复极化20%时的动作电位时程，主要取决于复极化20%即时电位水平(V20)时的跨膜内向钙电流(ICa)和瞬时外向钾电流(Ito)，因此，为了研究APD20改变的离子机理，在记录到AP后测量V20，在电压钳模式下，以V20为去极化脉冲的钳制电位水平(时程300 ms，保持电位-70 mV)，记录ICa和Ito。步骤如下[7]：以无钠细胞外液灌流细胞3 min(屏蔽钠电流)，记录全细胞膜电流，可见有一明显的内向电流和外向电流；以含3 mmol CoCl2(阻断ICa)的无钠液灌流细胞3 min，记录全细胞膜电流，可见内向电流被抑制，表明这一内向电流为CoCl2敏感性电流ICa，加CoCl2前、后记录的电流相减，即可得到ICa；接着以含3 mmol CoCl2和3 mmol 4-氨基吡啶(4-aminopyridine, 4-AP，阻断Ito)的无钠液灌流细胞3 min，记录全细胞膜电流，可见除了内向电流被抑制外，外向电流也被抑制，表明这一外向电流为4-AP敏感性电流Ito，加4-AP前、后记录的电流相减，即可得到Ito。
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五、统计学分析
以SPSS 9.0软件进行数据的统计学分析，包括一般统计量的计算和团体t检验等。数据均以均数±标准误(
±s)表示。
结果
一、细胞膜电容的改变
对照组心尖和左室游离壁细胞的细胞膜电容分别为161.0±10.3(n=13个细胞)、158.4±12.8(n=12)，悬吊组心尖和左室游离壁细胞的细胞膜电容分别为159.1±14.0(n=13)、155.6±9.3(n=12) pF，组间和部位间差异均无显著性意义(P>0.05)。
二、动作电位的改变
, 百拇医药
结果见表1。静息电位和动作电位幅值在组间和部位间差异均无显著性意义。在对照组，左室游离壁心肌细胞的APD明显长于心尖部位(P<0.05)，表明正常左室心肌各部位细胞的APD并不相等(非均一性)。在悬吊组，两部位间心肌细胞的APD差异无显著性意义(非均一性消失)。两组相比，悬吊组左室游离壁心肌细胞APD20较对照组缩短(P<0.01)，而在心尖部位则无此变化，表明模拟失重后，AP发生改变，且存在部位的差异。
三、动作电位改变的离子机理
表2比较了对照组和悬吊组心尖与左室游离壁细胞AP复极化20%即时电位水平的ICa、Ito和Inet(为ICa和Ito的代数和)密度。Ito密度在组间和部位间差异均无显著性意义；在对照组，左室游离壁的ICa密度大于心尖部位(P<0.05)，Inet密度亦向内向电流方向增大(P<0.05)；在左室游离壁部位，悬吊组的ICa密度小于对照组(P<0.05)，Inet密度亦向内向电流方向减小，但差异无显著性意义。
, 百拇医药
表1 对照组与悬吊大鼠心尖及左室游离壁心肌细胞的动作电位参数值
Tab 1 Action potential parameters of cardiac myocytes isolated from apex and left ventricular
free wall in control and suspended rats 组别
Group
部位
Region
细胞数
Number
of cells
, 百拇医药
静息电位(mV)
Resting
potential (mV)
动作电位(mV)
Action
potential (mV)
APD20
(ms)
APD50
(ms)
APD90
, 百拇医药
(ms)
对照组
心尖Apex
12
-65.2±1.5
87.6±2.7
33.3±2.9
54.1±5.6
114.8±11.6
Control
左室游离壁
11
, 百拇医药 -65.6±1.2
87.2±2.7
46.5±4.6*
77.9±7.8*
153.5±10.0*
Left ventricular
free wall
悬吊组
心尖Apex
12
-68.1±0.8
, 百拇医药
95.2±3.6
36.2±2.4
66.3±5.9
154.8±22.5
Suspended
左室游离壁
12
-66.1±1.1
91.4±4.1
31.2±2.7++
60.2±9.9
127.9±17.4
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Left ventricular
free wall
对照组的左室游离壁与心尖相比，*P<0.05；悬吊组的左室游离壁与对照组的左室游离壁相比，++P<0.01
Left ventricular free wall vs. apex within the same group，*P<0.05. suspended vs. control group in the same region of the left ventricle，++P<0.01表2 复极化20%即时电位水平的ICa、Ito和Inet(ICa+Ito)密度
