代谢、血液碱化和纯氧影响呼吸调控的人体实验研究II：血液碱化后运动试验*

孙兴国，William W. Stringer，尹 希，葛万刚，王桂芝,4，吕 婧,,5，刘 方,4， 慈 政,4，Karlman Wasserman

(1.中国医学科学院 北京协和医学院 国家心血管病中心阜外医院 心血管疾病国家重点实验室，心血管病国家临床医学研究中心， 北京 100037；2.美国加州大学洛杉矶分校Harbor-UCLA 医学中心内科学系，洛杉矶生物医学研究院，圣约翰心血管研究中心，美国加州90502；3.河北医科大学第四人民医院功能科，石家庄 050000；4.山东省潍坊医学院麻醉学系临床麻醉学教研室和临床医学系，潍坊261061；5.广州市第一人民医院麻醉科，广州 510180）

代谢、血液碱化和纯氧影响呼吸调控的人体实验研究II：血液碱化后运动试验*

孙兴国1,2△，William W. Stringer2，尹 希1,3，葛万刚1，王桂芝2,4，吕 婧1,2,5，刘 方1,4， 慈 政1,4，Karlman Wasserman2

(1.中国医学科学院 北京协和医学院 国家心血管病中心阜外医院 心血管疾病国家重点实验室，心血管病国家临床医学研究中心， 北京 100037；2.美国加州大学洛杉矶分校Harbor-UCLA 医学中心内科学系，洛杉矶生物医学研究院，圣约翰心血管研究中心，美国加州90502；3.河北医科大学第四人民医院功能科，石家庄 050000；4.山东省潍坊医学院麻醉学系临床麻醉学教研室和临床医学系，潍坊261061；5.广州市第一人民医院麻醉科，广州 510180）

目的：在完成吸入室内空气状态下症状限制性最大极限心肺运动试验(CPET)和动脉血气指标动态变化规律的基础上，进一步探讨体液酸碱度和CO2含量对呼吸调控的影响。方法：选正常志愿者5名，给予5%NaHCO3(总量0.3 g/kg)分次口服，每5 min口服75 ml(3.75g )。总量服完1 h后，重复CPET。于静息、热身、运动及恢复期，连续测定肺通气指标及每分钟动脉取样的血气指标变化，并与本人在非碱化血液条件下对照数据进行配对t检验比较。结果：碱化血液之后，CPET期间随着运动功率逐步递增，气体交换和血气指标的反应模式与非碱化血液对照相似（P＞0.05）；即与静息状态比较，每分通气量、潮气量、呼吸频率、V·O2、V·CO2均呈现近于线性渐进性递增(P＜0.05～0.001)。与碱化血液前吸入室内空气的对照比较：在碱化血液条件下，所有时间点血红蛋白浓度，PaCO2与pH均显著提高(P＜0.05)；除无氧阈PaCO2减低外，只有热身状态呈增高态势，统计学有显著差异(P＜0.05)；而PaO2无差异(P＞0.05)，各状态均较对照状态减低，除恢复期外均有统计学差异(P＜0.05)。与非碱化血液对照比较，除静息每分通气量低于对照(P＜0.05）外，所有通气指标均无统计学差异(P＞0.05)。结论：碱化血液条件下， 尽管有更高的CaCO2, PaCO2和 pHa平均水平及更低的Hba和[H+]a平均水平，机体对CPET的呼吸反应模式基本相似。

碱化血液；心肺运动试验；呼吸反应模式；室内空气；呼吸频率；潮气量；分钟通气量；

动脉血中绝大部分CO2(88%)是以碳酸氢盐的形式存在，物理溶解和氨基甲酸基团携带的CO2分别只占5%和7%。运动过程中动脉血中CO2含量受体液pH和PaCO2波动的影响而发生变化[1,2]。运动需要心肺整体反应以满足肌肉运动增加的需氧量，气体交换测试法是测定运动受限的基本方法。心肺运动试验(CPET)可以检测细胞与外环境气体交换的能力，是目前人体整体功能检测的唯一方法[3-5]。

