石佳欣,李諾,楊葉桂△,方衛(wèi),覃斯娜,黃京菊,陳蒙華
心肺復(fù)蘇(cardiopulmonary resuscitation,CPR)后的腦損傷是影響早期復(fù)蘇成功的心臟驟停(cardiac arrest,CA)患者遠(yuǎn)期預(yù)后的重要因素。當(dāng)循環(huán)功能和組織灌注恢復(fù)后,部分患者的病情進(jìn)一步加重,其機(jī)制與缺血再灌注損傷(ischemia reperfusion injury,IRI)有關(guān)。亞低溫能夠提高機(jī)體的器官、組織,包括心、腦等對(duì)IRI的耐受性[1]。相關(guān)研究表明,高鉀可提高心臟對(duì)IRI的耐受性[2]。本課題組前期研究證實(shí),升高血鉀有助于減輕CPR 后腦的IRI,但其機(jī)制尚不清楚[3]。而且,血鉀過高可抑制心肌細(xì)胞興奮性,拮抗Ca2+,抑制心臟收縮。血鉀升高的幅度越高、速度越快對(duì)心臟的抑制作用則越大,嚴(yán)重時(shí)甚至可發(fā)生CA。因此,本研究擬探討CPR 早期使用氯化鉀的最佳劑量,并深入研究適度升高血鉀對(duì)復(fù)蘇后腦組織線粒體功能的影響,為探索和改善缺血性腦損傷的救治策略提供新思路。
(1)動(dòng)物準(zhǔn)備。由廣西醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供健康成年雄性Sprague-Dawley(SD)大鼠(體質(zhì)量210~240 g,鼠齡7~8 周),動(dòng)物生產(chǎn)許可證號(hào):SCXK(桂)2014-0002。本實(shí)驗(yàn)所有操作通過廣西醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物管理和應(yīng)用委員會(huì)批準(zhǔn),符合動(dòng)物倫理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)(倫理號(hào):202101022)。所有大鼠在SPF級(jí)環(huán)境下喂養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)飼料并自由飲水,實(shí)驗(yàn)室及飼養(yǎng)中心室內(nèi)溫度維持在26 ℃。(2)主要儀器。起搏電極購(gòu)于成都科技市場(chǎng)有限公司;小型動(dòng)物呼吸機(jī)(RWD407)購(gòu)于深圳市瑞沃德生命科技有限公司;生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(BL-420F)購(gòu)于四川成都泰盟儀器公司。主要試劑:氯化鉀溶液購(gòu)于河北天成藥業(yè)股份有限公司;0.9%氯化鈉注射液購(gòu)于廣西裕源藥業(yè)有限公司;蛋白質(zhì)濃度定量檢測(cè)試劑盒購(gòu)于上海杰美基因醫(yī)藥生物技術(shù)研究所;腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)檢測(cè)試劑盒及Na+/K+-ATP 酶測(cè)定試劑盒購(gòu)于南京建成生物科技有限公司;動(dòng)物細(xì)胞/組織活性線粒體分離試劑購(gòu)于上海碧云天生物技術(shù)研究所;線粒體呼吸鏈復(fù)合物試劑盒(GMS50007、GMS50008、GMS50009、GMS50010)購(gòu)于上海杰美基因醫(yī)藥生物技術(shù)有限公司。
1.2.1 CA/CPR動(dòng)物模型建立與分組
根據(jù)Chen等[4]報(bào)道的經(jīng)食管電刺激誘導(dǎo)心室顫動(dòng)(VF)建立CA/CPR 模型。術(shù)前禁食12 h,自由飲水。經(jīng)腹腔注射2%戊巴比妥鈉注射液(3 mL/kg)麻醉大鼠。留置股靜脈導(dǎo)管用于藥物注射,留置股動(dòng)脈導(dǎo)管用于動(dòng)脈壓監(jiān)測(cè),持續(xù)監(jiān)測(cè)第Ⅱ肢導(dǎo)心電圖。將經(jīng)口氣管導(dǎo)管連接小型動(dòng)物呼吸機(jī),行機(jī)械通氣(潮氣量6 mL/kg,頻率72 次/min)。根據(jù)隨機(jī)數(shù)字表法將80只大鼠分為假手術(shù)組(SH組)、生理鹽水組(NS組)及氯化鉀低(LK 組)、中(MK 組)、高劑量組(HK 組),每組16只。SH組僅行麻醉及以上操作。其余各組在心電及血流動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定10 min 后,將起搏電極置入食管心臟后方,停止機(jī)械通氣,用12 V 交流電經(jīng)食管電刺激誘導(dǎo)VF 1 min。CA 6 min后,立即行CPR及呼吸機(jī)機(jī)械通氣,并經(jīng)靜脈予NS組、LK 組、MK 組、HK 組注射同體積的生理鹽水和1.25%、2.5%、5%氯化鉀溶液,劑量為2.4 mL/kg。