重复-Gx加速度暴露对家兔心脏结构的影响*

周必业， 李 靖, 李鸣皋, 孙海文, 周家兴, 韩 磊

(解放军总医院第六医学中心空潜科, 北京 100048)

除+Gz外，舰载飞行较其他高性能战机在弹射起飞及拦阻着舰过程还受到很大的水平加速度(±Gx)[1-3]作用， 其对心血管系统影响非常显著。研究显示，+Gx的G值不太高时，动脉血压轻度升高，主要原因为心输出量轻度增加及血管外周阻力增大。当G值过高引起心率减慢、心输出量减少时，动脉血压又有所降低[1，2]。拦阻着舰时因受到-Gx作用，同时其带来的高度应激反应会导致体内应激反应相关的激素大量分泌，这些生理及心理上的变化无疑会对心脏功能产生很大的影响[3，4]，-Gx与 +Gx只是方向不同，那么它对人体影响是否与+Gx有所不同，因此我们设计了本实验。本实验利用国内唯一的生物水平加速度平台，以雄性新西兰家兔为实验对象，观察重复-Gx加速度暴露对实验动物心脏组织结构影响，并探索其可能的作用机制。

1 材料与方法

1.1 实验动物及分组

1月龄的雄性新西兰家兔20只，体重1.2～1.4 kg，购自军事医学科学院实验动物中心。随机分为两组(n=10):对照组和水平加速度暴露组。购回后饲养一周，准备实验。

1.2 实验设备

隔水式恒温培养箱(上海一恒 GHP-9050)、电子天平(舜宇恒平仪器 SOPTOP)、电动震荡仪(大龙 MX-E)、恒温磁力搅拌器(新瑞仪器 85-2)、酸度计(雷磁 PHS-25)、石蜡切片机(Leica RM2125)、光学显微镜(Leica CM1850)、显微镜(奥林巴斯 CX43)、Leica EM AMW 全自动微波组织处理机(德国Leica)、H-7650 透射电子显微镜(日本Hitachi)；EMUC7 超薄切片机(德国Leica)，水平加速度平台(与领邦仪器合作研制)等。

1.3 实验试剂

甲醛、丙酮(沪试 10000418)、中性树胶(上海标本模型厂)、无水乙醇(振兴化工 XK13-011-0036)、二甲苯(沪试 100234192)、苏木精-伊红、戊二醛、磷酸、醋酸铀-枸橼酸铅、Na2HPO4·12H2O(沪试 10020318)、NaH2PO4·2H2O(沪试 20040718)、柠檬酸(沪试 10007118)、ECL(Millipore)、甲醇(国药)、璜基水杨酸(国药)、TCA(国药)、氯化钠(国药)等。

1.4 动物固定

实验动物呈坐位垂直固定于座椅上，放置于动物舱中，座椅与动物舱固定牢靠后，将动物舱放置于水平加速度实验装置的平台上并固定好，使动物面朝轨道运行方向。

1.5 水平加速度暴露

实验组动物固定好后进行水平加速度暴露，水平加速度作用条件为：加速度作用方向为由胸至背(-Gx),加速度作用峰值3.6 G，加速度作用时间为2 s，模拟美军舰载机阻拦着舰的水平加速度曲线。暴露组实验动物每次暴露后休息5 min，然后进行下一次暴露。每个实验动物每天暴露20次，共计暴露30 d。

对照组动物也按照实验组动物方式在座椅上进行固定后放置于动物舱中，然后固定于水平加速度试验平台上，所有程序同暴露组，只是不进行水平加速度暴露。

每日实验结束后将实验组和对照组动物放回动物房中。

1.6 标本留取与保存

末次水平加速度暴露结束后，将实验组和对照组动物静脉注射空气处死，迅速留取家兔的心脏，并将部分心肌组织置于固定液中进行固定，部分心肌组织置于冻存管中放入液氮罐中保存。

1.7 HE染色(大体组织结构)

心脏经4%PA灌注固定6～8 h，流水冲洗24 h，再用10 %甲醛固定24 h，常规冲洗后，经梯度乙醇溶液进行脱水处理后， 于二甲苯中进行透明(共2次)，进行石蜡包埋，用石蜡切片机(Leica RM2125)沿着心脏长轴垂直方向进行连续切片，切片厚度为4 μm，将切片贴于多聚赖氨酸处理过的载玻片上；脱腊、水化、常规苏木精-伊红染色、脱水、透明、封片。将切片置于光学显微镜(Leica CM1850)、显微镜(奥林巴斯 CX43)下进行观察，并用数码相机进行拍照。