CO2及[H+]对人体呼吸调控的影响一直是生理学的重要研究课题。据报道，早期航空航天等应用生理学领域进行了CO2对肺通气功能影响的研究[6]国外研究报道急性呼吸性碱中毒降低运动初始摄氧动力学的主要因素[7,8]。但是，有关人体运动前急性血液碱化对呼吸调控和动力学效应影响的研究很少。以往用氧化磷酸化模型[9]研究表明，肌肉细胞的碱化[10]、提高血液pH值[11]以及运动初始时抑制无氧糖酵解在加速肌肉的氧化磷酸化中起重要作用。因此，本文用NaHCO3碱化血液，进而观察对运动呼吸调控和O2代谢动力学的影响。

本文作为系列试验的第二部分，以在吸入室内空气条件下进行的CPET运动试验的呼吸反应作为对照[12]，通过碱化血液改变体内酸碱度和CO2含量后，检测在心肺运动试验过程中通气功能指标的变化，以探讨酸碱度和CO2含量对呼吸调控的影响，并与随后在碱化血液基础上吸入纯氧进行运动试验观察的影响进行比较[13]。

1 对象与方法

1.1 研究对象

1.2 为寻找合适的个体化功率递增速率进行CPET预试验

1.3 呼吸气体交换测定和系统标定

1.4 动、静脉导管置入和血液采样准备

1.5 正式CPET方案的对照-室内空气CPET

1.6 各种指标及其百分预计值的计算和测定

1.1 至1.6参见室内空气CPET方法[12,13]。

1.7 血液碱化后室内空气CPET

志愿者作完吸入室内空气运动试验后，休息2 h。然后口服5% NaHCO3(0.3 g/kg)，分5～8次完成[口服75 ml(3.75 g)/5 min]。服用完全部NaHCO3后休息1 h，使NaHCO3充分吸收。此后再开始进行CPET检查，运动方案见1.5，记录通气指标以及血气指标。各种指标及其百分预计值的计算和测定见1.6。

1.8 统计学分析

应用统计软件SPSS 20.0进行统计学处理。采用双侧检验。计量资料以均值±标准差（）表示。对于连续动态测定的通气指标及动脉血气指标等参数，在不同时间之间进行单因素方差分析并两两比较；并与在吸入室内空气条件下不同运动状态测得的各参数进行配对t检验。

2 结果

2.1 正常志愿者极限运动时间和功率

受试者在碱化血液后按预计方案行CPET检查，达到无氧阈和峰值功率时间与正常对照组一致，除1例受试者于递增功率运动第3分钟达到无氧阈、第8分钟达到峰值外，其余受试者均于递增功率运动第4分钟达到无氧阈、第9分钟达到峰值。志愿者达到AT时的运动功率为100～180W、达到极限的最大功率负荷是225～360 W（表1，表1见彩图页VI）。

2.2 运动中肺通气指标连续动态变化

在碱化血液后的CPET运动期间，通气指标连续动态变化见表2和图1（表2见彩图页VI，图1见彩图页VII）。运动中随着运动功率逐步递增，每分摄氧量(每搏摄氧量和心率的乘积)逐步递增，呈现直线性渐进性反应(P＜0.05)：平均ΔΔW=10.19，分钟通气量(呼吸频率和潮气量的乘积)均呈现近似直线性渐进性递增(P＜0.05)：潮气量和呼吸频率在低强度运动时增加不显著(P＞0.05)，运动强度超过无氧阈水平后才显著增加(P＜0.05)。随运动功率增加近线性上升，无氧阈之后上升速率逐步增大直至恢复期开始下降。

2.3 运动中动脉血气指标连续动态变化

在碱化血液后的CPET运动期间，动脉血气指标连续动态变化见表2和图2（表2见彩图页VI，图2见彩图页VIII）。各指标的变化趋势方向与正常对照基本一致。在碱化血液后的CPET运动期间，PaO2一直维持高水平不变(P＞0.05); PaCO2逐步提高，到达无氧阈后2 min开始显著下降(P＜0.05)；动脉血pH值从高水平逐渐降低；无负荷运动时最高，随后逐渐下降，运动负荷超过无氧阈水平后迅速降低(P＜0.05)；运动过程中乳酸水平逐渐升高，运动负荷达到无氧阈水平后迅速增高(P＜0.05)；运动过程中血红蛋白水平逐渐增高，运动达峰值状态时明显增高(P＜0.05)；动脉血氧饱和度一直维持正常水平。

