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编号:10261225
急性中、重度低压缺氧对大鼠血脑屏障通透性的影响
http://www.100md.com 《中华航空航天医学杂志》 2000年第4期
     作者:沈俊 王庆蓉 张慧 王昊

    单位:200433 上海,海军医学研究所航空医学研究室

    关键词:高海拔;低氧;血脑屏障;毛细血管通透性

    中华航空航天医学杂志000410 【摘要】 目的 观察急性中、重度低压缺氧条件下,大鼠血脑屏障通透性的变化特点,为阐明低压缺氧作用下脑功能障碍的可能机理提供生理学依据。 方法 选择雄性SD大鼠18只,随机分为对照组、5 000 m及8 000 m急性低压缺氧暴露组。实验组动物于低压舱内,以20 m/s的速率上升,至5 000 m(或8 000 m),停留5 h,而后以20 m/s的速率下降至地面。出舱后立即经心脏灌注硝酸镧固定液,开颅取脑,制成切片,置透射电镜下观察。 结果 急性低压缺氧暴露5 h后即刻,即可见镧颗粒通过大鼠脑皮质的毛细血管内皮细胞膜及血管内皮细胞间的紧密连接,沉积于毛细血管内皮细胞浆内、细胞核膜上以及血管周围,弥漫性地分布于脑间质细胞间隙,并附着于神经细胞膜上,而对照组大鼠,镧颗粒仅滞留于大脑皮质的毛细血管腔内。 结论 5 000 m以上低压缺氧连续暴露5 h,可引起大鼠血脑屏障通透性增加。这可能在低压缺氧导致脑水肿的发生以及脑功能障碍的过程中起重要作用。
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    【中国图书资料分类法分类号】 R852.11

    Effect of acute moderate and severe altitude hypoxia on blood-brain barrier permeability in rats

    SHEN Jun, WANG Qingrong, ZHANG Hui

    (Department of Aviation Medicine, Naval Medical Research Institute, Shanghai 200433, China)

    【Abstract】 Objective To explore the changes of blood-brain barrier(BBB) permeability following acute altitude hypoxia exposures in rats. Methods Eighteen rats were randomly divided into control group and 2 experimental groups. The experimental groups were separately exposed to 5 000 m and 8 000 m altitude in hypobaric chamber for 5 h. The brain specimens of rats were prepared immediately after hypoxia exposure using lanthanum trace labeling technique, and the BBB permeability of lanthanum was observed by electron microscope. Results In control group, lanthanum could be seen only within the capillary, adhering to the endothelial surface. In the 2 experimental groups, the lanthanum within the endothelial cells and extra cellular space was found. Lanthanum passed through the tight junction of endothelial cells could also be seen. Conclusion It is suggested that the increased BBB permeability after acute altitude hypoxia may play an important role in the development of brain edema and impairment of brain functions.
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    【Key words】 High altitude; Hypoxia; Blood-brain barrier; Capillary permeability

    在现代航空活动中,由于飞机增压座舱失密或供氧系统故障,而使飞行人员暴露于低压缺氧环境中的事例时有报道[1,2]。众所周知,中枢神经系统尤其是大脑皮质,对缺氧的敏感性最高。当机体暴露在低氧条件下,可出现一系列机体工作能力下降(脑功能障碍)的表现,如反应迟钝,注意力分配和转移障碍,动作的协调性、精确性、稳定性降低,判断能力及简单的计算能力下降等,严重者还会发生意识模糊甚至意识丧失,这对飞行人员的职业安全构成严重威胁。因此,急性低压缺氧的研究在军事航空医学中仍占有十分重要的位置。此外,随着暴露时间的延长,上述机体工作能力的降低,并不是在恢复供氧后立即消失的,故有少量低压缺氧暴露后组织形态学改变的研究报道[3,4]。本研究利用硝酸镧示踪血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)通透性改变的电镜技术[5,6],对低压舱内模拟不同高度缺氧的大鼠大脑顶叶皮质组织进行观察,以期深入了解急性低压缺氧时BBB的形态学变化特点,为阐明急性低压缺氧暴露后脑功能障碍的可能机理提供生理学依据。
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    材料与方法

    一、动物准备

    雄性SD大鼠(由海军医学研究所动物中心提供)18只,体重180~220 g,随机分为3组,即对照组,5 000 m和8 000 m急性低压缺氧暴露组。所有动物实验均严格按照有关实验室动物照料及使用原则进行。

    动物饲养一周后,按不同分组,在动物低压舱内,进行低压缺氧暴露。实验组低压缺氧暴露方案为:置动物于低压舱内,以20 m/s的速率上升,至5 000 m(或8 000 m),停留5 h,而后以20 m/s的速率下降至地面。对照组大鼠亦置于低压舱内停留5 h,但不上升高度。

    二、硝酸镧固定液的配制

    称取40 g硝酸镧(分析纯,上海跃龙化工厂),溶于1 000 ml双蒸水中,用0.1 mol/L氢氧化钠调至pH7.2;量取25%戊二醛(进口分装,上海化学试剂公司)240 ml、双蒸水260 ml、0.2 mol/L二甲砷酸钠(法国进口)缓冲液(pH7.2)1 500 ml、4%硝酸镧1 000 ml混匀待用。
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    三、电镜标本的制备