Tab 2 ICa, Ito and Inet (ICa+Ito) densities measured at an instant potential of 20% repolarization 组别
, 百拇医药
Group
部位
Region
细胞数
Number of cells
ICa
(pA/pF)
Ito
(pA/pF)
Inet
(pA/pF)
对照组
, 百拇医药
心尖Apex
8
-4.87±0.54
3.06±0.56
-1.81±0.92
Control
左室游离壁
9
-7.36±0.80*
2.76±0.44
-4.60±0.92*
Left ventricular
, 百拇医药
free wall
悬吊组
心尖Apex
8
-5.71±0.80
2.38±0.66
-3.33±1.04
Suspended
左室游离壁
9
-5.04±0.56+
2.57±0.65
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-2.47±0.61
Left ventricular
free wall
对照组的左室游离壁与心尖相比,*P<0.05；悬吊组的左室游离壁与对照组的左室游离壁相比，+P<0.05
Left ventricular free wall vs. apex within the same group，*P<0.05; suspended vs. control group in the same region of the left ventricle，+P<0.05
讨论
早期航天员的影像医学观察资料提示[8]，航天飞行后心脏可能发生了萎缩性改变，但是心脏质量的确切变化却很难证实。对COSMOS 2044航天14 d大鼠的研究表明[3]，心脏乳头肌肌纤维横截面积较地面对照组缩小，证实了航天失重大鼠的确发生了心肌萎缩。从理论上推测，模拟失重亦可能引起心肌的代偿性萎缩，但实验结果却不尽一致[1，9]。细胞膜电容可反映细胞大小，本实验通过测量单个心肌细胞的细胞膜电容变化试图发现模拟失重大鼠心肌细胞萎缩的证据，然而结果并不支持中期模拟失重大鼠心肌细胞已发生萎缩性改变。模拟失重的影响与航天失重相比，发展要慢一些，心肌细胞是否出现萎缩与模拟失重时间的长短可能有关。另外，由于膜片钳实验的细胞数量较少，测量膜电容的样本量较小，这是本实验的局限所在。
, 百拇医药
在研究心肌细胞电生理学特性时，应该考虑到正常心室肌电生理学上的部位非均一性。Gomez等[7]发现大鼠左心室肌细胞的动作电位时程随部位不同而不同，心尖部位最短，室间隔最长，左室游离壁介于两者之间。他们对大鼠肥厚心肌的研究结果表明，动作电位时程延长，以心尖和左室游离壁部位为著，而室间隔部位则无明显改变。我们考虑到模拟失重大鼠心肌可能会发生萎缩性改变，与肥厚心肌相对，且为了使实验尽量简化和便于实际操作，故我们选取心尖和左室游离壁两个部位的细胞进行实验。本实验结果表明，对照组正常左室心肌细胞的APD存在部位非均一性，左室游离壁细胞的APD明显长于心尖部位，与Gomez的结果一致。
模拟失重4周后APD发生了改变，且此改变存在部位的差异，即悬吊组左室游离壁细胞APD20较对照组显著缩短，而在心尖部位则无此改变。在实验前，我们对模拟失重后APD的改变并无明确的预测，而实验结果表明，APD缩短，正好与肥厚心肌的 APD延长相对。模拟失重后，APD在心尖与左室游离壁细胞间不再存在差异，Gomez的结果亦表明[7]，肥厚心肌的APD部位非均一性消失，看来APD在心肌部位间的非均一性向均一性的转变，是心肌在许多病理状态下的共同特点。模拟失重后APD的改变可能在心肌功能的改变中有一定的意义。需要指出的是，本实验未发现模拟失重4周大鼠心肌细胞出现萎缩，可能电生理学的改变先于形态学的改变。
, 百拇医药
我们进一步对APD改变的离子机理进行研究。由于大鼠心室肌细胞早期复极化阶段主要有ICa和Ito两种膜电流成份参与，APD20代表了AP的早期复极化时程，其时程长短取决于复极化20%即时电位水平的ICa和Ito及其两者的平衡(Inet反映了这种平衡)[7]。本实验结果表明，与对照组左室游离壁APD明显长于心尖相对应，此ICa密度前者明显大于后者；与悬吊组左室游离壁APD20明显短于对照组相对应，此ICa密度前者明显小于后者。因此，此ICa不同或改变是引起正常心肌细胞APD部位非均一性和模拟失重后左室游离壁细胞APD20缩短的原因。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(39670800)
参考文献
, http://www.100md.com
1，Levine BD, Zuckerman JH, Pawelczyk JA. Cardiac atrophy after bed-rest deconditioning: a noneural mechanism for orthostatic intolerance. Circulation, 1997, 96(1): 517-525.
