呼吸调节对心肌缺血大白鼠的心率和血压变化影响的实验研究

竺英祺 沈仲元 Shin Lin 夏春梅 朱大年 曹银祥

呼吸调节对心肌缺血大白鼠的心率和血压变化影响的实验研究

竺英祺 沈仲元 Shin Lin 夏春梅 朱大年 曹银祥

目的 探讨呼吸频率的改变对心血管自主神经平衡的调节作用及其对心肌缺血后心律失常的影响。方法 选取17只标准实验大白鼠，其中正常组9只，心肌缺血模型组8只，在麻醉下施行呼吸机机械通气改变大白鼠的呼吸频率，基础潮气量恒定10 mL／kg，改变呼吸频率（在基础呼吸频率上升高10%、20%和降低10%、20%）。连续记录心率和血压，分析呼吸频率变化与心率变异（heart rate variability，HRV）、血压即时变异（blood pressure instant variability，BPIV）变化的关系；观察呼吸频率与心率变化、血压变化趋势的同步性；观察降低呼吸频率对两组心电的影响。结果 RR间期、血压与呼吸频率呈同步周期性变化；HRV及BPIV的中心频率均与呼吸功率谱密度中心频率一致，呼吸频率、心率和血压的变化趋势基本一致，尤其是心率和血压的变化趋势完全一致。结论 呼吸调节下的HRV、BPIV符合呼吸性窦性心律不齐的生理机制，是RR间期变化的二次效应，反映了自主神经平衡调节的结果。心率和血压的同步性趋势变化与心搏频率有关。降低呼吸频率可能能减少心肌缺血引起的心律失常。

呼吸频率调节；自主神经；心率变异；血压即时变异；心肌缺血

目前，有关呼吸频率改变与心血管自主神经的平衡调节已有很多研究，并已证明了呼吸频率改变会引起心率变异（heart rate variability，HRV）和血压即时变异（blood pressure instant variability，BPIV）的变化［1－3］，但呼吸频率改变对心率和血压变化，以及对心肌缺血引起的心律失常的影响较少有相关报道。本文通过大白鼠呼吸频率调节实验，将心肌缺血大白鼠和正常大白鼠进行对照，希望进一步研究呼吸频率的调节变化对心率和血压变化以及心律失常的影响。

1 资料和方法

1.1 研究资料

标准实验大白鼠17只，其中正常组9只，心肌缺血组8只，体质量（200±29）g。标准实验大白鼠由上海复旦大学医学院生理系动物实验室提供。

1.2 研究方法

1.2.1 实验动物及操作流程 剪毛，常规消毒皮肤，大白鼠使用6%水合氯醛0.5 mL／100 g体质量腹腔注射麻醉，分离右侧股动脉和股静脉，将充满0.1%肝素钠生理盐水的聚乙烯塑料导管插入股动脉向心端，通过三通管接口连接血压换能器并经SMUP-PC型生物信号处理系统转入计算机，连续记录动脉压和心率。经喉气管插管（气管不切开），接RES3020动物呼吸机。实验前计数每只大鼠的自主呼吸频率，记录一段正常自主呼吸频率下的心率和动脉压。采用RES3020动物呼吸机机械通气，先给予与该大鼠自主呼吸频率相同的呼吸频率，基础潮气量10 mL／kg，持续2 min，吸呼比1∶1，记录心电和动脉压。在基础自主呼吸频率的基础上，按如下方式调整呼吸机呼吸频率。A.基础呼吸频率；B.呼吸频率升高10%（约升高10次／min），保持潮气量不变，持续2 min；C.呼吸频率升高20%（约升高20次／min），保持潮气量不变，持续2 min，再恢复A；D.呼吸频率降低10%（约降低10次／min），保持潮气量不变，持续2 min；E.呼吸频率降低20%（约降低20次／min），潮气量保持不变，持续2 min，再恢复A。部分动物在实验中根据情况略作适当调整。

