慢性间歇低氧的实验性研究北京0723课件

1、慢性间歇低氧的实验性研究天津医科大学总医院 呼吸科 陈宝元 间歇低氧的概念和特点 慢性间歇低氧的实验性研究间歇低氧的概念和特点间歇低氧是对持续低氧而言，任何低氧与正常氧的交替出现都可以被称为间歇低氧。急性间歇低氧（Acute intermittent hypoxia, AIH）： 持续数分钟或数小时。慢性间歇低氧（Chronic intermittent hypoxia, CIH）：持续数天或数周，乃至数年。睡眠呼吸暂停模式的低氧属于典型的慢性间歇低氧。 间歇低氧的概念持续低氧与间歇低氧模式的比较正常氧和低氧交替出现，不管低氧程度多么严重，低氧 解除后都会恢复到正常氧水平。发生频率很高，一般在

2、每小时5-100次之间，平均每2-5 分钟发生一次。低氧程度严重、血氧变化幅度大，最低血氧饱和度可至 20%，正常氧与低氧间动脉血氧饱和度之差达30-70%。OSAHS特有，其它低氧性疾病所不具备和不能达到。 睡眠呼吸暂停低氧模式间歇低氧的特点变异性很大，至少有十几种不同具体模式变异因素有：时间范围2-90天一天为1-12小时每次低氧持续的时间为30-120s伴或不伴高二氧化碳实验性间歇低氧经典的实验性间歇低氧的输气模式不同实验性间歇低氧的模式慢性间歇低氧，或睡眠呼吸暂停模式间歇性低氧睡眠结构的破坏，睡眠剥夺胸腔压力的异常变化主要和关键的损害机制为慢性间歇低氧阻塞性睡眠呼吸暂停主要病理损伤机制

3、睡眠呼吸暂停模式间歇低氧的实验性研究间歇低氧是否可以引发系统性损害？间歇低氧如何引发系统性损害？如何从系统损害的机制中发现干预措施？间歇低氧试验性研究需要回答的问题 1992年 Fletcher 首次制造鼠的间歇低氧模型，证实间歇低氧引起平均动脉压的持续升高。每天8小时、持续35天间歇低氧环境，Wistar 鼠平均动脉压升高13.7mmHg, 对照组平均动脉压未见改变。 之后十几年中，间歇低氧导致动物血压持续升高被多个实验证实。多数试验设有对照组、证据可靠、重复性好。 Fletcher E. J Appl Physiol,2001;90:1600-1605实验性间歇低氧导致血压持续升高42天间

4、歇低氧大鼠平均动脉压变化图. 导管法所测大鼠平均动脉压变化*与实验前自身比较： *P0.01；与UC比较：P 0.01；与SC比较：P0.05袁志明等. 中华结核和呼吸杂志,2003,26:569.袁志明等. 中华结核和呼吸杂志,2004,27:577.颈动脉体对低氧的敏感性增强颈动脉体对低氧敏感性和兴奋性增强的长期易化中枢和外周神经的长期易化交感神经和呼吸系统的兴奋性增强的偶联作用间歇低氧如何引起血压升高的？间歇低氧对颈动脉体的影响交感神经兴奋性增强和血管内皮功能异常。交感神经兴奋性增强主要是通过颈动脉体感受器 实现的，药物阻断或切除颈动脉体对间歇低氧的 反应性减低后消失。42天间歇低氧血浆

5、肾上腺素水平变化图. 大鼠血浆肾上腺素水平变化与UC比较：P0.01；与SC比较：P0.01袁志明等. 中华结核和呼吸杂志,2003,26:569.袁志明等. 中华结核和呼吸杂志,2004,27:577.42天间歇低氧血浆去甲肾上腺素变化图. 大鼠血浆去甲肾上腺素水平变化与UC比较：P0.01；与SC比较：P0.01袁志明等. 中华结核和呼吸杂志,2003,26:569.袁志明等. 中华结核和呼吸杂志,2004,27:577.各组大鼠动脉收缩压水平随时间变化趋势不同程度间歇低氧条件下大鼠血浆NE随时间变化不同程度间歇低氧大鼠动脉收缩压/血浆去甲肾上腺素（NE）变化趋势天津医科大学总医院呼吸科实