    动物出舱后,立即用乙醚麻醉,迅速开胸,行左心室插管术,先用生理盐水200 ml灌注冲洗,然后再用硝酸镧固定液200~250 ml灌注,灌注压维持在16 kPa(120 mm Hg)水平。灌注25~30 min后开颅,切取左侧大脑顶叶皮质组织,立即浸入4℃硝酸镧固定液中,并随即剪切成1 mm3大小的组织块,继续固定2 h以上。然后用含硝酸镧的二甲砷酸钠缓冲液漂洗3次,每次约10 min;再于1%锇酸中后固定2 h。最后用0.1 mol/L二甲砷酸钠缓冲液漂洗2次,每次10 min。经酒精、丙酮逐级脱水后,以Epon812树酯包埋,用Reichert-Jung超薄切片机制成90 nm切片,经铀铅染色后,置H-7000透射电镜下观察、拍照。

    结果

    电镜下观察大鼠脑皮质组织超微结构发现:对照组大鼠,镧颗粒仅滞留于大脑皮质的毛细血管腔内,未透入毛细血管内皮细胞浆内,血管外的组织间隙亦未见镧颗粒沉积(图1,见封3);而实验组大鼠,在急性低压缺氧暴露5 h后,即可见镧颗粒通过大鼠脑皮质的毛细血管内皮细胞膜(图2,见封3)及血管内皮细胞间的紧密连接(图3,见封3),沉积于毛细血管内皮细胞浆内、内皮细胞核膜上以及血管周围,弥漫性地分布于脑间质细胞间隙,并附着于神经细胞膜上(图4~6,见封3),但神经细胞内未见镧颗粒沉积(图5,6,见封3)。说明5 000 m与8 000 m缺氧暴露,对BBB造成了程度不同的损伤。此暴露方案虽损伤了大鼠毛细血管内皮细胞,并累及脑神经间质细胞,但尚未对脑皮质神经细胞结构的完整性造成损伤。
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    讨论

    有关BBB的研究已有一个多世纪的历史。研究表明:脑毛细血管内皮细胞及其细胞间的紧密连接是构成BBB的解剖学基础。由于BBB的阻挡作用、易化扩散以及主动转运过程,使它能有效地阻挡物质经界面的扩散,从而使脑组织细胞外液的成分保持在稳定的水平。因此,BBB对维持大脑内环境的稳定以及大脑功能的正常发挥起着重要作用。现已知,BBB结构损伤、通透性增加是引起脑水肿的形成与发展的重要环节之一[7-9]。一般把物质透过BBB的难易程度称为BBB的通透性,它既反映透过物质本身的特性,也能反映BBB的性质,故测定BBB的通透性是了解BBB功能状态的重要手段。

    镧颗粒的平均直径为30 ,通常情况下,它不能通过细胞间的紧密连接,也无法通过细胞膜上平均直径仅8的小孔。本实验观察到,镧颗粒大量沉积在低压缺氧暴露后的大鼠脑毛细血管内皮细胞浆内、内皮细胞核膜上及脑毛细血管内皮细胞间的紧密连接处,并弥漫性地分布于脑神经细胞间质细胞间隙及神经细胞膜上。说明急性中、重度低压缺氧暴露使大鼠的BBB受到了某种损伤,导致BBB通透性的增加。
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    急性中、重度低压缺氧暴露后,大鼠BBB通透性的增加可能与下列因素有关:

    1.缺氧的直接损害:大脑是高耗能的组织。文献报道,离体培养及在体的脑组织缺氧后,其线粒体呼吸功能下降、摄氧及产能速率下降,导致细胞的膜结构破坏,膜流动性降低及通透性变化[10,11];并且在脑缺血等某些病理情况下,脑毛细血管内皮细胞皱缩,使其细胞间的紧密连接增宽开放[6,12]。本实验观察到BBB通透性增加,它与缺氧后膜系统蛋白质、脂质和能量代谢障碍特点相符,并引起大鼠脑毛细血管内皮细胞间的紧密连接开放,这可能是急性低压缺氧暴露后大分子物质(如镧颗粒)通过BBB入脑的重要途径。

    2.脂质过氧化引起的损伤:有人研究发现,血及组织中氧自由基含量越高,组织超微结构改变越明显[13];也有人认为,氧自由基可破坏线粒体结构,干扰其氧化磷酸化过程,使ATP等高能磷酸物质耗竭,从而造成细胞损害[14]。在我们的工作中已证实,低压缺氧暴露5 h后,大鼠血浆及脑组织中的氧自由基明显增加(结果另文发表)。因生物膜系统是体内多价不饱和脂肪酸的主要存在部位,当受到氧自由基作用时,可产生大量脂质过氧化物,结果可使膜的流动性降低以及膜的通透性增高。
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    3.内皮素(ET)的影响:有实验证实,间歇性缺氧均可引起血浆ET含量增高[15]。我们的工作表明,低压缺氧暴露5 h后,大鼠血浆及脑组织中的ET明显增加(结果将另文发表)。ET可通过激活细胞膜上的钙通道或激活磷脂酰肌醇系统,促进Ca2+内流,引起细胞内Ca2+超载,从而导致细胞损伤[16]。脑毛细血管内皮细胞的损伤,使毛细血管壁表面变得粗糙不平,很容易粘附血小板、红血球等,本实验也观察到了此现象(图2),同时内皮细胞损伤后,血管内膜的屏障作用降低,通透性增加。所以,大分子物质(如镧颗粒)就容易透过血脑屏障,沉积于血管内皮细胞内及神经间质细胞间。

    总之,本研究表明,5 000 m以上低压缺氧连续暴露5 h,可引起大鼠BBB通透性增加。这可能在低压缺氧暴露导致脑水肿的发生,进而出现脑功能障碍的过程中起重要作用。但急性低压缺氧暴露后,BBB通透性改变的发展规律、其损伤是可逆的或是永久性的以及低压与缺氧对BBB的影响孰轻孰重,尚有待进一步研究。
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    参考文献

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    [收稿日期:2000-06-19], 百拇医药