小鼠呼出与吸入气体容量差值的测定

徐卫华

(浙江省立同德医院呼吸科,浙江杭州 310012)

小鼠呼出与吸入气体容量差值的测定

徐卫华

(浙江省立同德医院呼吸科,浙江杭州 310012)

目的：明确小鼠呼出气体与吸入气体间存在容量差值,观察其对于体积描记箱内压力变化的影响。方法：用双室体积描记法测量 8只麻醉小鼠呼吸时头室内压力和温度变化,计算吸入气体容量、呼出气体与吸入气体的容量差值。结果：头室内压力曲线的基线随描记箱内温度上升,约 12 min后,尽管此时头室内温度仍保持高位,但压力基线开始缓慢下降。8只小鼠的吸入气体容量为 (0.2842±0.0173)ml,呼出气体与吸入气体的容量差值为 (0.0012±0.0002)ml。结论：小鼠的吸入气体容量大于呼出气体容量,二者的差值导致压力式描记箱内压力变化曲线基线缓慢下降。由于此差值远小于吸入气体容量,故在计算潮气量时可以对此差值忽略不计。呼吸商的存在,是此差值产生的原因。

呼吸;潮气量;压力;温度

[J ZhejiangUniv(Medical Sci),2010,39(3)：322-325.]

由于小鼠能较轻易获得,价格相对便宜,生长快速,因此其成为生物医学研究较常使用的实验动物[1]。许多在生理学[2]、哮喘[3-4]以及肺纤维化[5]等方面的研究大量使用小鼠作为实验动物。当然,要进行这些相关的实验,我们首先要掌握如何精确地测量小鼠的肺功能,包括潮气量。

生理学对潮气量的定义为平静呼吸时,受测者所吸入或呼出气体的容量。但在小动物实验中,小鼠呼出气体与吸入气体的容量是否完全相等?若二者不完全相等,当用体积描记法测量潮气量时,其容量的差值对描记箱内压力变化会产生何种影响?上述问题罕有文献报道。

目前至少有 2种体积描记法测量小动物潮气量。Drorbaugh和 Fenn[6]首先推导出使用整体体积描记法 (whole-body plethys mography)测量小动物潮气量的公式。另一些研究者使用双室体积描记法 (double-chamber plethys mography)[7-9]或躯体体积描记法 (head-out plethysmography)[10-12]测量小动物的肺功能。由于 Fenn的计算公式复杂,本研究采用双室体积描记法对小鼠呼出气体与吸入气体容量差值进行测定,观察其对体积描记箱内压力变化的影响,并计算其具体数值。

理论上双室体积描记箱包括头室和躯体室,测量时小动物的躯体容纳于躯体室,但呼吸头室内的空气。假设头室内的压力为 Pb,容量为 Vb,吸气前头室内温度为 Tb,呼气后头室内压力为 Pe,Vi为吸入气体容量,Vc为呼出气体容量,Te为一次呼吸后头室内温度。在一次呼吸后,有公式:

当 Vi等于 Ve,公式 1将变为:

假定 Vd为吸入气体容量 Vi与呼出气体容量 Ve的差值,根据公式 1,有:

由于一次吸气时头室内空气没有热量交换,温度保持不变,可以得到公式下:

公式 4中 Pi代表吸气后头室内的压力变化。若 Pi已知,则 Vi可以计算:

1 材料与方法

1.1 实验动物 本研究使用 8只 6～8周龄、体重为 18～22 g的雌性 BALB/c小鼠 (浙江大学实验动物中心提供)。动物在标准的清洁级饲养环境中饲养,自由饮水和进食。所有动物实验均遵循浙江大学医学院附属第二医院伦理委员会的规定操作。

1.2 实验设备与配置 本研究所使用体积描记箱同文献[13]：呈正方体型,中空体积为 3 cm×4 cm×12 cm,两个体积描记箱可由小三通管连通成一个双室体积描记箱。每个描记箱均连接一个压力传感器,压力信号由压力传感器测量并由Medlab U/4CS系统 (南京美易科技贸易有限公司)处理。

本实验的Medlab U/4CS系统工作条件、实验室温度湿度条件、描记箱内压力和容量的校准换算均与既往研究相同[13]。温度测量使用科学实验温度计 (上海华晨医学器械有限公司),测量时该温度计从盖板中心孔隙进入描记箱内 0.5 cm。

1.3 小鼠 Vd及 Vi的测量与计算 8只小鼠予1%戊巴比妥钠以 5 ml/kg的剂量腹腔注射麻醉后,用长 2 cm的 12G自制气管插管针对小鼠行气管插管,放入双室体积描记箱的躯体室,并使其从头室内呼吸。同步测量两室内的温度和压力变化 1 min,并继续观察其变化 20 min。

本研究中,记录 1 min内描记箱内压力和温度变化值,代入公式 3计算,所得数值除以呼吸频率,即计算出小鼠吸入与呼出气体的容量差值 。小鼠在双室体积描记箱内的前 6次呼吸所计算出的平均值作为该小鼠的吸入气体容量。