6、验室Peng, YJ. et al. J Appl Physiol 2004; 96: 1236-1242.颈动脉体交感神经活动(imp/s)比较10天间歇低氧引发颈动脉体对低氧的兴奋性增强每天4小时一次性低氧每小时9次/每天8小时间歇低氧CHIH间歇低氧使颈动脉体的化学反射增强/压力反射减弱Lai, CJ. et al. J Appl Physiol 2006;100: 1974.平均压化学感受器压力感受器Time (day)Cutler MJ. J Appl Physiol 2004，96: 754-761. 20 min 间歇低氧 MSNA 和 180 min后的MSNA间歇低氧导致肌肉

7、交感神经(MSNA)增强的长期易化（LTF)急性低氧刺激后在体与离体颈动脉体兴奋性延续时间的观察间歇低氧导致颈动脉体敏感性增强的长期易化（LTF)Peng JY, et al. Proc Natl Acad Sci USA. 2003; 100: 1007310078. Dick, TE. et al. Exp Physiol 2007;92:87-97间歇低氧交感神经和膈神经延持兴奋的偶联作用暴露间歇低氧后鼠肾上腺髓质儿茶酚胺类物质的内流 Kumar GK, et al. J Physiol. 2006;575, 229. 药物或手术阻断或切除颈动脉体、肾上腺髓质和肾动脉,间歇低氧引发交感神

8、经兴奋性增强和血压升高反应消失。Bao G, et al. J Appl Physiol 1997, 83: 95-101. 间歇低氧的内皮功能损害是系统性的，是OSAS患者心脑血管合并症的重要病理学机制间歇低氧引发的氧化应激和炎性反应对血管内皮的直接损伤间歇低氧损害血管舒缩功能，导致动脉粥样硬化形成间歇低氧导致内皮功能系统性损害 图 间歇低氧暴露鼠血浆NO含量变化与UC比较：P0.01；与SC比较：P0.01间歇低氧对鼠血管舒缩功能的影响天津医科大学总医院呼吸科实验室*与UC比较：*P0.05， P0.01；与SC比较：P0.05，P0.01间歇低氧对鼠血管舒缩功能的影响图 间歇低氧暴露鼠血

9、浆ET-1含量变化天津医科大学总医院呼吸科实验室Tahawi Z et al. J Appl Physiol. 2001. 90: 20072013.间歇低氧导致鼠的血管扩张作用减低Foster, G. E. et al. Exp Physiol 2007;92:51.间歇低氧导致高血压发病机制示意图系统性高血压 动脉粥样硬化的形成 间歇低氧对心肌组织的直接损伤间歇低氧对心脏的损伤A: 间歇空气+ 正常饮食 C:间歇空气+ 高胆固醇饮食 B: 间歇低氧+ 正常饮食 D:间歇低氧+ 高胆固醇饮食Savransky V，et al. Am J Respir Crit Care Med 2007,1

10、75: 1290-1297.12周间歇低氧加高胆固醇饮食，鼠主动脉根部和降主动脉出现粥样硬化病变损害间歇低氧暴露后，离体心脏 30-min 缺血，120-min 在灌注，2组比较 35天间歇低氧暴露后鼠心肌梗塞面积增加Joyeux-Faure M. J Appl Physiol 2005，98: 1691-1696. *P 0.001.Park AM , et al. J Appl Physiol 2007, 102: 1806-1814.Effects of intermittent hypoxia induced myocardial damage in mice (mmHg/s)* P0

11、.01+dp/dt和Vmax是反映心肌收缩能力的力学指标，+dp/dt和Vmax均降低，显示左心室收缩功能下降。*6周间歇低氧暴露对鼠心脏收缩功能的影响+dp/dtVmax*(muscle length/s)天津医科大学总医院呼吸科实验室-dp/dt和T值是反映心肌舒张能力的力学指标，-dp/dt的减低和T值的增高显示心肌舒展功能减退( ms )*6周间歇低氧暴露对鼠心脏舒张功能的影响(mmHg/s)-dp/dtT值* P50 是一个可靠地指标预测肝脏酶升高(OR 5.9) ，而BMI (OR 1.13)。.Singh H, et al. Dig Dis Sci 2005;50:2338-43