2，Zhang LF. Experimental studies on effects of simulated weightlessness on myocardial function and structure. J Gravit Physiol, 1994, 1(1): 133-136.
3，Goldstein MA, Edwards RJ, Schroeter JP. Cardiac morphology after conditions of microgravity during COSMOS 2044. J Appl Physiol, 1992, 73(2 suppl): S94-S100.
, http://www.100md.com
4，陈杰，马进，丁兆平，等.一种模拟失重影响的大鼠尾部悬吊模型.空间科学学报，1993，13(2)：159-162.
5，Pei JM, Yu XC, Bian JS, et al. Acidosis antagonizes intracellular calcium response to k-opioid receptor stimulation in the rat heart. Am J Physiol, 1999, 277(Cell Physiol 46): C492-C500.
6，Lee JK, Kodama I, Honjo H, et al. Stage-dependent changes in membrane currents in rats with monocrotaline-induced right ventricular hypertrophy. Am J Physiol, 1997, 272(Heart Circ Physiol 41): H2833-H2842.
, 百拇医药
7，Gomez AM, Benitah JP, Henzel D, et al. Modulation of electrical heterogeneity by compensated hypertrophy in rat left ventricle. Am J Physiol, 1997, 272(Heart Circ Physiol 41): H1078-H1086.
8，Frey MAB. Space research activities during mission of the past. Med Sci Sport Exerc, 1996, 28(10): S3-S8.
9，Henriksen EJ, Munoz KA, Annestad AT, et al. Cardiac protein content and syntheis in vivo after voluntary running or head-down suspension. J Appl Physiol, 1994, 76(6): 2814-2819.