CPR 后若未達(dá)到自主循環(huán)恢復(fù)(return of spontaneous circulation,ROSC),則在CPR 1 min、3 min靜脈注射0.02 mg/kg腎上腺素。CPR超過10 min未達(dá)ROSC 定義為復(fù)蘇失敗。建模期間,室溫維持26 ℃,大鼠直腸溫度維持在(37.0±0.3)℃。ROSC 后持續(xù)監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血壓和心電1 h。ROSC 后24 h 進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)的評(píng)估及檢測(cè)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的流程見圖1。
Fig.1 The flow chart of animal experiment圖1 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的流程圖
1.2.2 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)
CA 標(biāo)準(zhǔn):心電圖呈VF、心臟停搏或無脈性電活動(dòng),血管內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)器上動(dòng)脈搏動(dòng)的突然消失或平均動(dòng)脈壓(MAP)<10 mmHg(1 mm Hg=0.133 kPa)。ROSC 標(biāo)準(zhǔn):心電圖呈竇性、房性、交界性節(jié)律,血壓監(jiān)測(cè)示MAP≥50 mmHg 且維持≥5 min[4]。
1.2.3 檢測(cè)指標(biāo)
記錄各組動(dòng)物基礎(chǔ)參數(shù),檢測(cè)ROSC后1 min及10 min血鉀,ROSC 后24 h 評(píng)估神經(jīng)功能缺損評(píng)分(neurological deficit scores,NDS),海馬組織HE 染色觀察細(xì)胞形態(tài)。ROSC 后24 h,每組選取7只大鼠,腹腔注射2%戊巴比妥鈉麻醉,快速提取腦標(biāo)本,提取右側(cè)海馬后勻漿,使用ATP 檢測(cè)試劑盒測(cè)定ATP 含量和Na+/K+-ATP 酶活性;提取左側(cè)海馬后勻漿,采用差速離心法提取海馬組織線粒體,運(yùn)用比色法定量法測(cè)定線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ活性。
采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,多組間比較采用單因素方差分析,對(duì)于方差齊的數(shù)據(jù)組間多重比較行LSD-t檢驗(yàn);方差不齊的數(shù)據(jù)組間多重比較行Tamhane 檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
各組體質(zhì)量、心率、MAP、電刺激時(shí)間等基礎(chǔ)參數(shù),差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表1。
Tab.1 Comparison of baseline characteristics between five groups表1 各組動(dòng)物基線特征比較(n=16,±s)
Tab.1 Comparison of baseline characteristics between five groups表1 各組動(dòng)物基線特征比較(n=16,±s)
均P>0.05。
組別SH組NS組LK組MK組HK組F體質(zhì)量/g 222.13±9.51 225.13±9.05 223.38±7.77 222.75±6.05 224.31±8.93 0.330心率/(次/min)390.88±16.20 393.81±22.98 384.94±14.22 389.56±16.86 394.25±17.94 0.711 MAP/mmHg 93.19±7.17 92.44±7.81 93.31±6.34 90.75±5.61 94.13±7.32 0.546電刺激時(shí)間/s 61.75±2.38 61.44±2.25 61.88±3.05 61.13±2.06 0.298
與LK、MK 組比較,HK 組ROSC 時(shí)間延長(zhǎng)(P<0.05);與NS 組相比,MK 組ROSC 后24 h NDS 升高(P<0.05)。見表2。
Tab.2 Comparison of resuscitation effects between five groups表2 各組動(dòng)物復(fù)蘇效果比較(±s)
Tab.2 Comparison of resuscitation effects between five groups表2 各組動(dòng)物復(fù)蘇效果比較(±s)
*P<0.05,**P<0.01;a與SH 組比較,b與NS 組比較,c與LK 組比較,d與MK組比較,P<0.05。
