用31P磁共振仪观察左旋精氨酸对缺氧再灌注兔心肌能量代谢的影响
作者：章志伟 谷春久 张显清 阎德民 谷天祥
单位：章志伟(中国医科大学第一临床学院心脏外科，沈阳11001)；谷春久(中国医科大学第一临床学院心脏外科，沈阳11001)；张显清(中国医科大学第一临床学院心脏外科，沈阳11001)；阎德民(中国医科大学第一临床学院心脏外科，沈阳11001)；谷天祥(中国医科大学第一临床学院心脏外科，沈阳11001)
关键词：磁共振分析；左旋精氨酸；再灌注损伤
中国医科大学学报000126 摘要 目的：研究左旋精氨酸对缺血再灌注心肌能量代谢及血管功能的作用。方法：使家兔离体心脏缺血180 min，然后再灌注60 min，实验组中的心肌保护液中加入左旋精氨酸。用31P磁共振仪动态观察心肌内能量的变化规律。同时观察再灌后冠状动脉流量的变化。结果：左旋精氨酸在缺血期间能够有效地保存心肌内三磷酸腺苷和磷酸肌苷的含量并能提高再灌注后的冠状动脉流量。结论：左旋精氨酸对缺血再灌注的兔心脏功能有良好的保护作用。
, http://www.100md.com
Effects of L-Arginine on High Energy Metabolite Levels in Rabbit
Heart by Phosphorus-31 Nuclear Magnetic Resonance
Zhang Zhiwei Gu Chunjiu Zhang Xianqing et al
(Department of Heart Surgery, The First Clinical College, China Medical University, Shenyang,110001)
ABSTRACT Objective:Our purpose was to evaluate the effects of L-Arginine on energy metabolism and coronary vessel function of ischemic and reperfused rabbit myocardium. Methods：Langendorff perfused isolated rabbit heart was subjected to gobal ischemia of 180 min at 15℃ and then reperfued for 60 min at 37℃. L-Arginine was added to cardioplegic solution. Myocardial adenosine triphosphate (ATP) and phosphocreatine (CrP) were measured with 31P magnetic resonance. Coronary flow rate was evaluated also. Results:Both the ATP and CrP in the L-Arginine treated group were better preserved than those in the control group during ischemia. Coronary flow rate was well protected in the L-Arginine group during reperfusion. Conclusion:Cardioplegic solution supplemented with L-Arginine can provide better preservation on myocardial energy storage during ischemia and protect the coronary function after reperfusion.
, 百拇医药
KEY WORDS phosphorus-31 magnetic resonance; L-arginine; reperfusion injury
内皮细胞衍生舒张因子(endothelium derived relaxing factor, EDRF)是一种含氮化合物，与一氧化氮(nitric oxide, NO)相同，在缺氧再灌注过程中的作用日益受到重视。这种因子具有血管舒张、抑制血小板聚积及中性粒细胞的粘附和清除自由基的作用[1～4]。在缺氧及再灌注的早期，这种因子的释放受到破坏。因此，在缺氧再灌注过程中加入外源性的NO如左旋精氨酸，会缓解组织损伤。已有关于NO对心肌功能影响的报道，但它对心肌能量代谢的影响， 特别是在缺氧期间的作用还不清楚。 我们利用31P磁共振仪对缺氧再灌注的家兔心肌中的能量变化及左旋精氨酸对该过程的影响进行了动态观察。
1 材料与方法
, 百拇医药
