運動訓練過程中,由于伴隨不同程度的高于正常呼吸時的空氣氣流經過氣道,帶走大量水分使氣道水分和熱量丟失,這些物理刺激,一方面會導致肺功能發生相應的改變,另一方面,常常導致炎性介質釋放,誘發支氣管平滑肌痙攣,而形成運動性哮喘\\( exercise induced asthma,EIA\\) ,運動程度越劇烈,誘發哮喘的機會越多、病情也越嚴重,研究證明 64% 的 EIA患者其靜息時肺功能是正常的,且從未有過哮喘發作的病史[1].本研究對不同強度運動后的大鼠采血進行動脈血血氣分析,結合肺組織形態學的觀察,以期探討運動訓練對肺功能和形態的影響.

1 材料和方法

1. 1 材料 實驗動物由山西醫科大學實驗動物中心提供健康雄性、清潔級 18 月齡,體質量 200 ~250 g 的 Wistar 大鼠 40只\\( 由山西醫科大學實驗動物中心提供\\) 進行實驗.飼養環境溫度 20 ℃ ±2 ℃,相對濕度 45% ~55%.

1. 2 運動模型建立 圓形游泳池直徑 150 cm,高 60 cm,水溫保持在 25 ℃ ±1 ℃,以保證大鼠最長時間及最適狀態下游泳.適應環境 1 周后,將大鼠隨機分組,每組 6 只,對照組大鼠自由飲食,運動訓練組大鼠進行不同強度的游泳運動訓練,游泳運動方案: 大鼠在對照組的基礎上給予連續 8 周游泳訓練,每周訓練 6 d,每天訓練 1 次,第 1 周為適應性訓練,低強度運動組第 1 d 游泳 5 min,此后逐日遞增,到第 1 周末達到30 min; 中強度組第 1 d 游泳 10 min,此后逐日遞增,到第 1 周末達到 60 min; 高強度組第 1 d 游泳 20 min,此后逐日遞增,到第 1 周末每天游泳 120 min,3 組大鼠均維持第 1 周末的運動量直至第 8 周.實驗過程中如發現大鼠有力竭表現時\\( 下沉后 10 s 不露出水面\\) 將其撈出水面休息 5 min 后,繼續訓練至結束.

1. 3 取材 低強度運動組\\( A 組\\) 游泳 30 min 后處死,低強度運動后休息組\\( B 組\\) 游泳30 min 后返回鼠籠24 h 后處死,中強度運動組\\( C 組\\) 游泳 60 min 后處死,中強度運動后休息組\\( D 組\\) 游泳60 min 后返回鼠籠24 h 后處死,高強度運動組\\( E 組\\) 游泳 120 min 后處死,高強度運動后休息組\\( F 組\\) 游泳 120 min 后返回鼠籠 24 h 后處死.

1. 4 肺功能和形態學觀察 各組大鼠處死之前均采集股動脈血,分析血氣變化; 處死后收集肺組織標本,經 4% 多聚甲醛固定后,梯度酒精脫水,石蠟包埋,切片機切片,切片厚度為4 μm,分別進行常規 HE 染色光學顯微鏡下觀察和采用免疫組織化學進行肺組織中 CD44 和 CTGF 表達水平分析,兔抗大鼠 CD44 抗體和 CTGF 抗兔多克隆抗體均購自武漢博士德生物工程有限公司,嚴格按照試劑盒說明進行,DAB 室溫下顯色,鏡下控制反應時間\\( 10 min\\) ,常規洗凈,蘇木素復染,中性樹膠封片觀察.采用圖像分析系統在 400 倍光鏡下每個切片采集 5 個完整的支氣管橫斷面,根據陽性顯色\\( 棕黃色\\) 的面積和深淺,圖像分析軟件自動測定各支氣管壁陽性染色的光密度值,求其平均值作為各標本的光密度值以反應 CD44 和CTGF 的表達量.

1. 5 數據處理 采用 SPSS 14. 0 軟件對數據進行統計分析.

2 結果

2. 1 動脈血血氣分析 表 1 所示,對照組、低強度運動組\\( A組\\) 、中強度度運動組\\( C 組\\) 和高強度運動組\\( E 組\\) 大鼠在運動訓練結束后,血氣水平差異有統計學意義\\( P < 0. 01\\) .

與對照組相比,隨著運動強度的增加,動脈血 pH 值出現逐漸降低的改變,意味著酸中毒的逐漸加重,相應的 PaCO2值逐漸增加,PaO2值逐漸降低; 而經過休息的低強度運動組\\( B組\\) 、中強度運動組\\( D 組\\) 和高強度運動組\\( F 組\\) 大鼠與相應強度運動組大鼠相比,血氣分析指標明顯改善,差異有統計學意義\\( P <0. 01\\) ,B 組、D 組和 F 組相比血氣分析結果差異無統計學意義\\( P >0. 05\\) ,說明運動后經過適度的休息調整,可以改善肺功能,這種表現與病理組織鏡觀結果相吻合.