1.8 超微结构(电镜)

每只家兔取心脏左室组织2块，组织块须小于1 mm3，2.5%戊二醛固定液中固定2 h， 0.1 mol/L磷酸漂洗液漂洗15 min/次，共三次；将心脏和组织块置于1%锇酸固定液中固定2～3 h； 0.1 mol/L磷酸漂洗液漂洗15 min/次，共三次；乙醇、丙酮梯度脱水、包埋、固化，将心脏和肺脏的组织标本放置于EMUC7 超薄切片机(德国Leica)上进行切片，切片厚度为 50～60 nm，用3%醋酸铀-枸橼酸铅进行染色。将切片标本用H-7650 透射电子显微镜(日本Hitachi)进行观察，选取不同部位进行拍片。

2 结果

2.1 -Gx加速度对家兔心脏大体组织形态的影响

光学显微镜下观察两组家兔心肌的HE染色切片可见，对照组家兔的心肌细胞形态正常，肌纤维排列相对整齐而致密，胞核深染现象较少，心肌细胞间质含量较少(图1)；实验组(水平加速度暴露组)家兔心肌切片在光学显微镜下观察，其心肌细胞的形态及排列等与对照组无显著区别(图2)。提示，水平加速度暴露对实验动物心肌的大体组织结构并未产生显著的影响(图1，图2见彩图页Ⅴ)。

2.2 -Gx加速度对家兔心脏组织超微结构的影响

透射电镜下观察两组家兔心肌组织的超微结构可见，对照组家兔心肌纤维为有分支的圆柱体，相邻肌纤维彼此相连呈网状；心肌肌膜完整，表面不平有横行纹理和网状纤维围绕，肌纤维间有少量的胶原纤维和毛细血管；可见A带、I带、H带和Z线等条纹；细胞核位于细胞中心，核膜清晰完整；可见心肌的闰盘呈阶梯形，结构清晰且完整；心内膜细胞在电镜下结构完整清晰，细胞形态正常(图3)。

Fig. 3 Myocardial fiber and ultrastructure of myocardial cells in control group

实验组家兔心肌在透射电镜下可见心肌纤维断裂、排列紊乱、心肌细胞水肿、核膜扩张、血管内皮基膜分离、心肌闰盘结构尚完整。上述改变提示，水平加速度暴露可导致家兔心肌超微结构的损伤性改变(图4)。

Fig. 4 Myocardial fiber and ultrastructure of myocardial cells in-Gx explore group

3 讨论

航空航天医学中+Gx是表示惯性力作用于人体X轴，由背→(指向)胸的加速度，称为向前加速度，其惯性力方向为胸背(眼球向内)，舰载机弹射起飞或滑跃起飞及载人飞船发射或回收时受到此加速度的影响。-Gx是表示惯性力作用于人体X轴，由胸→(指向)背的加速度，加速度名称为向后加速度，其惯性力方向为背胸(眼球向外)。舰载机飞行员拦阻着舰阻时受到此加速度的影响。有文献报道，弹射及滑跃式起飞和拦阻着舰时，飞行员在2 s左右时间内所受载荷为4～6±Gx[1，4]。+Gx的G值不太高时，会增加胸廓重量，使胸廓受压，前后径缩短，胸腔容积减少，吸气肌负担增加，腹壁受到重压并造成腹腔脏器相互挤压，导致腹内压升高，动脉血压轻度升高，主要原因为心输出量轻度增加及血管外周阻力增大。当G值过高引起心率减慢、心输出量减少时，动脉血压又有所降低。当采取一定背角时,由于惯性力所包含的+Gz分量的作用，眼水平动脉压随着+Gx 值升高而相应降低。在一定G值范围内，心率随着+Gx值增大而加快。人暴露于+3.5Gx时,心率平均每分钟增加24次, +5Gx时,每分钟增加72次。但当高G值+Gx如+12Gx作用15～20 s后,心率可急剧减少到30～40次/min[1，5]。

心肌细胞间的连接处称闰盘(intercalated disc)，在HE染色体的标本中呈着色较深的横形或阶梯状粗线。闰盘位于Z线水平，由相邻两个肌纤维的分支处伸出许多短突相互嵌合而成，常呈阶梯状，在连接的横位部分，有中间连接和桥粒，起牢固的连接作用，在连接的纵位部分，有缝隙连接，便于细胞间化学信息的交流和电冲动的传导[6]。