体重为1.0 kg左右的家兔，雌雄不分，随机分为对照组和实验组(左旋精氨酸组)，各10只。苯巴比妥静脉麻醉后行气管切开并插管，呼吸机辅助呼吸，开胸取出心脏，主动脉插管(注意保护冠状动脉开口)后在Langendorff模型上灌流，压力为100 cm水柱，灌注液为Krebs-Henseleit液，用95%的O2和5%的CO2氧合，将灌流的心脏放到磁共振仪内，为模拟临床手术情况，先在37℃下灌流30 min，然后停止灌流并降温到15℃，进行3 h的缺氧期，期间每30 min给予心肌保护液(8 ml/kg)，对照组中给予4℃的St. Thomas液，实验组中，在上述的心肌保护液中加入左旋精氨酸10 mmol/L。然后复温至37℃并开始灌流。在实验过程中用31P磁共振仪(日本电子公司，GX-400 NMR)测定心肌内三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)和磷酸肌苷(creatine phosphate, CrP)的变化(缺氧前和缺氧期间，每30 min测定1次，再灌注后每15 min测定1次)。测定CrP, ATP波峰的面积，然后换算成缺氧前值的比值。实验中还测定再灌注前后的冠状动脉流量(coronary flow, CF)。用t检验分析组内及组间的统计学差异。
, 百拇医药
2 结果
2.1 ATP的变化 缺氧开始后，两组中的ATP均有下降，但实验组中下降缓慢，两组间在各时点均有统计学差异(P<0.01)，再灌注后，对照组中ATP呈继续下降趋势，实验组中ATP虽然高于对照组，但只在再灌注1 h后才有统计学差异(图1)。
图1 心肌内ATP变化
Figure 1 Variation of ATP in myocardium
2.2 CrP的变化 缺氧开始后，对照组中的CrP呈迅速下降，到缺氧180 min时仅为缺氧前的47.5%，而实验组中，CrP的含量先有少量减少但马上回升，到缺氧180 min时，已恢复到缺氧前的水平，两组间各时点均有统计学差异(P<0.01)；再灌注后，两组中的CrP均明显下降，两组间无差异(图2)。
, 百拇医药
图2 心肌内CrP变化
Figure 2 Variation of CrP in myocardium
2.3 CF的变化 再灌注后，实验组中的冠状动脉流量在各时点均高于对照组(P<0.01)(图3)。
图3 冠状动脉流量变化
Figure 3 Variation of flow rate in coronary artery
3 讨论
31P磁共振仪可无损伤地测定心肌内能量代谢的变化，利用这个特点，作者对缺氧及再灌注兔心肌内能量代谢变化及左旋精氨酸在该过程中的作用做连续动态的观察。缺氧开始后，对照组的ATP和CrP即开始下降，至缺氧180 min时，分别为缺氧前的74.7%和47.5%，提示心肌虽然在低温及St. Thomas液的保护下，能量储备仍被大量消耗。Grebhard[5]认为，在缺氧后不久心肌内能量代谢发生变化，ATP消耗，CrP用于补充ATP，造成心肌CrP水平下降。CrP下降至缺氧前的40%时，能量消耗达到极限。实验组中，CrP于缺氧后也开始下降，60 min时达到最低点，但仍明显高于对照组，然后开始回升，在缺氧180 min时仍保持在缺氧前水平。ATP在缺氧后虽然也呈逐渐下降趋势，但下降缓慢，各时段数值均明显高于对照组。ATP及CrP均是心肌中的能量储备。ATP含量较丰富时，肌苷被磷酸化为CrP，作为能量储备，而当ATP被消耗时，上述反应逆转，产生ATP[6]。本实验结果提示，左旋精氨酸对缺氧期心肌能量储备有明显的保护作用。再灌注后，实验组CrP明显下降与对照组无差别，而ATP则稍高于对照组，但只有在再灌注后60 min时才出现统计学差别。再灌注后两组内的能量储备均未能恢复到缺氧前水平，可能与多因素引起的再灌注损伤有关，同时也说明无论是St. Thomas液还是St. Thomas液加用左旋精氨酸对缺氧180 min的兔心肌均未能提供完善的心肌保护。通过对冠状动脉流量(CF)观察发现，再灌注后实验组中的CF值明显高于对照组，提示左旋精氨酸对再灌注后冠状血管功能有良好的保护作用。本实验未做心室功能测定，但Macho认为冠状动脉流量的增加可以通过Garden Hose效应来提高心室功能[7]。因此左旋精氨酸对再灌注后心脏功能也具有保护作用。
, 百拇医药
左旋精氨酸的作用机理目前还不清楚，但普遍认为与NO有关。它主要是通过为NO或EDRF合成提供更多的底物，改善再灌注后冠状血管功能来提高心肌功能。本实验也证实了这一点。关于左旋精氨酸在缺氧期的作用机理尚未见报道。正常机体内，左旋精氨酸是CrP合成的底物，在肝脏和胰腺中进行。本实验发现左旋精氨酸可以明显提高缺氧心肌内的CrP含量，可能由于左旋精氨酸直接参与了缺氧心肌中CrP的代谢并提高心肌能量储备。
参考文献
1，Nakanishi K,，Zhao，ZQ,，Vinten-Johansen J, et al. Coronary artery endothelial dysfunction after ischemia, blood cardioplegia and reperfusion. Ann Thorac Surg, 1994,58:191_199
2，Palmer RMJ, Ferrige AG, Moncada S. Nitric oxide released accounts for biological activity of endothelium-derived relaxing factor. Nature, 1987,327:524_526
, http://www.100md.com
3，Furlong B, Henderson AM, Lewis MJ, et al. Endothelium-derived relaxing factor inhibits in vitro platelet aggregation. Br J Pharmacol, 1987,90:687_695
