乙酰唑胺对急性低氧应激雄性大鼠肺通气功能及动脉血气的影响※

曹成珠，张 欢，刘 杰，吴 穹，张 伟，3，4△

[1.青海大学高原医学研究中心；2.青海大学基础医学部；3.青海省高原医学应用基础重点实验室(青海-犹他高原医学联合重点实验室)；4.高原医学教育部重点实验室，青海 西宁 810001]

一直以来，AZ对肺通气功能的影响存在争议，尤其是AZ对急性低氧应激大鼠肺通气功能的影响研究较少且结论不一。本研究通过相关实验设计，监测大鼠在急性低氧应激时肺通气功能指标的变化，进一步明确了AZ对常氧和低氧下大鼠肺通气功能的影响情况。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验动物

SD雄性大鼠(323.5±31.6)g购于北京维通利华实验动物技术有限公司[许可证号：SCXK(京)2012-0001，NO.11400700064575]。动物使用和实验程序按照《中华人民共和国国家标准—实验动物质量控制要求》(GB/T3491-2017)执行。青海大学医学院实验动物伦理委员会批准动物的使用和处理方案。

1.1.2 实验仪器与试剂

FinePointe无创气道功能检测仪购于美国DSI公司，手持式血气分析仪购于梅州康立高科技有限公司，乙酰唑胺(AZ)粉末购于美国sigma公司。

1.2 方法

1.2.1 实验动物分组

将20只大鼠随机分为对照组(Control组)和乙酰唑胺组(AZ组)。实验前2小时，AZ组以AZ(100mg/kg)灌胃，Control组以等量0.9%生理盐水灌胃。

1.2.2 大鼠肺通气功能测定

校准FinePointe无创气道功能检测仪后，将清醒、自主呼吸的大鼠依次放入检测仪的动物舱中固定，稳定5～10分钟待大鼠呼吸平稳后，测定大鼠在20% O2下通气1、2、3、4、5分钟时的呼吸频率(Frequency of respiratory，FR)、潮气量(Tidal volume，TV)、每分钟通气量(Minute volume，MV)、气道阻力(Airway resistance，Raw)、特殊气道阻力(Specific airway resistance，sRaw)、特殊气道导率(Specific airway conductance，sGaw)、功能余气量(Functional residual capacity，Frc)、吸气流峰值(Peak inspiratory flow，PIF)、呼气流峰值(Peak expiratory flow，PEF)、吸气时间(Inspiration time，Ti)、呼气时间(Expiration time，Te)、呼吸中期流速(The expiratory flow at 50% expired volume，EF50)等肺通气功能指标，然后测定在15% O2下通气1、2、3、4、5分钟时的上述各项指标。

1.2.3 大鼠动脉血气测定

Control组和AZ组分别于常氧通气5分钟及低氧通气5分钟时采集动脉血液各20 μL，通过血气分析仪测定分析动脉血气指标pH、PaO2、SaO2、PaCO2、HCO3-。

1.2.4 统计学分析

采用SPSS27.0软件进行分析，计量资料采用均数±标准差描述，两组间的计量资料比较采用t检验，多组计量资料之间的比较采用重复测量方差分析法，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 AZ对急性低氧应激雄性大鼠肺通气功能的影响

2.1.1 对sRaw的影响

常氧下，sRaw在不同时间之间无显著差异(F=0.278，P=0.816)，AZ组sRaw低于Control组(F=10.184，P=0.005)，见表1、图1。低氧下，不同时间之间的sRaw无显著差异(F=1.407，P=0.240)，AZ组sRaw明显低于Control组(F=132.403，P<0.001)，见表2、图1。

图1 不同组大鼠sRaw变化趋势图

表1 常氧情况下AZ对大鼠肺通气功能的影响值

表2 AZ对急性低氧大鼠肺通气功能的影响值

2.1.2 对sGaw的影响

常氧下，sGaw在不同时间之间无显著差异(F=0.092，P=0.951)，AZ组特殊气道导率明显高于Control组(F=104.575，P<0.001)，见表1、图2。低氧下，不同时间之间的sGaw无显著差异(F=1.482，P=0.217)，AZ组sGaw明显高于Control组(F=180.939，P<0.001)，见表2、图2。