1.2.2 动物实验模型 模型复制前先记录正常时心电图，并去除心电图异常者；参照经典文献方法，对左冠状动脉前降支结扎方法略作改进。动物用6%水合氯醛0.5 mL／100 g体质量腹腔注射麻醉。剪毛，常规消毒皮肤。经喉气管插管（气管不切开），接小动物呼吸机。以心搏最明显的水平面为中心，沿胸骨正中线纵向剪开皮肤，切口约1.5～2 cm，大致位于两前肢后缘连线至第5肋骨水平。分离皮下筋膜，用弯止血钳钝性分离第3～5肋的胸大肌，钳夹闭塞血管后，在靠近胸骨处剪开胸大肌，显露肋骨。剪断第3、4肋，尽量不损伤胸膜。用开胸器撑开两侧肋骨显露术野，用眼科镊夹起心包膜，剪开一小口后用止血钳扩大创口，显露胸腺下缘和心脏。用无菌棉球向上推开胸腺，在胸腺和心底交界处轻轻提起心包，剪开心包后，于左缘左心耳根部下缘1～2mm处的冠状动脉左前降支下穿0／6号无损伤缝合线，从肺动脉圆锥旁出针。结扎后先不剪断丝线，观察心电图的改变和心肌颜色的变化。结扎线远端心肌颜色改变表明结扎成功，如果首次结扎没有成功，轻轻提起缝合线在靠近心底部再次结扎。采用针形电极插入大鼠四肢皮下，记录标准Ⅱ导联心电图。

1.3 数据收集和分析

1.3.1 信号采集与处理 采用SMUP-PC型生物信号处理系统SKY-A4三通道生理记录仪（复旦大学医学院仪器实验厂）同步记录心电、动脉血压（部分实验加左心室内压）波形（图1）。将生成的MFL文件导入计算机，用MFLab301软件将其转换生成BRS文件，再利用MFLab301和BRS＆HRV2.0打开数据文件，并进行相应分析。

1.3.2 HRV、BPIV频谱分析 频谱转换数学模型采用傅立叶变换AR模型法（选取RR间期变化平稳段分析，RR间期序列长度为256次心搏）。HRV、BPIV频谱有多个峰，呼吸活动谱成分体现为“呼吸峰”，波形较窄，振幅较大，通过“呼吸峰中心频率”（呼吸频率／心率）描述其相对位置。见图2。

2 结果

2.1 呼吸周期和频率对RR间期及血压的影响

RR间期和血压波动与呼吸频率呈同步周期性变化。吸气时RR间期逐渐减小，血压逐渐升高；呼气时RR间期逐渐增大，血压逐渐降低。

图1 记录的原始心电、动脉压及左心室室内压波形Fig.1 The originalw ave shapes of ECG，angiosthenia and intraventricular pressure of left ventricle

图2 RR间期和动脉压波动呈同步变化Fig.2 Synchronous changes of RR interval and angiosthenia

图3 呼吸频率40次／m in、心率512次／m in时的HRV、BPIV和呼吸功率谱密度图Fig.3 HRV，BPIV and respiratory power spectral density graph at a respiratory rate of 40 times／m in and heart rate of 512 times／m in

2.2 呼吸频率对HRV、BPIV呼吸峰的影响

在各呼吸频率下，HRV及BPIV的呼吸峰（中心频率）均与呼吸功率谱密度呼吸峰（中心频率）在同一频段。随着呼吸频率的降低，呼吸峰中心频率逐渐左移；随着呼吸频率的升高，呼吸峰中心频率逐渐右移。见图3～图6。

2.3 呼吸频率、心率变化和血压变化的趋势一致性

在呼吸频率调节变化时，可以观察到大白鼠的呼吸频率、心率和血压的变化趋势基本一致。见图7、图8。

图4 呼吸频率60次／m in、心率509次／m in时的HRV、BPIV和呼吸功率谱密度图Fig.4 HRV，BPIV and respiratory power spectral density graph at a respiratory rate of 60 times／min and heart rate of 509 times／m in

图5 呼吸频率80次／m in、心率511次／m in时的HRV、BPIV和呼吸峰功率谱密度图Fig.5 HRV，BPIV and power spectral density graph of respiratory peak at a breathing rate of 80 times／m in and heart rate of 511 times／m in

图6 呼吸频率110次／m in、心率520次／m in时的HRV、BPIV和呼吸峰功率谱密度图Fig.6 HRV，BPIV and power spectral density graph of respiratory peak at a breathing rate of 110 times／m in and heart rate of 520 times／m in

图7 7号心肌缺血大白鼠呼吸频率、心率变化和血压的变化趋势Fig.7 The variation trend of respiratory rate，heart rate and blood pressure of No.7 rat with myocardial ischem ia