4，Grylewski RJ, Palmer RMJ, Moncada S. Superoxide anion is involved in the breakdown of endothelium-derived relaxing factor. Nature, 1986,32:454_456
5，Grebhard MM, Bretschneider HJ, Schnabel PA. Cardioplegia principle and problems. In: Sperelakis N, ed. Physiology and pathophysiology of the heart. 2nd ed. Boston: Klumer Academic, 1989.233_235
, http://www.100md.com
6，William M, Southerland. Amino acid metabolism. In: William M, Southerland, ed. Biochemistry. lst ed. Churchill Livingstone Inc, 1990.268_274
7，Macho P, Batner SF. Effect of nitroglycerin and nitroprusside and large and small coronary vessels in conscious dogs. Circulation, 1981,64:1101_1107
收稿1998-12-24, 百拇医药
单位：章志伟(中国医科大学第一临床学院心脏外科，沈阳11001)；谷春久(中国医科大学第一临床学院心脏外科，沈阳11001)；张显清(中国医科大学第一临床学院心脏外科，沈阳11001)；阎德民(中国医科大学第一临床学院心脏外科，沈阳11001)；谷天祥(中国医科大学第一临床学院心脏外科，沈阳11001)
关键词：磁共振分析；左旋精氨酸；再灌注损伤
中国医科大学学报000126 摘要 目的：研究左旋精氨酸对缺血再灌注心肌能量代谢及血管功能的作用。方法：使家兔离体心脏缺血180 min，然后再灌注60 min，实验组中的心肌保护液中加入左旋精氨酸。用31P磁共振仪动态观察心肌内能量的变化规律。同时观察再灌后冠状动脉流量的变化。结果：左旋精氨酸在缺血期间能够有效地保存心肌内三磷酸腺苷和磷酸肌苷的含量并能提高再灌注后的冠状动脉流量。结论：左旋精氨酸对缺血再灌注的兔心脏功能有良好的保护作用。
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Effects of L-Arginine on High Energy Metabolite Levels in Rabbit
Heart by Phosphorus-31 Nuclear Magnetic Resonance
Zhang Zhiwei Gu Chunjiu Zhang Xianqing et al
(Department of Heart Surgery, The First Clinical College, China Medical University, Shenyang,110001)
ABSTRACT Objective:Our purpose was to evaluate the effects of L-Arginine on energy metabolism and coronary vessel function of ischemic and reperfused rabbit myocardium. Methods：Langendorff perfused isolated rabbit heart was subjected to gobal ischemia of 180 min at 15℃ and then reperfued for 60 min at 37℃. L-Arginine was added to cardioplegic solution. Myocardial adenosine triphosphate (ATP) and phosphocreatine (CrP) were measured with 31P magnetic resonance. Coronary flow rate was evaluated also. Results:Both the ATP and CrP in the L-Arginine treated group were better preserved than those in the control group during ischemia. Coronary flow rate was well protected in the L-Arginine group during reperfusion. Conclusion:Cardioplegic solution supplemented with L-Arginine can provide better preservation on myocardial energy storage during ischemia and protect the coronary function after reperfusion.