图2 不同组大鼠sGaw变化趋势图

2.1.3 对Raw的影响

常氧下，Raw在不同时间之间有显著差异(F=3.354，P=0.039)，Control组Raw在不同时间点无统计学意义(P>0.05)，AZ组Raw在不同时间点有统计学意义(P<0.05)，AZ组Raw明显低于Control组(F=7.352，P=0.014)，见表1、图3。低氧下，Control组Raw在不同时间点无统计学意义(P>0.05)，AZ组Raw在不同时间点有统计学意义(P<0.05)；AZ组Raw明显低于Control组(F=5.412，P=0.032)，见表2、图3。

图3 不同组大鼠Raw变化趋势图

2.1.4 对FR的影响

常氧下，Control组FR在不同时间点无统计学意义(P>0.05)，AZ组在不同时间点有统计学意义(P<0.05)，随着时间延长，AZ对FR的影响加强；而AZ组和Control组之间无显著性差异(F=1.637，P=0.217)，见表1、图4。低氧下，FR在不同时间点呈现线性趋势(F=65.444，P<0.001)，时间与不同组别的交互作用有统计学意义(F=3.123，P=0.045)，两组FR在不同时间点均有统计学意义(P<0.05)；随着时间的增加，两组的FR均呈现逐渐减慢的趋势，AZ组FR的变化明显高于Control组(F=6.456，P=0.020)，见表1、图4。

图4 不同组大鼠FR变化趋势图

2.1.5 对TV的影响

常氧下，Control组TV在不同时间点无统计学意义(P>0.05)，AZ组TV在不同时间点有统计学意义(P<0.05)；随着时间的增加，AZ组潮气量呈现先升后降的趋势，AZ组潮气量明显高于Control组(F=33.624，P<0.001)，见表1、图5。低氧下，TV在不同时间点呈现线性趋势(F=21.148，P<0.001)，两组TV在不同时间点均有统计学意义(P<0.05)；随着时间的增加，Control组先升后降，AZ组呈现逐渐减小的趋势，AZ组潮气量明显高于Control组(F=43.800，P<0.001)，见表2、图5。

图5 不同组大鼠TV变化趋势图

2.1.6 对MV的影响

常氧下，AZ组MV明显高于Control组(F=139.6，P<0.001)，见表1、图6。低氧下，不同时间之间MV有显著差异(F=23.310，P<0.001)，时间与不同组别的交互作用有统计学意义(F=4.449，P=0.019)，两组MV在不同时间点有统计学意义(P<0.05)；随着时间的增加，两组MV先升后降，AZ组MV明显高于Control组(F=65.211，P<0.001)，见表2、图6。

图6 不同组大鼠MV变化趋势图

2.1.7 对Frc的影响

常氧下，Control组Frc在不同时间点无统计学意义(P>0.05)，AZ组Frc在不同时间点有统计学意义(P<0.05)，两组间无显著性差异(F=0.006，P=0.938)，见表1、图7。低氧下，Frc在不同时间点呈现线性趋势(F=112.710，P<0.001)，两组Frc在不同时间点有统计学意义(P<0.05)；随着时间的增加，两组Frc呈现逐渐下降趋势，两组间无显著性差异(F=1.423，P=0.248)，见表2、图7。

图7 不同组大鼠Frc 变化趋势图

2.2 AZ对大鼠动脉血气的影响

与常氧相比，Control组大鼠通入15% O2后，PaO2、SaO2、PaCO2明显降低，差异具有统计学意义(P<0.05)，显示出PaO2、SaO2、PaCO2随着低氧刺激而显著下降的情形。与通入15% O2的Control组相比，应用了AZ并通入15% O2后，pH、HC O3-下降，PaO2、SaO2、PaCO2升高，差异有统计学意义(P<0.05)，见表3。

表3 不同组大鼠低氧通气前后动脉血气分析结果

3 讨论

本研究结果显示，AZ通过引起代谢性酸中毒等机制增加通气量，提高PaO2、SaO2，以此改善急性低氧应激雄性大鼠的肺通气功能。

给大鼠吸入15% O2后，吸入气中PO2降低，经过肺通气使肺泡气PO2随之降低，肺换气后动脉血PO2降低，一方面缺O2可直接抑制呼吸中枢，另一方面PO2降低可使颈动脉体、主动脉体外周化学感受器兴奋，兴奋后产生的神经冲动通过窦神经、迷走神经传到延髓，引起延髓中的呼吸中枢兴奋，从而使呼吸运动加深加快，FR、TV、MV较通入20% O2时增大，肺通气量增加。另外，随着呼吸的加深加快，肺维持在较大的扩张状态，使肺泡呼吸膜的表面积和肺换气时的有效交换面积增大，提高了肺换气时氧的扩散速率，肺换气功能增强。