組別SH組NS組LK組MK組HK組F ROSC只數(shù)0 10 12 15 10 ROSC時(shí)間/s 92.70±14.28 83.00±10.97 82.53±12.87 98.60±15.47cd 3.927*ROSC后24 h生存只數(shù)16 9 12 15 9 ROSC 后24 h NDS/分80.00±0.00 72.11±1.45a 73.58±1.68 76.40±1.35bc 72.67±2.23d 68.534**
與NS組比較,LK組復(fù)蘇后2 min MAP明顯升高(P<0.05),MK 組復(fù)蘇后MAP 無明顯差異,HK 組ROSC 后8 min 內(nèi)的MAP 下降(P<0.05)。隨著ROSC 后時(shí)間的延長(zhǎng),HK 組與NS 組組間MAP 差異逐漸縮小。見表3。
Tab.3 Comparison of MAP within 1 hour after ROSC between five groups表3 各組ROSC后1 h內(nèi)的MAP比較(mmHg,±s)
Tab.3 Comparison of MAP within 1 hour after ROSC between five groups表3 各組ROSC后1 h內(nèi)的MAP比較(mmHg,±s)
**P<0.01;a與SH組比較,b與NS組比較,c與LK組比較,d與MK組比較,P<0.05。
組別SH組NS組LK組MK組HK組F n 16 9 12 15 9 2 min 87.88±3.84 72.90±2.51a 78.33±5.21b 73.60±2.97 58.90±4.46bcd 89.356**4 min 86.81±3.94 74.60±3.03a 78.83±5.37 73.93±2.52 61.00±4.57bcd 68.531**6 min 87.06±4.33 75.70±1.83a 79.42±5.52 74.93±2.74 62.80±4.76bcd 57.534**8 min 87.25±3.73 77.00±2.10a 80.50±4.78 75.93±3.61 66.00±6.68bcd 39.473**10 min 87.00±4.05 77.40±2.95a 80.58±4.62 77.13±3.87 71.30±8.54 17.440**30 min 87.56±3.37 78.50±3.24a 80.75±5.03 78.27±4.53 73.80±7.70c 14.489**60 min 87.81±3.80 78.40±3.60a 80.75±5.85 78.40±4.82 75.70±6.89 11.805**
與NS 組比較,MK 組、HK 組ROSC 后1 min、10 min 血鉀升高(P<0.05)。與LK 組比較,MK 組ROSC 后10 min 血鉀升高,HK 組ROSC 后1 min、10 min血鉀升高(P<0.05)。見表4。
Tab.4 Comparison of blood levels of K+before and after ROSC between five groups表4 各組ROSC前后血鉀水平比較(n=7,mmol/L,±s)
Tab.4 Comparison of blood levels of K+before and after ROSC between five groups表4 各組ROSC前后血鉀水平比較(n=7,mmol/L,±s)
**P<0.01;a與SH 組比較,b與NS 組比較,c與LK 組比較,d與MK組比較,P<0.05。
組別SH組NS組LK組MK組HK組F CA前3.93±0.14 3.92±0.22 3.91±0.23 3.84±0.18 3.84±0.16 0.965 ROSC后1 min 3.92±0.16 4.83±0.21a 5.22±0.28 5.82±0.35b 6.52±0.39bc 56.277**ROSC后10 min 3.85±0.15 4.15±0.22 4.34±0.35 5.15±0.34bc 5.67±0.42bc 51.072**
(1)HE染色。結(jié)果顯示,SH組海馬CA1區(qū)細(xì)胞排列整齊,大小正常,染色均勻,色淡,層次分明,核仁清晰。對(duì)比SH組,NS組CA1區(qū)細(xì)胞外間隙增寬,細(xì)胞腫脹,部分細(xì)胞核固縮、深染。與NS 組相比,MK 組細(xì)胞排列及形態(tài)明顯改善,染色均勻,核仁比較清晰。MK 組細(xì)胞排列及形態(tài)優(yōu)于LK 組及HK組。見圖2。(2)ATP 含量及Na+/K+-ATP 酶活性。與SH 組比較,NS 組海馬組織ATP 含量減少,Na+/K+-ATP 酶活性降低(P<0.05)。與NS 組相比,LK 組ATP 含量升高(P<0.05),MK 組ATP 含量及Na+/K+-ATP酶活性升高(P<0.05)。見表5。(3)呼吸鏈復(fù)合體的活性。與SH 組比較,NS 組海馬組織呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ活性降低(P<0.05)。與NS組比較,LK組呼吸鏈復(fù)合體Ⅲ活性升高(P<0.05),MK 組呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ活性明顯升高(P<0.05),HK組呼吸鏈復(fù)合體Ⅲ活性升高(P<0.05)。見表6。
