30d尾吊大鼠血循环、肌肉和骨骼系统的变化

http://www.100md.com 《航天医学与医学工程》 1999年第4期

     作者：沈羡云 崔伟 马永烈 董颀 汪涛 杨光华

    单位：航天医学工程研究所，北京 100094

    关键词：模拟失重；血液循环；肌肉；骨骼

    航天医学与医学工程990411摘要：目的 确定中长期失重防护措施研究的模拟失重动物模型。方法 比较对照组鼠(n=15)和尾吊鼠(n=15)在实验30 d后血循环、肌肉和骨骼系统的变化。结果 尾吊可引起血液流变性和红细胞变形能力下降，肌肉萎缩，肌肉收缩功能下降，肌纤维的I型纤维向II纤维转化，L3骨矿盐含量下降，股骨载荷功能降低和骨代谢变化。结论 尾吊鼠可作为今后研究的模拟失重动物模型。

    中图分类号：R852.22 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)-04-0277-04

    Changes of Blood Circulation,Muscle and Skeletal Systems in 30 d

    Tail-suspented Rats

    SHEN Xian-yun,CUI Wei,MA Yong-lie,Dong Qi,WANG Tao,YANG Guang-hua

    Abstract：Objective To confirm the tail-suspended rat model for the study of countermeasures against weightlessness. Method The changes of blood circulation, muscle and skeletal systems in control group rats (n=15) and 30 d tail-suspended rats (n=15) were compared. Result Compared with the control group,the hemorrheology and erythrocyte deformability decreased significantly, muscle-fiber atrophy ，muscle contraction function decreased, the type I muscle fibers transformed to the type II muscle fibers,bone-mineral content of L3 and load capacity of femur declined, bone metabolism changed in the suspended rats. Conclusion The tail-suspended rat is a suitable animal model for the study of countermeasures against weightlessness.

    Key words: simulated weightlessness;blood circulation;muscles;skeleton

    Address reprint requests to:SHEN Xian-yun.Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China

    空间飞行时，随着飞行时间的延长，生理系统将出现一系列适应失重环境的变化。对于长期适应重力环境的人来说，这些变化是一种不良的影响。致使航天员返回地面时，不能适应地球的1G环境。因此，减轻或消除失重的不利影响一直是航天医学研究的重要课题。

    为减少失重对人体的不利影响，航天中采用了各种防护措施，这些措施的综合采用起到较好的防护作用，但各生理系统改变仍十分明显^[1]。人体是一个统一的整体，失重引起的各生理系统的变化之间有着密切的联系，尤其失重对血循环系统的影响是引起其它系统如水盐代谢、骨骼、肌肉等系统变化的起因之一。所以在进行失重药物防护研究时，不能单从药物对某个系统的作用去考虑，而应该从改善机体的整体状态出发，选用有效的药物。但是，国内外在进行失重生理研究时，一般是从各自的专业领域出发，针对失重对不同生理系统的影响，采用不同的动物模型。我们在将要进行的失重药物防护措施的研究中，试图观察几种药方对同一种动物的影响。因此，必需选择合适的动物模型。在失重生理研究中，应用比较广泛的模拟失重动物模型是尾吊鼠，一般是将其作为模拟失重对肌肉、骨骼和骨骼系统影响的动物模型^[2，3],而很少将其作为模拟失重对心血管和血液影响的动物模型,更少见将其作为模拟失重对各生理系统影响的动物模型。所以本实验的目的是观察大鼠在尾吊期间三个生理系统、多项指标的变化，以确定今后药物研究的动物模型和测量指标。

    方 法

    实验动物 SD雄性大鼠30只，体重121～187 g。经5 d适应环境后，按体重配对分为两组——对照组：15只，实验期间自由活动；尾吊组：15只，头低位30°尾吊。实验期30 d，实验结束后，心脏取血10 ml，断头。实验测试指标和方法见表1。

    表1 实验中的测试指标

    Table 1 Experimental indices 指标(indices)

    测试方法(test method)

    血循环系统(blood circulation system)

    全血黏度(Whole blood viscocity)

    锥板黏度计法(cone and plate viscometer)

    纤维蛋白原(fibrinogen)

    毛细管热沉淀法(capillary tube heat precipitation method)