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内皮细胞衍生舒张因子(endothelium derived relaxing factor, EDRF)是一种含氮化合物，与一氧化氮(nitric oxide, NO)相同，在缺氧再灌注过程中的作用日益受到重视。这种因子具有血管舒张、抑制血小板聚积及中性粒细胞的粘附和清除自由基的作用[1～4]。在缺氧及再灌注的早期，这种因子的释放受到破坏。因此，在缺氧再灌注过程中加入外源性的NO如左旋精氨酸，会缓解组织损伤。已有关于NO对心肌功能影响的报道，但它对心肌能量代谢的影响， 特别是在缺氧期间的作用还不清楚。 我们利用31P磁共振仪对缺氧再灌注的家兔心肌中的能量变化及左旋精氨酸对该过程的影响进行了动态观察。
1 材料与方法
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体重为1.0 kg左右的家兔，雌雄不分，随机分为对照组和实验组(左旋精氨酸组)，各10只。苯巴比妥静脉麻醉后行气管切开并插管，呼吸机辅助呼吸，开胸取出心脏，主动脉插管(注意保护冠状动脉开口)后在Langendorff模型上灌流，压力为100 cm水柱，灌注液为Krebs-Henseleit液，用95%的O2和5%的CO2氧合，将灌流的心脏放到磁共振仪内，为模拟临床手术情况，先在37℃下灌流30 min，然后停止灌流并降温到15℃，进行3 h的缺氧期，期间每30 min给予心肌保护液(8 ml/kg)，对照组中给予4℃的St. Thomas液，实验组中，在上述的心肌保护液中加入左旋精氨酸10 mmol/L。然后复温至37℃并开始灌流。在实验过程中用31P磁共振仪(日本电子公司，GX-400 NMR)测定心肌内三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)和磷酸肌苷(creatine phosphate, CrP)的变化(缺氧前和缺氧期间，每30 min测定1次，再灌注后每15 min测定1次)。测定CrP, ATP波峰的面积，然后换算成缺氧前值的比值。实验中还测定再灌注前后的冠状动脉流量(coronary flow, CF)。用t检验分析组内及组间的统计学差异。
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2 结果
2.1 ATP的变化 缺氧开始后，两组中的ATP均有下降，但实验组中下降缓慢，两组间在各时点均有统计学差异(P<0.01)，再灌注后，对照组中ATP呈继续下降趋势，实验组中ATP虽然高于对照组，但只在再灌注1 h后才有统计学差异(图1)。
图1 心肌内ATP变化
Figure 1 Variation of ATP in myocardium
2.2 CrP的变化 缺氧开始后，对照组中的CrP呈迅速下降，到缺氧180 min时仅为缺氧前的47.5%，而实验组中，CrP的含量先有少量减少但马上回升，到缺氧180 min时，已恢复到缺氧前的水平，两组间各时点均有统计学差异(P<0.01)；再灌注后，两组中的CrP均明显下降，两组间无差异(图2)。
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图2 心肌内CrP变化
Figure 2 Variation of CrP in myocardium
2.3 CF的变化 再灌注后，实验组中的冠状动脉流量在各时点均高于对照组(P<0.01)(图3)。
图3 冠状动脉流量变化
Figure 3 Variation of flow rate in coronary artery
3 讨论
31P磁共振仪可无损伤地测定心肌内能量代谢的变化，利用这个特点，作者对缺氧及再灌注兔心肌内能量代谢变化及左旋精氨酸在该过程中的作用做连续动态的观察。缺氧开始后，对照组的ATP和CrP即开始下降，至缺氧180 min时，分别为缺氧前的74.7%和47.5%，提示心肌虽然在低温及St. Thomas液的保护下，能量储备仍被大量消耗。Grebhard[5]认为，在缺氧后不久心肌内能量代谢发生变化，ATP消耗，CrP用于补充ATP，造成心肌CrP水平下降。CrP下降至缺氧前的40%时，能量消耗达到极限。实验组中，CrP于缺氧后也开始下降，60 min时达到最低点，但仍明显高于对照组，然后开始回升，在缺氧180 min时仍保持在缺氧前水平。