1.4 数据统计 实验数值以均数 ±标准差表示。统计学显著性检验水平α=0.05。

2 结 果

实验开始前,头室及躯体室的温度均为19.0℃;在 1 min的观察期内,头室内温度缓慢上升至 19.1℃,而躯体室显著上升至 19.6℃。与之相应,头室及躯体室内压力曲线的基线亦不断上升;大约 12 min后,头室内压力变化曲线的基线开始并持续缓慢下降,而躯体室在大约 20 min后,基线开始逐渐下降,虽然此时两室内温度仍保持高位。

头室内的压力初始值为 0 mmHg,小鼠吸气时头室内压力下降,呼气后压力复回升至 0 mmHg。

将测量所得温度和压力值代入公式,最后计算出 8只小鼠的 Vi和 Vd。其中 Vi为(0.2842±0.0061)ml而 Vd为 (0.0012±0.0001)ml。

3 讨 论

1947年,Guyton[14]介绍了不同的测量动物呼吸容积的方法。尽管体积描记法早在 1868年即被 Bert[15]开始研究并利用于测量婴儿肺功能,但直到 1955年才由 Drorbaugh和 Fenn[6]首次推导出体积描记法测量小动物潮气量的近似方程式。此一测量方式在 1978年进行了理论上的完善[16]。

[6]中第 4个方程式,动物吸气相体积描记箱内增加的压力与动物潮气量成正比,且受描记箱内温度和湿度影响。Lundblad等[17]证明：当描记箱内温度和湿度预置与小动物肺内空气相等时,描记箱内压力变化幅度会削减约三分之二。此时描记箱内气体进入小动物肺内,不因为温化和湿化而膨胀,故 Lundblad所观察到,描记箱内压力变化幅度还有原来的三分之一,应该另有原因。我们在前期的研究中,证明动物胸廓膨胀体积大于吸入肺内气体容量,二者的差值导致整体体积描记箱内压力变化[13]。

本实验中我们发现,体积描记箱内的压力曲线的基线先随温度上升而保持上升,后来基线开始下降而此时的描记箱内温度仍保持高位水平。这种压力曲线缓慢下降的现象,与Currie的实验结果一致[18]。为什么会出现这种压力曲线的基线随温度升高到一定水平后,又开始下降?Currie并未关注和回答此问题,我们认为是小鼠吸入肺内的气体容量大于呼出气体容量,使每次呼吸后描记箱内压力有所降低。而导致吸入气体与呼出气体容量不完全相等的原因,是呼吸商的作用。

根据 Fick定律,即分子量、脂溶性、密度不同的物质在肺泡的弥散速率不同,CO2与 O2在动物肺内不等量交换。某物质代谢时每消耗1L的 O2而产生并排出的 CO2并非等于 1L,CO2排出的容量与O2的消耗容量比值即为呼吸商。人类普通饮食的呼吸商大约为 0.8,而小鼠亦存在与人类相似的呼吸商[19-22]。空气吸入肺内,部分 O2透过肺泡膜,进入毛细血管,而血液中的部分 CO2进入肺泡,完成一次呼吸过程中CO2与 O2交换。虽然该交换作用仅占吸入气体的一部分,但由于 CO2进入肺泡的容量小于 O2进入血液中的容量,使吸入气体容量略高于呼出气体的容量。我们计算出吸入气体与呼出气体的容量差值约为 (0.0012±0.0002)ml,远小于小鼠的吸入气体容量即潮气量 (0.2842±0.0173)ml。由于呼吸商的作用小于描记箱内温度变化的影响,压力曲线的基线在实验开始时保持上升。但体积描记箱内空气的温化过程在一定时间后达到顶峰,此时描记箱内热量交换达到平衡使温度不再升高。而呼吸商的作用一直持续,使描记箱内压力缓慢下降。

总之,小鼠的吸入气体体积大于呼出气体体积,二者的差值导致压力式描记箱内压力变化曲线基线缓慢下降。由于此一差值远小于吸入气体体积,故在计算潮气量时可以仅测量吸入气体或呼出气体体积,而对此差值忽略不计。呼吸商的存在,是此一差值产生的原因。

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[责任编辑 黄晓花 ]

M easurement of differential values ofinhaled volumes and exhaled volumes in m ice

XU Wei-Hua(Depar tm ent of Respiratory,Tongde Hospital of Zhejiang Province,Hangzhou310012,China)

Objective：To investigate the differential value of inhaled volume and exhaled volume in anesthesia mice,and its effect on the pressure change inside of plethys mograph.M ethods：Pressure and temperature in head chamber of double-chamber plethys mograph were tested when mice were placed in the body chamber.The differential values of inhaled volume and exhaled volume ofmice were calculated.Results：The baseline pressure in head chamber increasedwith temperature risingwithin 12 minutes,then went down though temperature remained high.The inhaled volumes of 8 mice were(0.2842±0.0173)ml,and the differential value of inhaled volume and exhaled volume was(0.0012±0.0002)ml.Conclusion：The inhaled volume is larger than exhaled volume,which makes pressure baseline of plethysmograph decreased.The differential value may be generated from respiratory quotient.

Respiration;Tidal volume;Pressure;Temperature

Q 471

A

1008-9292(2010)03-0322-04

2009-06-18

2010-04-20

徐卫华 (1975-),男,博士生,主治医师,从事呼吸系统疾病临床工作及小动物呼吸生理和咳嗽的研究;E-mail：xwhzju@163.com

http：∥www.journals.zju.edu.cn/med DO I：10.3785/j.issn.1008-9292.2010.03.018