Tab.5 Comparison of ATP content and Na+/K+-ATPase activity in hippocampus of rats between five groups表5 各組大鼠海馬組織ATP含量及Na+/K+-ATP酶活性比較(n=7,±s)
Tab.5 Comparison of ATP content and Na+/K+-ATPase activity in hippocampus of rats between five groups表5 各組大鼠海馬組織ATP含量及Na+/K+-ATP酶活性比較(n=7,±s)
**P<0.01;a與SH組比較,b與NS組比較,P<0.05。
組別SH組NS組LK組MK組HK組F ATP/(μmol/g)336.31±12.68 290.93±11.96a 310.27±17.48b 318.10±16.21b 305.89±18.61 7.988**Na+/K+-ATP酶活性/(U/mg)26.39±2.69 18.93±1.21a 20.40±2.26 22.30±2.11b 20.20±1.12 15.213**
Tab.6 Comparison of the activity of respiratory chain complex in the hippocampus of rats between five groups表6 各組大鼠海馬組織呼吸鏈復(fù)合體活性比較(n=7,μmol·min-1·g-1,±s)
Tab.6 Comparison of the activity of respiratory chain complex in the hippocampus of rats between five groups表6 各組大鼠海馬組織呼吸鏈復(fù)合體活性比較(n=7,μmol·min-1·g-1,±s)
**P<0.01;a與SH 組比較,b與NS 組比較,c與LK 組比較,d與MK組比較,P<0.05。
組別SH組NS組LK組MK組HK組F復(fù)合體Ⅰ5.27±0.31 4.08±0.38a 4.43±0.33 4.74±0.45b 4.34±0.53d 11.933**復(fù)合體Ⅱ6.05±0.40 4.29±0.31a 4.50±0.39 5.04±0.23bc 4.42±0.32d 32.680**復(fù)合體Ⅲ3.43±0.29 2.59±0.15a 2.93±0.19b 3.11±0.36b 2.90±0.13b 11.747**復(fù)合體Ⅳ3.70±0.36 3.42±0.31 3.52±0.42 3.60±0.66 3.36±0.38 0.677
Fig.2 HE staining of hippocampal CA1 region of rats in each group at 24 h after ROSC(×200)圖2 各組大鼠ROSC后24 h海馬CA1區(qū)HE染色(×200)
本研究結(jié)果顯示,MK組ROSC后24 h海馬組織Na+/K+-ATP 酶活性和線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ活性升高,ATP 生成增加,NDS 升高,海馬CA1 區(qū)細(xì)胞形態(tài)明顯改善,而LK組、HK組NDS及海馬區(qū)細(xì)胞形態(tài)未見明顯改善。因此,筆者認(rèn)為CPR 時(shí)適當(dāng)提高血鉀可改善CA/CPR 后的腦IRI,推測(cè)其機(jī)制可能是血鉀可拮抗細(xì)胞K+離子外流,增加細(xì)胞內(nèi)K+濃度,改善線粒體功能,但過高血鉀則削弱高鉀對(duì)CPR大鼠腦組織的保護(hù)作用。
維持細(xì)胞內(nèi)外K+濃度差是細(xì)胞發(fā)揮正常功能的重要條件,細(xì)胞內(nèi)K+過量外排可介導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn),在皮質(zhì)神經(jīng)元細(xì)胞誘導(dǎo)凋亡過程中,持續(xù)的外向電流IK和短暫的外向電流IA介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)的K+排出細(xì)胞外,細(xì)胞外的高鉀可通過拮抗K+外流減輕神經(jīng)元的凋亡[5]。細(xì)胞膜K+跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)主要由電壓依賴性K+通道、配體依賴的K+通道及Na+-K+-ATP酶共同參與,Na+-K+-ATP酶主要參與細(xì)胞攝取K+的調(diào)控。