    红细胞变形性(erythrocyte deformability)

    激光衍射法(ektacytometry)

    红细胞形态(red cell morphology)

    透视电镜法(transmission electron microscope)

    血脂(blood-fat)

    生化自动分析仪(biochemistry automatic analyzer)

    骨骼系统(skeleton system)

    股骨生物力学性能(femur biomechanical function)

    三点弯曲断裂实验(bending breaking test)

    椎骨生物力学性能(vertebra biomechanical function)

    压缩力学实验(compress mechanics test)

    骨矿盐含量(content of bone mineral salt)

    灰分法(ash analysis)

    骨质内非胶原蛋白(non-collagen protein)

    放射免疫法(radioimmunoassay)

    血钙等含量(content of blood calcium)

    放射免疫法(radioimmunoassay)

    肌肉系统(muscle system)

    肌肉力学特性(muscle mechanical parameter)

    离体肌肉力学特征测量(exsomatize muscle mechanical

    speciality measure)

    肌纤维类型和面积(muscle fibers type and size)

    ATP酶染色法(ATPase staining methods)

    肌小节和线粒体超微结构(ultrastructure of

    电子显微镜法(electron microscope)

    mitochondria and muscle nodule)

    统计学分析方法 统计学t检验方法。结 果

    血循环系统 30 d模拟失重引起大鼠血循环系统的明显变化，与对照组相比，尾吊组出现明显的血粘度、纤维蛋白原、红细胞压积增高，红细胞变形能力下降，异形红细胞比例增加，红细胞聚集指数有增高趋势(表2)。两组的血脂指标(血清胆固醇、低密度脂蛋白、高密度脂蛋白、动脉粥样硬化指数)无明显差别。

    表2 两组血循环指标变化的比较

    Table 2 Comparison of blood circulation indices between two groups 指标(indices)

    对照组

    (control)(n=15)

    尾吊组

    (suspension)(n=15)

    血粘度(blood viscosity)mPa.s

    (230 S^-1)

    3.49±0.16

    3.72±0.28^**

    (46 S^-1)

    4.51±0.22

    5.03±0.44^***

    (5.75 S^-1)

    6.56±0.53

    7.55±1.18^**

    纤维蛋白原(fibrinogen)(%)

    2.59±0.38

    3.48±0.76^**

    血细胞压积(HCT)(%)

    41.1±1.9

    42.6±2.2^*

    红细胞聚集指数(RBC aggregation index)(%)

    1.89±0.16

    2.04±0.28^*

    红细胞变形能力(DImax)(erythrocyte deformability)(%)

    57.81±3.70

    51.60±5.09^**

    积分变形指数(IDI)(integral deformability index)(%)

    38.75±3.15

    34.87±3.71^**

    异形红细胞比例(poikilocyte rate)(%)

    1.01±0.63

    2.38±0.61^**

    注：*P<0.01，**P<0.01，***P<0.001，与对照组比

    Note:*P<0.01，**P<0.01，***P<0.001，as compared with contol group 骨骼系统 尾吊30 d后骨骼系统的主要变化是第6胸椎(T6)骨矿盐含量明显增加、第3腰椎(L3)骨矿盐含量减少，L3的类胰岛素生长因子(IGF-I)和表皮生长因子(EGF)显著增高；对股骨干近1/3段的骨矿盐含量，第3腰椎(L3)的骨钙素、白蛋白和血液中的碱性磷酸酶、血钙、血磷无明显影响(表3)。

    表3 两组鼠部分骨骼系统指标的比较

    Table 3 Comparison of the partial indices of skeleton system in two groups 指标(indices)

    n

    对照组(control)

    尾吊组(suspension)

    骨矿盐含量(content of bone mineral salt)(g/g)

    T6

    15

    0.44±0.02

    0.50±0.05^*

    L3

    15

    0.52±0.04

    0.45±0.02^*

    股骨近1/3段(1/3 femur)

    15

    0.65±0.03

    0.65±0.03

    类胰岛素生长因子(insulinoid growth factor)(μg/g)(L3)

    15

    0.34±0.07

    0.44±0.12^*

    骨钙素(osteocalcin)(μg/g) (L3)

    15

    9.28±2.05

    10.67±2.73

    白蛋白(albumin)(mg/g)(L3)