[收稿日期：2000-09-26], http://www.100md.com
单位：710032 西安，第四军医大学航空航天生理学教研室
关键词：失重模拟；大鼠；心肌细胞；动作电位；离子通道；膜片钳技术
中华航空航天医学杂志000406 【摘要】 目的 观察模拟失重4周大鼠心肌细胞动作电位(AP)的改变，并进一步阐明其离子机理。 方法 采用尾部悬吊大鼠模型模拟失重，胶原酶分离心肌细胞，用膜片钳全细胞方式记录单个心肌细胞的膜电容、AP、跨膜内向钙电流(ICa)和瞬时外向钾电流(Ito)等。 结果 正常对照大鼠左室游离壁心肌细胞的动作电位时程(APD)较心尖部位的长(P<0.05)；悬吊组大鼠左室游离壁心肌细胞APD20较对照组缩短有显著性意义(P<0.01)，而在心尖部位则无此改变；在对照组，左室游离壁细胞的ICa密度(AP复极化20%即时电位水平时记录)大于心尖部位(P<0.05)；在左室游离壁部位，悬吊组的ICa密度小于对照组(P<0.05)。 结论 正常大鼠左室不同部位心肌细胞的APD是非均一的；模拟失重4周可引起大鼠心肌细胞APD20改变，且具有部位的差异；复极化20%即时电位水平的ICa不同或改变是引起正常心肌细胞APD部位非均一性和模拟失重后左室游离壁心肌细胞APD20缩短的原因。
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【中国图书资料分类法分类号】 R852.22 R331.3
Changes of action potentials of cardiac myocytes from 4-wk tail suspended rats and its related ionic mechanisms
CHENG Hongwei, ZHANG Lifan, YU Zhibin
(Department of Aerospace Physiology, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, China)
【Abstract】 Objective To observe the changes of action potentials (AP) of cardiac myocytes from 4-wk tail suspended rats, and elucidate its related ionic mechanisms. Methods Cardiac myocytes were isolated from suspended and control rats with collagenase. Using whole cell recording mode of patch clamp technique, membrane capacitances, AP, calcium currents (ICa) and transient outward currents (Ito) were recorded from a number of single ventricular myocyte. Results In control rats, the action potential duration (APD) of cardiac myocytes from left ventricular free wall (FW) was longer than that from apex (P<0.05). The APD20 of cardiac myocytes from FW in suspended rats was shorter than that in control rats (P<0.01), but there was no obvious change in apex myocytes. In control rats, ICa density (measured at an instant potential of 20% AP repolarization) of cardiac myocytes from FW was greater than that from apex (P<0.05). The ICa density of suspended rats was smaller than that of control rats in the region of FW. Conclusions There is a regional heterogeneity of APD of cardiac myocytes in left ventricle of normal rats. Four-wk simulated weightlessness may lead to an alteration in APD of cardiac myocytes in rats, and the alteration is different at different regions. It is suggested that the difference or change of ICa density (measured at an instant potential of 20% AP repolarization) is the cause of regional heterogeneity of APD of normal cardiac myocytes, and shortening of APD20 of cardiac myocytes from FW in suspended rats.