2. 2 肺臟組織 HE 染色的病理學變化 為了觀察不同強度運動后伴隨肺功能改變而出現的肺組織形態學的改變,對各組大鼠肺組織進行常規 HE 切片觀察.可見對照組大鼠細支氣管和肺泡結構清晰,肺泡內無滲出,間質有小灶性單核細胞浸潤; 低強度運動組\\( A 組\\) 大鼠細支氣管和肺泡結構清晰,肺泡內有少量滲出液及偶見紅細胞,間質有灶性單核細胞浸潤; 中強度運動組\\( C 組\\) 大鼠細支氣管和肺泡結構不清晰,見較多紅細胞和滲出液,間質性單核細胞浸潤數量增多; 高強度運動組\\( E 組\\) 大鼠細支氣管、肺泡管、肺泡囊、肺泡,肺泡壁變薄,部分肺泡腔擴大并破裂,紅細胞和液體滲出明顯,單核細胞浸潤數量明顯增多于 A 組和 C 組; 而低強度運動組\\( B組\\) 大鼠、中強度運動組\\( D 組\\) 大鼠和高強度運動組\\( F 組\\)大鼠細支氣管和肺泡結構清晰,肺泡內無明顯滲出物,間質有灶性單核細胞浸潤.以上情況表明,肺組織結構的改變隨著運動強度的增加而逐漸加重,休息后好轉.

2. 3 肺組織 CD44 和 CTGF 的免疫組織化學表達 CD44 和CTGF 均主要表達在氣道黏膜上皮細胞.如圖 1 和圖 2 \\( 封3\\) 所示,與對照組相比,隨著運動強度的增加,低強度運動組\\( A 組和 B 組\\) 、中強度運動組\\( C 組和 D 組\\) 以及高強度運動后休息組\\( F 組\\) 的 CD44 和 CTGF 表達均未出現明顯異常,僅高強度運動組\\( E 組\\) 的大鼠肺組織可見 CD44 和 CTGF 表達增強.圖像分析結果顯示氣道壁測定 CD44 和 CTGF 含量對照組、A 組、B 組、C 組、D 組和 F 組差異無統計學意義,E 組與對照組相比差異有統計學意義\\( P <0. 01\\) .

3 討論

肺是機體和外界大氣環境直接接觸的門戶臟器,肺泡是肺進行氣體交換的物質基礎,其形態結構的變化直接影響著氣體交換的效率.在運動過程中肺依靠增強通氣和彌散功能來適應暫時性低氧環境.本研究通過對不同強度運動訓練后的大鼠進行血氣分析和肺形態學觀察發現,運動后肺損傷是存在的,隨著運動強度的增加,這種損傷逐漸增強,動脈血pH、PaCO2、PaO2的改變與細支氣管和肺泡的炎性改變具有一定程度的一致性,而隨著適度休息的進行,肺損傷的功能和形態改變均恢復正常.本研究提示高強度的運動模式會造成比較嚴重的可逆性肺損傷.

呼吸膜是由肺泡表面活性物質 - Ⅰ型肺泡上皮 - 基膜及血管內皮細胞構成,在不同部位其厚度不一,O2和 CO2彌散速率也不一致,薄的地方阻力小,厚的地方阻力大.分析本研究的結果表明肺泡間質水腫、肺泡的炎性反應等即由于呼吸膜損傷所致,這必然影響氣體交換,使氣體彌散功能發生障礙.如果是力竭運動,肺泡內充滿進入的大量液體,將導致肺泡壁擴張,以致破裂,從而完全失去呼吸作用[2].

為了進一步探討不同強度運動是否與運動性哮喘有相關聯系,我們采用免疫組織化學的方法進行了相關研究.CD44是細胞粘附分子中的重要成員,能夠介導炎癥細胞與內皮細胞間的粘附和跨內皮轉運,在支氣管哮喘氣道炎癥啟動形成和慢性化過程中有著重要的作用,是哮喘發生的一種重要的炎癥因子[3].CTGF 是一種多功能細胞因子,哮喘時 CTGF 表達明顯增高,主要表達于氣道上皮細胞,并且 CTGF 的表達強度與氣道壁的膠原增生程度密切相關[4].本實驗觀察到除了高強度運動組\\( E 組\\) 大鼠出現明顯的 CD44 和 CTGF 表達明顯增加以外,別的實驗組以及對照組均未出現異常改變\\( 圖 1、圖 2\\) ,這表明高強度的運動更易于并發運動性哮喘,這種結論在人的運動過程中亦有相關報道[5 -8].值得注意的是,高強度運動后經過休息 CD44 和 CTGF 表達與對照組相比沒有顯著性差異,或許是由于本研究使用的運動強度仍然總體偏小的緣故所致,增加運動強度進行相關的實驗研究將會在后續實驗組中陸續完成.

通過以上分析可見,隨著運動強度的增加,大鼠肺功能與形態結構會出現不同程度的損傷,休息后好轉; 高強度的運動在一定程度上增加了發生運動性哮喘的可能性.

[參 考 文 獻]

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