    15

    2.21±1.37

    1.62±0.72

    表皮生长因子(epidermal growth factor)(ng/g)(L3)

    15

    4.81±1.15

    6.79±2.11^*

    碱性磷酸酶(alkaline phosphatase)(μmol.s^-1/L)

    15

    1.76±0.56

    1.65±0.47

    血磷(blood phosphor)(mg/dl)

    15

    7.71±1.52

    8.34±1.61

    血钙(blood calcium)(mg/dl)

    15

    10.39±0.58

    9.93±0.59

    注：* P<0.05，与对照组比 Note:* P<0.05，as compared with control group 表4是两组鼠椎骨和股骨的生物力学特性，结果表明悬吊对大鼠椎骨的生物力学特性无明显影响，但降低股骨的生物力学特性。

    表4 两组鼠椎骨(T6)和股骨的生物力学指标(n=15)

    Table 4 Biomechanics indices of vertebra(T6)and femur

    in two groups(n=15) 指标(indices)

    椎骨(vertebra)

    股骨(femur)

    对照组(control

    group)(n=15)

    悬吊组(suspension

    group)(n=15)

    对照组(control

    group)(n=8)

    悬吊组(suspension

    group)(n=8)

    最大载荷(maximum load)(N)

    116.40±36.43

    118.30±27.20

    95.58±45.09

    44.50±7.65^*

    弹性载荷(elasticity load)(N)

    96.46±31.70

    100.90±18.20

    155.50±36.60

    104.90±21.30^*

    最大挠度(maximum deflection)(mm)

    0.61±0.26

    0.57±0.20

    1.12±0.41

    0.96±0.17

    弹性挠度(elasticity deflection)(mm)

    0.79±0.26

    0.71±0.23

    108.00±19.90

    80.50±12.90^*

    注：* P<0.05，与对照组相比 Note:* P<0.05，as compared with control group

    肌肉系统 尾吊30 d对肌肉系统有明显的影响，尾吊鼠比目鱼肌和腓肠肌的的主要变化是：重量减轻，Ⅰ型纤维向Ⅱ型纤维转化，Ⅰ型和Ⅱ型肌纤维的面积明显减少，肌肉力学功能降低(表4、5、6)。悬吊对大鼠肌肉的超微结构有明显的影响，悬吊组的比目鱼肌和腓肠肌的肌小节都出现结构的紊乱，肌间隙退变细胞增多和血管内皮细胞突出增多。

    表5 两组比目鱼肌和腓肠肌变化的比较

    Table 5 Comparison of the changes of soleus and

    gastrocnemius in two groups 指标(indices)

    n

    对照组

    (control)

    尾吊组

    (suspension)

    比目鱼肌(soleus)

    重量(weight)(g)

    15

    0.12±0.03

    0.06±0.04^*

    I型纤维比率(I fiber rate)(%)

    4

    84.18±8.23

    46.69±3.75^**

    II型纤维比率(II fiber rate)(%)

    4

    15.82±1.08

    53.31±4.58^**

    I型纤维面积(I fiber area)(μm²)

    2137±53

    621±17^*

    II型纤维面积(II fiber area)(μm²)

    4

    1998±45

    781±22^*

    腓肠肌(gastrocnemius)

    重量(g)

    15

    1.59±0.19

    1.12±0.18^*

    I型纤维比率(I fiber rate)(%)

    4

    41.06±3.13

    21.93±1.79^*

    II型纤维比率(II fiber rate)(%)

    4

    58.94±3.42

    78.07±5.74^*

    I型纤维面积(I fiber area)(μm²)

    4

    2543±64

    903±29^*

    II型纤维面积(II fiber area)(μm²)

    4

    2705±60

    1284±53^*

    注：*P<0.05,**P<0.01，与对照组比 Note:*P<0.05,**P<0.01，as compared with control group表6 尾吊对大鼠肌肉力学参数的影响

    Table 6 Influence of tail-suspension on muscle mechanical parameters 指标(indices)

    比目鱼肌(soleus)(n=6)

    腓肠肌(gastrocnemius)(n=8)

    对照组

    (control)

    悬吊组

    (suspension)

    对照组

    (control)

    悬吊组

    (suspension)