12、. Tanne F, et al. Hepatology 2005;41:1290-6间歇低氧对肝脏的损伤组别例数AST（U/L）ALT（U/L）IA820.333.1318.741.33IH10828.772.20a19.032.06IH20837.132.46ab20.291.65IH30848.623.59abc25.442.61abcIH40850.891.96abc26.233.08abcP 值0.0010.001表. 不同频率间歇低氧组血浆AST、ALT活性（ ）a示与IA组比较P0.01,b示与IH10组比较P0.01,c示与IH20组比较P0.01。间歇低氧大鼠血浆AST和AL

13、T增高，具有频率依赖性天津医科大学总医院呼吸科实验室图.不同间歇低氧程度大鼠血清ALT结果变化趋势图 间歇低氧导致的大鼠ALT升高具有低氧程度依赖性 天津医科大学总医院呼吸科实验室方差分析示F=111.275，P=0.00单纯慢性间歇低氧8周出现大鼠肝细胞损伤图.肝脏病理HE染色（400倍放大），A：示正常肝组织。B：示5%间歇低氧组第8周时出现肝损伤，肝细胞内脂质较正常减少，肝细胞核染色加深，有核固缩，细胞凋亡的趋势。 天津医科大学总医院呼吸科实验室CIH caused liver injury with an increase in serum ALT (461 58 U/l vs. 10

14、3 16 U/l in the control group; P 0.01) and AST (637 37 U/l vs. 175 13 U/l in the control group; P 0.001).Histology revealed hepatic steatosis in both groups, with mild accentuation of fat staining in mice exposed to CIH. Animals exposed to CIH exhibited lobular inflammation and fibrosis in the liver

15、, which were not evident in control mice. CIH caused significant increases in lipid peroxidation in serum and liver tissue; significant increases in hepatic levels of MOP and proinflammatory cytokines IL-1_, IL-6, and TNF-a. Savransky V et al. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol .2007,293: G871G

16、877. A. 对照组6周：正常鼠肝细胞。 B. 对照组 9 周： 正常鼠肝细胞。C. 髙脂组6周： 鼠肝细胞脂肪变性，细胞水肿。D. 髙脂组9周： 鼠肝细胞外周胶原纤维轻度增生. E. 髙脂间歇低氧组9周： 鼠肝细胞脂肪变性，细胞水肿。炎细胞浸润、局灶性坏死. F. 髙脂间歇低氧组9周： 鼠肝细胞外周胶原纤维增生。 Sleep Breath，DOI 10.1007/s11325-010-0370-3.A.对照组：鼠正常电镜下肝细胞结构B. 髙脂膳食组： 6 周，肝细胞浆内大量脂肪滴，部分脂肪滴融合。C. 髙脂膳食加间歇低氧组：6周, 肝细胞浆内大量脂肪滴, 一些脂肪滴可见髓样结构，肝细胞核变

17、小且不规则。 D.髙脂膳食加间歇低氧组：9 周, 肝窦周间隙可见大量胶原纤维素.实验性间歇低氧加速与认知、觉醒、记忆功能相关部位神经细胞凋亡脑神经细胞凋亡的机制与间歇低氧引发的过氧化损伤和炎性损伤相关间歇低氧对脑组织的损伤Joo EY, et al. SLEEP 2010;33:235-241. Ayalon L, et al. SLEEP 2009;32:373- 381.Patients with OSA showed decreased brain activation compared with control subjects during an attention task. Th

18、e alertness and reaction times show greater correlations with measures of sleep disruption than with measures of hypoxia. 间歇低氧导致与认知功能相关脑细胞损伤2天间歇低氧造成鼠大脑CA1海马区细胞凋亡增加7倍，皮质区增加8倍。鼠水迷宫逃脱时间和睡眠时间显著延长。Gozal1 D，et al. J Neurosci 2001, 21:2442-2450.6周间歇低氧大鼠 Morris水迷宫定位航行实验UC组第6周1.MPG10%CH组 第6周10%CIH组 第6周5%CIH组