當(dāng)細(xì)胞缺血缺氧時(shí),ATP 合成不足,Na+-K+-ATP酶活性下降,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)K+攝取減少,細(xì)胞內(nèi)滲透壓下降,伴隨著水分子大量涌出,細(xì)胞出現(xiàn)皺縮,半胱氨酸蛋白酶和核酸酶活性被激活,進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。缺血后快速恢復(fù)Na+-K+-ATP酶活性、增加K+攝取則可明顯改善缺血后的腦損傷。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)K+升高達(dá)150 mmol/L時(shí)則可拮抗細(xì)胞凋亡[6]。前期局灶性腦IRI 研究證實(shí),使用氯化鉀可抑制細(xì)胞內(nèi)K+外流、增加K+攝?。?]。本研究同樣發(fā)現(xiàn),CPR時(shí)使用氯化鉀可增加Na+/K+-ATP 酶活性。由此,筆者認(rèn)為CPR 時(shí)使用氯化鉀可能通過抑制細(xì)胞內(nèi)K+外流、增加K+攝取,維持細(xì)胞內(nèi)外K+穩(wěn)態(tài),進(jìn)而減輕腦IRI。
線粒體是能量合成的主要場(chǎng)所,ATP 的產(chǎn)生主要通過線粒體氧化磷酸化和線粒體呼吸鏈(MRC)的電子傳遞,MRC由位于線粒體內(nèi)膜的一系列有電子傳遞功能的氧化還原酶組成,主要包括呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ和ATP合成酶(呼吸鏈復(fù)合體Ⅴ)。復(fù)合體Ⅰ和Ⅲ是呼吸鏈電子傳遞中電子泄漏和超氧化物產(chǎn)生的重要位點(diǎn)[8]。線粒體基質(zhì)K+濃度和細(xì)胞內(nèi)K+濃度相似,細(xì)胞內(nèi)高K+是維持線粒體生理功能的基礎(chǔ)。線粒體外K+下降會(huì)抑制呼吸鏈,降低呼吸速率,K+內(nèi)流減少,進(jìn)而導(dǎo)致線粒體基質(zhì)體積減少,對(duì)鈣誘導(dǎo)的通透性轉(zhuǎn)化更敏感,線粒體通透性增加[9]。相反,線粒體K+內(nèi)流增加,可以使線粒體基質(zhì)體積增大、呼吸作用增加,進(jìn)而促進(jìn)線粒體能量生成,抑制活性氧(ROS)的產(chǎn)生;還可以抑制Ca2+內(nèi)流,有效防止線粒體內(nèi)鈣超載。另有研究表明,線粒體K+內(nèi)流增加有助于缺血時(shí)的糖酵解途徑向有利于細(xì)胞存活的方向轉(zhuǎn)變[10]。前期研究發(fā)現(xiàn),ROSC 后24 h 氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡表現(xiàn)最明顯[11],而提高血鉀可明顯減少ROSC 后腦組織ROS 的生成[3]。本研究結(jié)果顯示,與NS 組比較,MK 組的腦組織呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ活性明顯升高,ATP 含量增加。由此推測(cè),適度升高血鉀可能通過影響線粒體呼吸鏈功能提高呼吸速率,增加ATP 的合成,減少ROS 生成,減輕腦IRI。
本研究發(fā)現(xiàn),HK組的腦IRI改善不優(yōu)于MK組,這可能與過高的血鉀對(duì)心血管的抑制和復(fù)蘇后血壓下降有關(guān)。前期大腦中動(dòng)脈閉塞(MCAO)模型研究顯示,高劑量氯化鉀(2.5%、3.2 mL/kg)比低劑量(1.25%,3.2 mL/kg)改善腦IRI 更明顯[12]。本研究發(fā)現(xiàn),中等劑量的氯化鉀具有更好的治療效果,分析ROSC 后MAP 的變化可以發(fā)現(xiàn),相比NS 組,HK 組ROSC 后8 min 內(nèi)MAP 明顯降低。在正常生理狀態(tài)下,維持足夠的MAP 對(duì)保證腦灌注、促進(jìn)腦功能的恢復(fù)或防止更嚴(yán)重的缺血性腦損傷至關(guān)重要。而有效循環(huán)血量、心臟射血能力和一定的血管張力是維持正常血壓的基本要素。高血鉀使細(xì)胞膜去極化、膜負(fù)電位下降,抑制電壓依賴性慢鈣通道及抑制Na+-Ca2+交換而使鈣內(nèi)流減少,導(dǎo)致心肌收縮減弱[13]。另外,細(xì)胞外K+升高,細(xì)胞K+外流減少,靜息電位絕對(duì)值減小,Na+通道失活數(shù)量增加,相應(yīng)的可被激活的Na+通道減少,心肌興奮性降低,甚至停跳。與MCAO模型不同,CPR后機(jī)體的各器官,包括心臟均經(jīng)歷了IRI,心臟對(duì)氯化鉀耐受性減低。本研究結(jié)果也顯示HK 組復(fù)蘇早期MAP 明顯降低。因此,筆者認(rèn)為CPR時(shí)適度升高血鉀濃度可減輕腦IRI,但過高的血鉀抑制了心臟興奮性及收縮功能,削弱了高鉀潛在的拮抗缺血性損傷的保護(hù)作用。
綜上所述,CPR 早期適度升高血鉀濃度可改善腦組織線粒體功能,減輕腦的IRI,但血鉀濃度過高可能出現(xiàn)心血管系統(tǒng)的抑制和血壓下降,削弱高血鉀對(duì)腦IRI的保護(hù)作用。因此,如何平衡高血鉀的獲益和風(fēng)險(xiǎn),探索高血鉀拮抗腦IRI的相關(guān)機(jī)制是未來研究的重點(diǎn)。