图8 1号正常大白鼠呼吸频率、心率变化和血压的变化趋势Fig.8 The variation trend of respiratory rate，heart rate and blood pressure of No.1 normal rat

2.4 呼吸频率的变化对心律失常的影响

在对部分正常大白鼠的连续记录中，可以观察到当大白鼠的呼吸频率从60次／min—50次／min—40次／min—30次／min逐步降低时，在30次／min过慢呼吸后出现明显的室性早搏二联律（图9）。而在对部分心肌缺血大白鼠的连续记录中，可以观察到大白鼠的室性早搏二联律随着呼吸频率从120次／min—70次／min—60次／min—55次／min—45次／min降低明显减少（图10）。

3 讨论

3.1 呼吸频率对心率变异和血压即时变异的影响

本实验通过呼吸频率调节同步记录心电、血压波形，观察到呼吸频率的改变引起了RR间期及血压周期性的变化。呼吸引起的心率变化即呼吸性窦性心律不齐，其产生机制如下：①心血管和呼吸中枢通过呼气驱动直接调节迷走神经节前神经元；②通过肺扩张反射性抑制迷走神经的传出活动；③通过呼吸引起的血压波动激活压力感受器，反射性调节迷走神经传出功能；④呼吸引起心房跨壁压改变，造成对窦房结的机械牵拉，使P细胞自律性发生周期性改变。而呼吸引起的血压变化称为呼吸性BPIV，可能与呼吸引起的心率及胸腔内压的周期性变化有关。我们前期在家兔实验［1－2］和Akselrod等［3］在狗的实验中都证实呼吸对BPIV的影响主要来自心率的周期性变化，为RR间期变化的二次效应，可能与心率周期性改变致心输出量和心脏舒张期时间周期性改变，继而引起血压波动有关。同时，呼吸可致胸腔内压周期性改变，影响静脉回流，进而影响心输出量，造成血压周期性波动。本文中的大白鼠实验再次验证了呼吸频率变化与相邻二次的心跳和动脉压的关系：HRV、BPIV的呼吸频谱峰＝呼吸频率／心率［1－2］。

图9 1号正常大白鼠呼吸与心电记录Fig.9 The respiratory and ECG recordings of No.1 normal rat

图10 7号心肌缺血大白鼠呼吸与心电记录Fig.10 The respiratory and ECG recordings of No.7 rat with m yocardial ischem ia

3.2 呼吸频率对心率及血压趋势变化的影响

通过呼吸频率调节同步记录心电、血压波形，我们观察到大白鼠的呼吸频率与心率及血压的变化趋势有基本一致的作用，这在呼吸频率降低时较为明显。上述结果与以往学者通过人体试验得出的结论有相同之处。我们认为，这与降低呼吸频率致迷走神经张力增大，有助交感-迷走平衡移向迷走神经有关［4］。而心率和血压的变化更趋向于一致，这和影响血压变化的因素有关。在其他条件不变的情况下，每搏输出量的多少会直接影响动脉血压的高低，每搏输出量多，血压升高；输出量少，血压下降。心输出量则取决于每搏输出量和每分钟的心搏频率。如果每搏输出量不变而心搏频率升高，则动脉血压明显上升，对舒张压影响较大。如果心搏频率不变而每搏输出量增多，则收缩压明显升高。因此，通过呼吸训练来降低呼吸频率，增强迷走神经兴奋，抑制心脏活动，降低心率和心输出量，从而降低动脉血压，对人体应激下调节血压、避免心血管伤害是有可能的。

3.3 呼吸频率对正常和心肌缺血的心律失常的影响

以往很多研究都认为呼吸频率降低对增加迷走神经张力有益，从而能改善和调节自主神经平衡。Pramanik等［4］研究证实慢呼吸可缓解压力，与迷走神经兴奋有关。很多学者认为交感神经兴奋、迷走神经张力减小在一些心血管疾病（如高血压、冠心病、心衰等）的病理生理过程中起着重要作用［5－7］，因此有可能通过降低呼吸频率来增大迷走神经张力，使交感-迷走平衡移向迷走神经，从而对心血管疾病的防治发挥一定的作用［8］。然而，本实验的部分结果显示：在对部分心肌缺血大白鼠的连续记录中，可以观察到大白鼠的心律失常（室性早搏）随着呼吸频率的降低而改善，同时在对正常大白鼠的连续记录中呼吸频率过慢时却出现心律失常，二者相矛盾。我们认为这可能与实验对象的基础自主呼吸频率有关。基础自主呼吸频率是由自身整体的机体平衡要求决定的，在未经训练的情况下，过分降低呼吸频率会引起机体在神经、生化、代谢等方面的失衡，从而出现包括心律失常在内的各种反应。这与我们在部分人体试验中观察到的现象是一致的。在未经训练的情况下，当呼吸频率降到5～8次／min时，就能观察到BPIV与呼吸和心率的变化产生不同步现象［2］，这就不能用本文前面论述的机制来解释，而需要用更多类似的实验加以进一步研究。同时，上述结果也提醒我们，在养生锻炼的呼吸训练中，呼吸频率可能并非越低越好，而是应根据锻炼者的实际情况确定合理、科学的呼吸训练方法，后续我们将开展这方面的研究。