, 百拇医药
【Key words】 Weightlessness simulation; Rat; Cardiac myocyte; Action potential;Ionic channel; Patch clamp technique
航天飞行后影像医学观察资料，以及有关航天与模拟失重大鼠心肌变化的研究报道均提示[1-3]，失重/模拟失重心肌可能发生了萎缩性改变，心肌收缩性能降低。心肌功能的实现有赖于心肌细胞的兴奋，即动作电位及形成动作电位的跨膜离子通道电流。心肌形态学及功能的变化，可能会伴有动作电位及跨膜离子电流的改变。然而，尽管已经有一些关于失重(模拟失重)心肌的研究资料，但却未见有关心肌细胞电生理学特性的文献报道。本实验旨在观察模拟失重4周大鼠心肌细胞动作电位的改变，并进一步阐明其可能的离子机理。
材料与方法
一、模拟失重大鼠模型
, http://www.100md.com
采用尾部悬吊大鼠模型模拟失重。体重200 g左右的雄性SD大鼠，按体重配对原则随机分为对照组与悬吊组各10只。尾部悬吊按文献[4]方法进行，悬吊4周后进行实验。
二、单个心室肌细胞的分离
以戊巴比妥钠腹腔内注射麻醉大鼠，成功后快速打开胸腔，剪下心脏，置于4℃的Joklik 最低必需培养液(minimum essential medium, MEM)[加入10 mmol NaHCO3和10 mmol 羟乙基哌嗪乙磺酸(hydroxyethyl piperazine ethanesulfonic acid, HEPES)，pH 7.2，通以95% O2和5% CO2的混合气体]中停跳。将心脏悬挂于Langendorff装置上，恒压灌流。流程为[5]：①上述Joklik MEM溶液(37℃)灌流3 min。②含0.5 mg/mlⅠ型胶原酶和1 mg/ml 牛血清白蛋白(bovine serum albumin, BSA)的上述Joklik MEM溶液(32～33℃)循环灌流35 min。③上述Joklik MEM溶液(室温)灌流3 min。取下心脏，剪取心尖和左室游离壁两部分心肌，分别在含1% BSA的上述Joklik MEM溶液中剪碎、分散，过滤得到单个心室肌细胞悬液。室温下保存，40 min内逐步恢复细胞外Ca2+浓度至1.8 mmol，6～10 h以内进行实验[6]。
, 百拇医药
三、溶液[7]
正常细胞外液组成为(mmol)：137 NaCl，5.4 KCl，1 MgCl2，1.8 CaCl2，10葡萄糖，10 HEPES，以NaOH调pH至7.4。无钠细胞外液为，以等摩尔浓度的氯化胆碱替代上述正常细胞外液中的NaCl，以KOH调pH至7.4。电极内液的组成为(mmol)：150 KCl，1 MgCl2，5 HEPES，10 乙二醇四乙酸(ethylene glycol tetra-acetate, EGTA)，5 三磷酸腺苷二钠(Na2ATP)，以KOH调pH至7.2。
四、电生理学记录方法
膜片钳实验由计算机、pCLAMP 8.0软件、数据采集卡和膜片钳放大器组成的计算机化系统控制完成。以正常的细胞外液灌流细胞，在全细胞记录状态下测量细胞膜电容，在电流钳模式下，以1.5倍的阈上去极化电流刺激(时程10 ms)引发和记录动作电位[7](action potential，AP)，刺激间隔为1 s。
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由于APD20即复极化20%时的动作电位时程，主要取决于复极化20%即时电位水平(V20)时的跨膜内向钙电流(ICa)和瞬时外向钾电流(Ito)，因此，为了研究APD20改变的离子机理，在记录到AP后测量V20，在电压钳模式下，以V20为去极化脉冲的钳制电位水平(时程300 ms，保持电位-70 mV)，记录ICa和Ito。步骤如下[7]：以无钠细胞外液灌流细胞3 min(屏蔽钠电流)，记录全细胞膜电流，可见有一明显的内向电流和外向电流；以含3 mmol CoCl2(阻断ICa)的无钠液灌流细胞3 min，记录全细胞膜电流，可见内向电流被抑制，表明这一内向电流为CoCl2敏感性电流ICa，加CoCl2前、后记录的电流相减，即可得到ICa；接着以含3 mmol CoCl2和3 mmol 4-氨基吡啶(4-aminopyridine, 4-AP，阻断Ito)的无钠液灌流细胞3 min，记录全细胞膜电流，可见除了内向电流被抑制外，外向电流也被抑制，表明这一外向电流为4-AP敏感性电流Ito，加4-AP前、后记录的电流相减，即可得到Ito。
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五、统计学分析
以SPSS 9.0软件进行数据的统计学分析，包括一般统计量的计算和团体t检验等。数据均以均数±标准误(
±s)表示。结果
一、细胞膜电容的改变
对照组心尖和左室游离壁细胞的细胞膜电容分别为161.0±10.3(n=13个细胞)、158.4±12.8(n=12)，悬吊组心尖和左室游离壁细胞的细胞膜电容分别为159.1±14.0(n=13)、155.6±9.3(n=12) pF，组间和部位间差异均无显著性意义(P>0.05)。
二、动作电位的改变
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结果见表1。静息电位和动作电位幅值在组间和部位间差异均无显著性意义。在对照组，左室游离壁心肌细胞的APD明显长于心尖部位(P<0.05)，表明正常左室心肌各部位细胞的APD并不相等(非均一性)。在悬吊组，两部位间心肌细胞的APD差异无显著性意义(非均一性消失)。两组相比，悬吊组左室游离壁心肌细胞APD20较对照组缩短(P<0.01)，而在心尖部位则无此变化，表明模拟失重后，AP发生改变，且存在部位的差异。