2.4 各运动状态与非碱化血液室内空气对照比较

在碱化血液后的CPET运动期间，动脉血液pH值较非碱化血液运动时明显增高，具有统计学差异(P＜0.05)；在静息状态、峰值状态及恢复期，乳酸水平均较非碱化血液CPET测定时明显增高(P＜0.05)；各个状态下血红蛋白浓度均较非碱化血液CPET测定时减低，除恢复期外均有统计学差异(P＜0.05)。在碱化血液后的CPET运动期间，PET CO2较非碱化血液CPET测定时增高，无负荷运动状态（即热身状态）、无氧阈及峰值状态均有显著的统计学差异(P＜0.05)；静息状态及无负荷运动状态下，呼吸频率较非碱化血液CPET测定时减低(P＜0.05)，无氧阈水平增高(P＞0.05)，峰值水平及恢复期基本无变化；静息状态下每分通气量较非碱化血液CPET测定时明显减低(P＜0.05)，其余各状态均无统计学差异(P＞0.05）；各状态下均无明显差异(P＞0.05); 除了最大运动状态的RER（即）明显增高(P＜0.05)外，各状态下RER均无明显差异(P＞0.05，图1，图2，图1见彩图页VII，图2见彩图页VIII）。

2.5 CPET核心功能指标

碱化血液后的CPET运动期间，心肺代谢等整体功能核心指标见彩图页XI表4。峰值氧耗量为(3.66±0.54)L/min，无氧阈时耗氧量为(1.95±0.55) L/min，峰值氧脉搏为(20.59±2.75)ml/beat，摄氧通气效率为（51.36±10.27）ml/L，CO2排出通气效率为22.32±2.49，以上各值占预计值的百分比分别为113.78%±15.71%、113.28%±30.67%、107.58%±8.34%、116.67%±21.46%和93.31%±9.05%。上述核心指标与非碱化血液吸入室内空气状态下行CPET检查所测得数据相比，均无统计学差异(P＞0.05)。

3 讨论

在碱化血液后的CPET运动中，随着运动功率的递增，潮气量、每分通气量、每分肺泡通气量和肺泡通气量均呈现直线性渐进性递增；在低强度运动时呼吸频率增快不显著，超过无氧阈水平呼吸频率才显著增快，其呼吸反应模式与非碱化血液呼吸室内空气对照的呼吸反应模式相似，说明碱化血液只是改变基础状态，改变血液中PaCO2和[H+]a的平均值，对运动中因代谢率改变导致的呼吸反应模式并无明显影响。在碱化血液后的CPET运动中，动脉血氧浓度一直维持正常水平不变(P＞0.05)，PaCO2逐步提高到无氧阈后开始显著下降(P＜0.05)，动脉血pH值逐渐降低；在无负荷运动时[HCO3-]最高，随后逐渐下降，超过无氧阈水平后迅速降低(P＜0.05)；运动过程中乳酸水平逐渐升高，达到无氧阈水平后迅速增高(P＜0.05)；运动过程中血红蛋白水平逐渐增高，峰值状态时明显增高(P＜0.05)。运动过程中，缓冲乳酸产生额外的CO2以及血中减低均可增加血中的酸当量，运动期间只要动脉血pH持续下降，就会刺激通气调节机制，使通气继续增加[14]。生成的乳酸通过[H+]刺激呼吸，引起通气增强。通气增强可诱使肺泡氧分压增高，进一步维持甚至升高PaO2，使机体能够继续高强度运动。大量研究均描述了人在运动时会发生血液浓缩[15,16]，功率高于AT时，细胞的渗透压升高，细胞外水分将移入细胞内，细胞外液的减少将使血红蛋白浓度升高，并提高动脉血氧含量。

在碱化血液后的CPET运动中，动脉血pH值较非碱化血液吸入室内空气时明显增高，有统计学差异(P＜0.05)；在静息状态、峰值状态及恢复期，乳酸水平较非碱化血液吸入室内空气时明显增高(P＜0.05)；各状态血红蛋白浓度均较非碱化血液吸入室内空气时减低，除恢复期外均有统计学差异(P＜0.05)。口服NaHCO3充分吸收后使血液碱化，所以动脉血pH值、浓度增高；由于短时间内服用大量液体使血液稀释，造成血红蛋白浓度下降。