ATP在缺氧后虽然也呈逐渐下降趋势，但下降缓慢，各时段数值均明显高于对照组。ATP及CrP均是心肌中的能量储备。ATP含量较丰富时，肌苷被磷酸化为CrP，作为能量储备，而当ATP被消耗时，上述反应逆转，产生ATP[6]。本实验结果提示，左旋精氨酸对缺氧期心肌能量储备有明显的保护作用。再灌注后，实验组CrP明显下降与对照组无差别，而ATP则稍高于对照组，但只有在再灌注后60 min时才出现统计学差别。再灌注后两组内的能量储备均未能恢复到缺氧前水平，可能与多因素引起的再灌注损伤有关，同时也说明无论是St. Thomas液还是St. Thomas液加用左旋精氨酸对缺氧180 min的兔心肌均未能提供完善的心肌保护。通过对冠状动脉流量(CF)观察发现，再灌注后实验组中的CF值明显高于对照组，提示左旋精氨酸对再灌注后冠状血管功能有良好的保护作用。本实验未做心室功能测定，但Macho认为冠状动脉流量的增加可以通过Garden Hose效应来提高心室功能[7]。因此左旋精氨酸对再灌注后心脏功能也具有保护作用。
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左旋精氨酸的作用机理目前还不清楚，但普遍认为与NO有关。它主要是通过为NO或EDRF合成提供更多的底物，改善再灌注后冠状血管功能来提高心肌功能。本实验也证实了这一点。关于左旋精氨酸在缺氧期的作用机理尚未见报道。正常机体内，左旋精氨酸是CrP合成的底物，在肝脏和胰腺中进行。本实验发现左旋精氨酸可以明显提高缺氧心肌内的CrP含量，可能由于左旋精氨酸直接参与了缺氧心肌中CrP的代谢并提高心肌能量储备。
参考文献
1，Nakanishi K,，Zhao，ZQ,，Vinten-Johansen J, et al. Coronary artery endothelial dysfunction after ischemia, blood cardioplegia and reperfusion. Ann Thorac Surg, 1994,58:191_199
2，Palmer RMJ, Ferrige AG, Moncada S. Nitric oxide released accounts for biological activity of endothelium-derived relaxing factor. Nature, 1987,327:524_526
, http://www.100md.com
3，Furlong B, Henderson AM, Lewis MJ, et al. Endothelium-derived relaxing factor inhibits in vitro platelet aggregation. Br J Pharmacol, 1987,90:687_695
4，Grylewski RJ, Palmer RMJ, Moncada S. Superoxide anion is involved in the breakdown of endothelium-derived relaxing factor. Nature, 1986,32:454_456
5，Grebhard MM, Bretschneider HJ, Schnabel PA. Cardioplegia principle and problems. In: Sperelakis N, ed. Physiology and pathophysiology of the heart. 2nd ed. Boston: Klumer Academic, 1989.233_235
, http://www.100md.com
6，William M, Southerland. Amino acid metabolism. In: William M, Southerland, ed. Biochemistry. lst ed. Churchill Livingstone Inc, 1990.268_274
7，Macho P, Batner SF. Effect of nitroglycerin and nitroprusside and large and small coronary vessels in conscious dogs. Circulation, 1981,64:1101_1107
收稿1998-12-24, 百拇医药