飞行员在飞行过程中，需要克服缺氧、加速度、心理应激等一系列挑战，这些因素均能影响心肺功能，因而对心肺功能有着高于一般人的要求，研究显示在正负加速度作用下，可使普通人心血管器官功能不全，回心血量减少，有效循环血量不足。在2、3、4个G值时，心脏每搏输出量分别减少24%、37%、49%，使心脏以上血压降低。造成头部缺血缺氧，引起灰视、黑视、严重的可导致意识丧失，这些变化可能只是短暂的，但是对于飞行过程却往往可能是致命的。关于+Gz对心脏影响的研究比较多，Burton[7]和Mackenzie[8]发现在高Gz环境下，小型猪左心室内膜下有不同程度出血和应激性心肌病理损伤。郑军[9]报道大鼠在高Gz值环境中暴露一定的时间，心肌细胞和血管内皮细胞水肿、肌原纤维排列疏松、线粒体和细胞核损伤。陆江阳[10]等发现将大鼠分别暴露于+1、+10 Gz 各5 min(每周3次，共3周)及30 s(每天5次，每周3次，共3周)，+10 Gz 组心肌细胞基质水肿、肌原纤维离散、线粒体变性、闰盘结构解离。Cayce报道一名37岁的F15战斗机飞行员在8 Gz训练后发生了急性心肌梗死[11]。牛忠英[12]等观察雄性恒河猴分别承受+15 Gx/ 200 s、+18 Gx/ 16 s和+21 Gx/140 s模拟航天超重作用，发现实验组心肌纤维扭曲、断裂，心肌细胞出现不同程度的肿胀、空泡变性，排列紊乱，心肌间质血管充血，灶性出血，心肌组织损伤程度随着超重作用的加大而加剧。王玉兰[13]等观察到在+Gx冲击作用下家犬出现以肺脏、心脏为主的广泛内脏损伤。以上研究结果说明各种加速度只要达到一定值及作用时间，对心脏造成损伤是肯定的。目前尚未检索到国内外在-Gx对心脏影响方面影响的研究。在军事医学相关研究中电磁辐射对心肌引起的损伤也颇受重视[14]，李宝丰[15]等对大鼠接受电磁脉冲辐照(辐照参数为场强200 kV/m，脉冲前沿3.5 ns，脉宽14 ns，重复频率1 Hz)研究发现，上述剂量辐照后的大鼠12 h心肌超微结构变化不明显，24 h 变化最为明显，表现为肌浆网扩张，线粒体肿胀，嵴排列紊乱、减少甚至空泡化，闰盘间隙增宽、达正常的5 ～6 倍，核内异染色质的边集。48 h明显好转，96 h 已基本恢复正常。说明肌浆网扩张，线粒体肿胀，嵴排列紊乱、减少甚至空泡化，闰盘间隙增宽这些变化可能是可逆的。

本实验中，对照组成年家兔的心脏组织在光镜下观察，其组织结构完整，细胞膜、细胞核和细胞器清晰可见，呈现出组织细胞在正常状态下应有的表现，与对照组无明显差异。而在透射电镜观察下，与对照组相比，可见实验组家兔心肌表现为心肌纤维断裂、排列紊乱、心肌细胞水肿、核膜扩张、血管内皮基膜分离等，提示心肌组织在水平加速度暴露后已经发生了超微结构的损伤性改变。上述结果提示，模拟拦阻着舰的水平加速度暴露对实验动物的心脏组织可造成一定的损伤，导致实验动物的心脏发生超微结构的损伤性改变，这种损伤很大程度上可能是由于加速度引起的挤压、脏器牵拉、移位等作用而发生的，心脏的变形能力较差，过高的G值可以导致心室压力和血压急剧升高，严重者可引起心脏破裂[16，17]。-Gx不会引起明显的血液向下身转移，因而不会引起回心血量的减少，但在-Gx作用时心脏做功增加，心肌耗氧量大大增加，使得心肌氧分压降低，代谢产物增多，这些作用因素可直接扩张冠状动脉，使冠脉血流量增加，减少-Gx的损伤。因此这种损伤的程度较轻，且可能存在一定的累积效应及可逆性，所以在大体结构层面并未观察到明显的损伤性变化。同时这种损伤也可能与生理应激有一定关系。提示要重视水平加速度对心脏可能的损伤防护。本研究对舰载机飞行员的生理心理保护有重要意义。