三、动作电位改变的离子机理
表2比较了对照组和悬吊组心尖与左室游离壁细胞AP复极化20%即时电位水平的ICa、Ito和Inet(为ICa和Ito的代数和)密度。Ito密度在组间和部位间差异均无显著性意义；在对照组，左室游离壁的ICa密度大于心尖部位(P<0.05)，Inet密度亦向内向电流方向增大(P<0.05)；在左室游离壁部位，悬吊组的ICa密度小于对照组(P<0.05)，Inet密度亦向内向电流方向减小，但差异无显著性意义。
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表1 对照组与悬吊大鼠心尖及左室游离壁心肌细胞的动作电位参数值
Tab 1 Action potential parameters of cardiac myocytes isolated from apex and left ventricular
free wall in control and suspended rats 组别
Group
部位
Region
细胞数
Number
of cells
, 百拇医药
静息电位(mV)
Resting
potential (mV)
动作电位(mV)
Action
potential (mV)
APD20
(ms)
APD50
(ms)
APD90
, 百拇医药
(ms)
对照组
心尖Apex
12
-65.2±1.5
87.6±2.7
33.3±2.9
54.1±5.6
114.8±11.6
Control
左室游离壁
11
, 百拇医药 -65.6±1.2
87.2±2.7
46.5±4.6*
77.9±7.8*
153.5±10.0*
Left ventricular
free wall
悬吊组
心尖Apex
12
-68.1±0.8
, 百拇医药
95.2±3.6
36.2±2.4
66.3±5.9
154.8±22.5
Suspended
左室游离壁
12
-66.1±1.1
91.4±4.1
31.2±2.7++
60.2±9.9
127.9±17.4
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Left ventricular
free wall
对照组的左室游离壁与心尖相比，*P<0.05；悬吊组的左室游离壁与对照组的左室游离壁相比，++P<0.01
Left ventricular free wall vs. apex within the same group，*P<0.05. suspended vs. control group in the same region of the left ventricle，++P<0.01表2 复极化20%即时电位水平的ICa、Ito和Inet(ICa+Ito)密度
Tab 2 ICa, Ito and Inet (ICa+Ito) densities measured at an instant potential of 20% repolarization 组别
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Group
部位
Region
细胞数
Number of cells
ICa
(pA/pF)
Ito
(pA/pF)
Inet
(pA/pF)
对照组
, 百拇医药
心尖Apex
8
-4.87±0.54
3.06±0.56
-1.81±0.92
Control
左室游离壁
9
-7.36±0.80*
2.76±0.44
-4.60±0.92*
Left ventricular
, 百拇医药
free wall
悬吊组
心尖Apex
8
-5.71±0.80
2.38±0.66
-3.33±1.04
Suspended
左室游离壁
9
-5.04±0.56+
2.57±0.65
, http://www.100md.com
-2.47±0.61
Left ventricular
free wall
对照组的左室游离壁与心尖相比,*P<0.05；悬吊组的左室游离壁与对照组的左室游离壁相比，+P<0.05
Left ventricular free wall vs. apex within the same group，*P<0.05; suspended vs. control group in the same region of the left ventricle，+P<0.05
讨论
早期航天员的影像医学观察资料提示[8]，航天飞行后心脏可能发生了萎缩性改变，但是心脏质量的确切变化却很难证实。对COSMOS 2044航天14 d大鼠的研究表明[3]，心脏乳头肌肌纤维横截面积较地面对照组缩小，证实了航天失重大鼠的确发生了心肌萎缩。从理论上推测，模拟失重亦可能引起心肌的代偿性萎缩，但实验结果却不尽一致[1，9]。细胞膜电容可反映细胞大小，本实验通过测量单个心肌细胞的细胞膜电容变化试图发现模拟失重大鼠心肌细胞萎缩的证据，然而结果并不支持中期模拟失重大鼠心肌细胞已发生萎缩性改变。模拟失重的影响与航天失重相比，发展要慢一些，心肌细胞是否出现萎缩与模拟失重时间的长短可能有关。另外，由于膜片钳实验的细胞数量较少，测量膜电容的样本量较小，这是本实验的局限所在。