气体在进出肺的过程中，只有通气动力克服通气阻力后才能引起O2和CO2在肺和外界之间交换。肺通气的阻力包括肺和胸廓的弹性阻力和气道的非弹性阻力。影响气道阻力的主要因素有气流速度、气流形式和气道口径。进入高原地区后，由于空气稀薄，空气密度降低，气压降低，气道阻力将减小。但呼吸加深加快后，气流速度加快，由于气流速度和气道阻力之间成正比关系，所以随着气流速度加快，气道阻力增大；如果气流通过呼吸道过程中形成湍流，则气道阻力进一步增大[1-3]。在我们的实验研究中，和常氧情况比较，给大鼠吸入15% O2后Raw、sRaw增大，sGaw减小，说明通入低氧后通气阻力增加、肺的顺应性减小。

关于AZ对人体机能影响的研究结果存在不一致性，尤其是对气道功能和通气反应的影响[4-6]。CA是一类含锌金属酶，从牛红细胞中首次发现，其作用底物是CA，并且有比较好的抑制作用，可催化CO2的水合反应。不同的CA催化速率不一致，虽然CA催化的只是一个简单的生理反应，在没有催化酶作用的情况下，这一可逆反应的反应速度非常缓慢。CA是CO2水合反应中催化速率最快的酶之一[6]，其催化的底物CO2及产生的HCO3-、H+与人体在呼吸过程中肺与组织之间转运CO2/HCO3-，维持pH、CO2浓度之间的平衡，分泌电解质等有关。目前，AZ在急性高原病、慢性高原病和肿瘤、氧惊厥等方面的应用都有所研究，尤其是AZ在急性高原病、慢性高原病和肿瘤等领域的应用研究为当前研究的热点[7-9]。

临床研究显示，AZ对进入高海拔地区的人有帮助，可能是通过增强通气功能来减少急进高原引起的高原反应。AZ作为强效CA抑制剂，抑制了CA催化的CO2水合反应，导致利尿效应，出现代谢性酸中毒，这种肾脏效应抵消了由急性低氧诱导的过度换气而引起的呼吸性碱中毒，并使中枢化学感受器敏感性增加。血液中的H+和CO2升高可刺激颈动脉体外周化学感受器和延髓中枢化学感受器，使呼吸频率加快、呼吸深度加深[10]。Teppema等比较研究了AZ对切除颈动脉体的猫和正常猫的通气反应的影响，发现前者的通气量是后者的两倍。进一步研究发现，AZ降低颈动脉体窦神经对CO2的敏感性，并减少颈动脉体I型细胞的多巴胺释放量，即使是小剂量的AZ也有此作用[11-15]。

AZ对红细胞、血管内皮细胞中CA的抑制作用比较强，可以很快阻断CO2的转运、交换，使组织细胞中CO2的潴留增加，导致组织呼吸性酸中毒，引起通气量增加。AZ还可以通过改善肺部气体交换效率(降低VA/Q不等性和减少扩散限制)来改善动脉氧合作用，而不仅仅是通过增加MV[16-18]。上述效应使AZ组大鼠通气量增加，PaO2、SaO2升高。本实验结果显示，AZ大鼠吸入15% O2后，FR、TV、MV较通入20% O2后变化不明显，但较Control组大鼠吸入15% O2时明显，肺通气和肺换气功能进一步增强。本实验结果显示，和常氧情况比较，AZ组大鼠吸入15% O2后Raw、sRaw增大，sGaw减小，但Raw、sRaw增大幅度和sGaw减小幅度均比Control组小，说明应用AZ再吸入低氧后通气阻力增加不明显，肺的顺应性较好，是AZ改善通气功能的原因之一。有研究结果显示，AZ可通过抑制低氧状态下平滑肌细胞内Ca2+的释放，使平滑肌的收缩受到影响[19]。上述实验结果产生的可能原因：大鼠应用了AZ后，呼吸道平滑肌细胞内钙池释放Ca2+减少，肌细胞的兴奋收缩耦联功能减弱，受到急性低氧刺激后平滑肌的收缩程度减小，气道口径相对变大，从而使气道阻力减小。

本研究发现，AZ组大鼠FR、TV、MV、sGaw高于Control组，Raw、sRaw较Control组低，说明AZ通过增加通气量，提高PaO2、SaO2来改善急性低氧应激大鼠的肺通气功能。