19、 第6周2.MPG图. 各组大鼠于第6周定位航行实验轨迹天津医科大学总医院呼吸科实验室6周间歇低氧大鼠海马区CA1区形态学变化-光镜 HE染色(400) A：UC组 B： 10% CH组 D： 5%CIH组 C： 10%CIH组 肿胀明显排列紊乱正常神经元染色变浅细胞轻度水肿稀疏核固缩坏死天津医科大学总医院呼吸科实验室正常神经元10%CIH组核膜断裂10%CH 组染色质色浅不均5%CIH 组细胞器消失，核仁消失 6周间歇低氧大鼠海马CA1区细胞形态变化电镜(25000)天津医科大学总医院呼吸科实验室Gozal E, et al. Am J Physiol Cell Physiol 2005,

20、288: C535-C542.间歇低氧加速脑细胞凋亡 Altay T，et al. J Appl Physiol 2004; 96: 1223. 间歇低氧引发脑血管炎性反应增强间歇低氧暴露24小时脑血循环白细胞黏附活性增加3.4倍30天间歇低氧暴露导致鼠的脑皮质氧化应激反应，蛋白、脂质过氧化水平增加。Xu W. et al. Neuroscience 2004,126 313323. 蛋白过氧化脂质过氧化临床、动物和细胞学研究都证实了睡眠呼吸暂停或慢性间歇低氧可以引发系统性炎症反应。炎症物质包括粘附因子、细胞因子、化学驱动因子等。研究证实炎性因子存在和水平与慢性间歇低氧程度有关。炎症反应与心脑

21、血管疾病的形成和加重有关。间歇低氧炎症损伤机制正常氧条件:线粒体消耗约90%的氧，剩余足够的氧用于HIF-1降解。持续低氧条件:几乎所有氧被线粒体消耗，HIF-1迅速增加并固定，导致如促红细胞生成素基因等转录激活增加。间歇低氧条件:低氧程度不足以固定HIF-1，通过线粒体应激，将导致NF-kB的激活， NF-kB激活下游效应是炎性物质基因激活，产生TNFa等炎性物质。 正常氧、持续低氧和间歇低氧的细胞内分子反应Ryan S, et al. Circulation.2005;112:2660.ROSTNF and EPO 水平 in OSASRyan, S. et al. Circulation

22、 2005;112:2660.Greenberg H, et al. Bio Biophy Res Commun 2006, 343 :591596.NF-kB活性随间歇低氧时间延长而增加三组间X2为21.416，P0.01。组间两两相比采用Mann-Whitney U检验，U均为=25.000，P均0.05。不同间歇低氧水平NF-kB细胞内浓度比较天津医科大学总医院呼吸科实验室三组间X2为35.632，P0.01。组间两两相比采用Mann-Whitney U检验，U均为=25.000，P均0.05。不同间歇低氧频率NF-kB细胞内浓度比较天津医科大学总医院呼吸科实验室Lavie Neurol

23、 Clin，2005,23:10591075间歇低氧内皮功能损伤的分子学机制NOET-1 OSA患者血中氧化应激生物标志物水平增高。动物CIH歇低氧造成脑、心脏、肾脏、血管氧化应激标志物的沉积。器官功能损害程度与氧化应激反应程度相关。 CIH低氧相当缺血再灌注损伤，反复缺氧/再氧合产生ROS。ROS影响CIH介导的全身和细胞反应，即氧化应激反应。解除CIH 、应用抗氧化剂和阻断氧化应激酶系统降低血液中氧化应激标志物水平，降低反射性交感神经兴奋和血压升高。间歇低氧的氧化应激损伤机制和抗氧化策略Prabhakar et al.Biol Chem. 2004,385:217-221Griendling KK, et al. Circulation, 2003, 108: 1912.氧化应激损伤