    最大位移(maximum displacement)(mm)

    1.22±0.09

    0.88±0.07^*

    4.16±0.23

    3.69±0.19^*

    收缩速度(contraction speed)(m/s)

    5.62±1.74

    5.35±1.44

    44.35±8.17

    37.41±4.58^*

    最大张力(maximum tension)(g)

    2.72±0.98

    1.50±0.42^*

    36.33±4.47

    28.47±5.57^*

    张力变化率(change rate of tension)(g/s)

    11.76±4.10

    9.14±2.10

    425.7±50.4

    375.7±60.4^*

    疲劳时间(fatigue time)(s)

    >30

    <3.5

    >30

    <3.5

    注：*P<0.05，与对照组相比，*P<0.05，as compared with control group讨 论

    实验结果表明30 d尾吊可引起大鼠血循环、肌肉和骨骼系统的明显改变。与对照组相比，尾吊组鼠的大部分指标都发生明显的改变，主要表现在以下几方面。

    血循环系统 尾吊鼠在30 d模拟失重后出现了明显的血液流变性降低和红细胞变形能力下降，此实验结果与我们观察到的人卧床和兔模拟失重后的实验结果一致^[4]。但在人卧床和兔模拟失重时都观察到血脂指标的升高，在尾吊鼠中却无明显改变，原因可能与尾吊鼠在实验中是前肢着地，需付出更多的力量来承受身体重量，同时没有严格限制鼠的活动，运动减退的影响不如卧床和模拟失重兔大，故血脂指标的变化较小。

    骨骼系统 本实验所观察到的胸6(T6)骨矿盐含量增加、L3骨矿盐含量减少、股骨力学特性指标降低、L3的类胰岛素生长因子(IGF-2)和表皮生长因子(EGF)变化与有关的报道一致^[5]。尾吊鼠的胸6(T6)骨矿盐含量增加、生物力学指标无改变，L3骨矿盐含量减少可能与体液头胸向转移及尾吊鼠的胸部较对照鼠承受更大的压力有关。IGF-2是一种类似胰岛素的多肽，它能刺激成骨细胞的增殖，又能促进成骨细胞分化，所以在维持骨强度方面起重要作用。尾吊鼠L3的骨强度降低，而IGF-2和EGF增加，可以认为是一种代偿性的反应，以对抗骨丢失，此结果与国外的报道一致^[6]。

    肌肉系统 失重对肌肉系统的影响是很明显的，一致的结果是引起肌肉萎缩、比目鱼肌和腓肠肌的I型纤维向II型纤维转化、肌肉强度和力量降低^[7]。本实验结果符合航天中的变化，说明尾吊鼠是一种合适的、模拟失重对肌肉系统的影响的动物模型。

    上述分析说明虽然尾吊鼠作为模拟失重动物模型尚有欠缺的地方，如鼠的活动度较大，前肢和胸部承重较大，但总的来看三个生理系统的变化与失重的影响是一致的，尤其是对血循环系统的影响更明显，因此它可作为我们今后药物防护措施研究的动物模型。根据本实验的结果在今后的研究中，一些对照组和尾吊组无明显差别的指标如血脂、血钙、血磷、胸6的力学特性指标等可考虑不用。

    (参加本实验的还有：谢力勤、孙亚志、孟京瑞、温秀兰、汪德生、姜世忠、张宏、杨鸿慧、胡平)

    参考文献

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    [3]崔伟，史之祯，于志深. 1.25-二羟维生素D₃对模拟失重大鼠骨质代谢的影响[J].航天医学与医学工程，1991，4(1):46～50

    [4]沈羡云、孟京瑞、王玉清等.头低位-20°限制活动期间兔生理指标的变化[J]. 航天医学与医学工程，1994,7(3)：186～191

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    [6]崔 伟，阚广捍，谢力勤等.模拟失重大鼠骨质内细胞因子变化与骨代偿性调节[J].航天医学与医学工程，1998，11(4): 291～293

    [7]Nicogossian AE, Huntoon CL, Pool SL. Space physiology and medicine[M].U.S.A:Third edition, 1994: 318～326

    收稿日期：1998-09-29

    百拇医药网 http://www.100md.com/html/analecta/1999/04/01/40/657.htm