[H+]对呼吸的调节是通过化学感受器和中枢感受器实现的。[H+]减低时呼吸抑制，呼吸频率变慢，肺通气量降低。血液碱化后pH值增高，[H+]浓度减低，与非碱化血液吸入室内空气对照比较，静息状态呼吸频率及每分通气量减低；其余通气指标在热身、无氧阈、峰值及恢复2 min时均无显著差异，表明运动过程中肺通气随功率增加发生的变化与基础状态的改变不相关，即改变血液中CO2浓度和[H+]的平均值对呼吸调控无明显影响。Jerzy等研究发现碱化血液后在40%功率下运动，对动力学无影响。实际上正常人呼吸时，只要用足够快速的分析装置，即可观察到PaO2和PaCO2一直在一定范围内上下波动，其“W”形波浪式信号的升降才是生命所必需，这种波浪式升降经左心延迟到达动脉才是吸呼时相自主切换的解释[4-5，18-22]。

本研究的不足之处在于样本量小，存在统计偏倚，未观察到许多上升或下降趋势的统计学差异。作者将加大样本数量，继续进行该方面研究。

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Human experiments of metabolism, blood alkalization and oxygen effect
on control and regulation of breathing II: room air exercise test after blood alkalization

SUN Xing-guo1，2△, STRINGER WW2, YIN Xi1,3, GE Wan-gang1, WANG Gui-zhi2，4,LV Jing1,2,5, LIU Fang1,4, CI Zheng1,4, WASSERMAN K2
(1.State Key Laboratory of Cardiovascular Disease, Fuwai Hospital, National Research Center of Clinic Medicine for Cardiovascular Diseases, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100037, China; 2. Department of medicine, Los Angeles Biomedical Research Institute at Harbor-UCLA Medical Center, University of California at Los Angeles, St. John’s Cardiovascular Research Center, California 90502; 3. The 4thPeople’s Hospital Affiliated Hebei Medical University, Shijiazhuang 050000; 4. Departments of Anesthesiology and Clinical Medicine, Weifang Medical University, Weifang 261061; 5. Department of Anesthesiology, the 1stPeople’s Hospital of Guangzhou, Guangzhou 510180, China)

Objective: Basis on the dynamic changes of the ventilation and arterial blood gas parameters to symptom-limited maximum cardiopulmonary exercise testing (CPET),we further investigate the ef f ect of alkalized blood by drinking 5% NaHCO3on ventilation during exercise. Methods: Aer drinking 5% NaHCO375 ml (3.75 g) every 5 min, total dosage of 0.3 g/Kg, 5 volunteers repeated CPET. All CPET and ABG data changes were analyzed and calculated. At the same time, CPET and ABG parameters aer alkalized blood were compared with those before alkalized blood (control) used paired t test. Results: Aer alkalized blood, CPET response patterns of parameters of ventilation, gas exchange and arterial blood gas were very similar (P＞0.05). All minute ventilation, tidal volume, respiratory rate, oxygen uptake and carbon dioxide elimination were gradually increased from resting stage (P＜0.05～0.001), according to the increase of power loading. During CPET aer alkalized blood,ABG parameters were compared with those of control: hemoglobin concentrations were lower，CaCO2and pHa were increased at all stages（P＜0.05）.e PaCO2increased trend was clear, however only signif i cantly at warm-up from 42 to 45 mmHg （P＜0.05）. Compared with those of control, only the minute ventilation was decreased from 13 to 11 L/min at resting (P＜0.05). Conclusion: Even with higher mean CaCO2, PaCO2and pHa, lower Hba and [H+]a, the CPET response patterns of ventilatory parameters aer alkalized blood were similar.

blood alkalization; cardiopulmonary exercise testing; respiratory response pattern；room air; respiratory frequency; tidal volume; minute ventilation

R332.3

A

1000-6834 (2015) 04-345-007

＊ 【基金项目】国家自然科学基金医学科学部面上项目（81470204）；国家高新技术研究发展计划(863计划)课题(2012AA021009);中国医学科学院国家心血管病中心科研开发启动基金（2012-YJR02)

2015- 06-05

2015-07-05

△【通讯作者】Tel： 010-88398300 ；E-mail： xgsun@labiomed.org