4 结论

大白鼠的呼吸频率调节实验证实了大白鼠的HIV和BPIV能随着呼吸频率的变化而同步变化，是短时或即时变化，符合呼吸性窦性心律不齐的生理机制，为RR间期变化的二次效应，反映了自主神经平衡调节的结果。心率和血压的同步性趋势变化与心搏频率有关，因此有可能通过呼吸训练降低呼吸频率、增强迷走神经兴奋来抑制心脏活动，从而降低心率和心输出量，降低动脉血压。另外，本研究还发现，降低呼吸频率有可能能减少心肌缺血引起的心律失常，但过分降低呼吸频率则可能会引起机体失衡（如心律失常）。

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In fluence of respiratory regulation on the changes of heart rate and blood p ressure in rats with m yocardial ischem ia

Zhu Ying-qi1，Shen Zhong-yuan1，Shin Lin2，Xia Chun-mei3，Zhu Da-nian3，Cao Yin-xiang3（1.ShanghaiQigong Institute，Shanghai University of Traditional Chinese Medicine，Shanghai 200030；2.Department of Biophysical Research Center，University of California，Irvine，CA 92697，USA；3.Department of Physiology，Medical School of Fudan University，Shanghai200433，China）

Objective To explore the role of respiratory rate change in regulating the balance of cardiovascular autonomic nerve and its influence on arrhythmia aftermyocardial ischemia.Methods Seventeen standard laboratory rats including9 in normal group and 8 inmyocardial ischemiamodel group were conducted with mechanical ventilation by ventilator to change respiratory rates.The fundamental tidal volume was constantly set at10 mL／kg while respiratory rate changed（increasing by 10%and 20%，and decreasing by 10%and 20%of fundamental respiratory rate）.Blood pressure and heart rate were recorded continuously；the influence of respiration rate regulation on heart rate variability（HRV）and blood pressure instant variability（BPIV）was analyzed；the synchronismof respiration rate with changes of heart rate and blood pressure was observed；the effect of reduced respiration rate on HRV in the two groups was evaluated.Resu lts The cyclical changes of RR interval and blood pressure coincided with respiratory rate.The central frequencies of HRV and BPIV were both consistentwith thatof respiratory power spectral density.The variation trend of respiratory rate was essentially in agreementwith that of heart rate and blood pressure，and especially，the variation trend of heart rate and blood pressurewas completely identical.Conclusion HRV and BPIV under respiratory regulation correspond with physiologicalmechanism of respiratory sinus irregularity.It is the secondary effect of RR interval changes and reflects the results of autonomic nervous balance.The frequency of heart beat contributes to the synchronous changes of heart rate and blood pressure.It may reduce the incidence ofmyocardial-ischemia-induced arrhythmia to slow respiratory rate.

respiratory rate regulation；autonomic nerves；heart rate variability；blood pressure instant variability；myocardial ischemia

R542.2

A

2095－9354（2017）02－0094－05

10.13308／j.issn.2095－9354.2017.02.003

2017－01－12）

（本文编辑：顾艳）

国家自然科学基金资助项目（81072853）；上海市教委预算内科研资助项目（2015YSN31）；上海市卫计委青年科研资助项目（20134Y181）

200030上海，上海中医药大学气功研究所（竺英祺，沈仲元）；92697美国加利福尼亚，加州大学尔湾分校生物物理研究中心（Shin Lin）；200433上海，复旦大学医学院生理系（夏春梅，朱大年，曹银祥）

竺英祺，助理研究员，主要从事医学生理、生物医学工程研究。

沈仲元，E-mail：szy1128＠hotmail.com