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在研究心肌细胞电生理学特性时，应该考虑到正常心室肌电生理学上的部位非均一性。Gomez等[7]发现大鼠左心室肌细胞的动作电位时程随部位不同而不同，心尖部位最短，室间隔最长，左室游离壁介于两者之间。他们对大鼠肥厚心肌的研究结果表明，动作电位时程延长，以心尖和左室游离壁部位为著，而室间隔部位则无明显改变。我们考虑到模拟失重大鼠心肌可能会发生萎缩性改变，与肥厚心肌相对，且为了使实验尽量简化和便于实际操作，故我们选取心尖和左室游离壁两个部位的细胞进行实验。本实验结果表明，对照组正常左室心肌细胞的APD存在部位非均一性，左室游离壁细胞的APD明显长于心尖部位，与Gomez的结果一致。
模拟失重4周后APD发生了改变，且此改变存在部位的差异，即悬吊组左室游离壁细胞APD20较对照组显著缩短，而在心尖部位则无此改变。在实验前，我们对模拟失重后APD的改变并无明确的预测，而实验结果表明，APD缩短，正好与肥厚心肌的 APD延长相对。模拟失重后，APD在心尖与左室游离壁细胞间不再存在差异，Gomez的结果亦表明[7]，肥厚心肌的APD部位非均一性消失，看来APD在心肌部位间的非均一性向均一性的转变，是心肌在许多病理状态下的共同特点。模拟失重后APD的改变可能在心肌功能的改变中有一定的意义。需要指出的是，本实验未发现模拟失重4周大鼠心肌细胞出现萎缩，可能电生理学的改变先于形态学的改变。
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我们进一步对APD改变的离子机理进行研究。由于大鼠心室肌细胞早期复极化阶段主要有ICa和Ito两种膜电流成份参与，APD20代表了AP的早期复极化时程，其时程长短取决于复极化20%即时电位水平的ICa和Ito及其两者的平衡(Inet反映了这种平衡)[7]。本实验结果表明，与对照组左室游离壁APD明显长于心尖相对应，此ICa密度前者明显大于后者；与悬吊组左室游离壁APD20明显短于对照组相对应，此ICa密度前者明显小于后者。因此，此ICa不同或改变是引起正常心肌细胞APD部位非均一性和模拟失重后左室游离壁细胞APD20缩短的原因。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(39670800)
参考文献
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1，Levine BD, Zuckerman JH, Pawelczyk JA. Cardiac atrophy after bed-rest deconditioning: a noneural mechanism for orthostatic intolerance. Circulation, 1997, 96(1): 517-525.
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3，Goldstein MA, Edwards RJ, Schroeter JP. Cardiac morphology after conditions of microgravity during COSMOS 2044. J Appl Physiol, 1992, 73(2 suppl): S94-S100.
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4，陈杰，马进，丁兆平，等.一种模拟失重影响的大鼠尾部悬吊模型.空间科学学报，1993，13(2)：159-162.
5，Pei JM, Yu XC, Bian JS, et al. Acidosis antagonizes intracellular calcium response to k-opioid receptor stimulation in the rat heart. Am J Physiol, 1999, 277(Cell Physiol 46): C492-C500.
6，Lee JK, Kodama I, Honjo H, et al. Stage-dependent changes in membrane currents in rats with monocrotaline-induced right ventricular hypertrophy. Am J Physiol, 1997, 272(Heart Circ Physiol 41): H2833-H2842.
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7，Gomez AM, Benitah JP, Henzel D, et al. Modulation of electrical heterogeneity by compensated hypertrophy in rat left ventricle. Am J Physiol, 1997, 272(Heart Circ Physiol 41): H1078-H1086.
8，Frey MAB. Space research activities during mission of the past. Med Sci Sport Exerc, 1996, 28(10): S3-S8.
9，Henriksen EJ, Munoz KA, Annestad AT, et al. Cardiac protein content and syntheis in vivo after voluntary running or head-down suspension. J Appl Physiol, 1994, 76(6): 2814-2819.
[收稿日期：2000-09-26], http://www.100md.com