顺／逆行同时心肌灌注对于细胞容量和能量代谢影响的研究

作者:李刚,田伟忱,及亚男

作者单位：1.哈尔滨医科大学附属第二医院心脏外科，黑龙江 哈尔滨 150086; 　2.Institute for Biodiagnostics, National Research Council Canada, Winnipeg, Canada R3B1Y6

   【摘要】  　　目的 应用磁共振图谱动态研究顺／逆行同时心肌灌注对于细胞容量和能量代谢的影响。方法 由10个离体猪心的主动脉和冠状静脉窦同时灌注温血停跳液2小时期间，应用近红外线图谱动态监测心肌含水量的变化，并且联合使用磷31（31P）磁共振图谱和特异性细胞间隙标记物动态观察细胞内、外容量和心肌能量代谢的变化。结果 近红外线图谱显示顺／逆行同时灌注期间的心肌含水量明显增高至其初始值的（160±12）%。水肿期间的31P磁共振图谱显示了顺／逆行同时灌注导致细胞内、外间隙标志物的含量均明显增高。通过计算可知，细胞内、外容量分别增长至其各自初始值的（136±4）％和（154±8）%。但是，顺／逆行同时灌注2小时期间的心肌能量代谢情况基本保持不变。结论 2小时顺／逆行同时灌注导致细胞内、外容量均明显升高，但是水肿心肌在此期间能够维持正常能量代谢。

【关键词】  磁共振　图谱　心肌灌注　心肌水肿　能量代谢　灌注

　　Effects of Simultaneous Antegrade/Retrograde Cardioplegia on

    Cellular Volumes and Energy Metabolism

    LI Gang1,TIAN Wei-chen1,JI Ya-nan1,LI Song-mei1,JIANG Shu-lin1,TIAN Gang-hong2

    （1.Department of Cardiac Surgery, the Second Affiliated Hospital, Haerbin Medical University,

    Heilongjiang Haerbin 150086,China; 2.Institute for Biodiagnostics,

    National Research Council Canada, Winnipeg, Manitoba R3B 1Y6, Canada）

    Abstract: OBJECTIVE   To assess the effects of simultaneous antegrade/retrograde cardioplegia (SARC) on cellular volumes and energy metabolism using magnetic resonance spectroscopy. METHODS  Ten isolated pig hearts were perfused for 2 hours through aorta and coronary sinus simultaneously with blood cardioplegia. Myocardial water content was monitored continuously throughout SARC using near infrared (NIR) spectroscopy. Phosphorus-31 magnetic resonance spectroscopy (31P MRS) in conjuction with 31P MRS-detectable markers, dimethyl methylphosphonate (DMMP) and phenylphosphonate (PPA), were used to follow the volumes of both intra- and extracellular compartments and to assess myocardial energy metabolism during SARC. DMMP distributes to the entire water space while PPA accesses only to the extra-cellular compartment. RESULTS  NIR spectra showed a significant increase (160±12% to the initial value 100%) in water content during SARC, indicating tissue edema.31P  MR spectra obtained during SARC showed a gradual and significant increase in both DMMP and PPA peaks. At the end of 2-hour SARC, the intra- and extra-cellular compartments increased to 136±4% and 154±8%, respectively, relative to their initial volumes (100%). However, myocardial energy metabolites remained relatively unchanged during 2-hour SARC. CONCLUSION  2-hour SARC results in severe expansion of both intra- and extra-cellular compartments. Edematous myocardium can maintain normal energy metabolism during 2-hour SARC.

   Key words：  Magnetic resonance；Spectroscopy;Cardioplegia；Myocardial Edema；Energy Metabolism;Perfusion

    理想的心肌保护应该向心脏的各个部分均提供充足灌注［1-2］。单纯顺行或逆行灌注都存在着灌注不均匀的缺陷，因此人们建议将两种方式结合起来，进行顺／逆行同时灌注（SARC）［3-5］。但是SARC能否引起组织水肿，从而影响心肌能量代谢尚未有定论，尤其是SARC灌注对于细胞内、外容量的影响也未见报道。

    1  材料和方法

    1.1  离体猪心模型的建立  10头体重40～50 kg的家猪，全麻后正中开胸。主动脉根部注入4℃心肌停跳液（10 ml/kg）停跳心脏，快速切取猪心并称重。收集猪血与心肌停跳液以1∶1混合，并加入细胞间隙标志物二甲基磷酸（DMMP）和苯磷酸（PPA），用于灌注离体猪心。DMMP可以分布在细胞总间隙中，而PPA只能分布在细胞外间隙，而二者分布间的差值即代表细胞内间隙［6-7］。灌注液中血红蛋白的浓度约为（51±1）g/L，pH 和氧分压分别为（7.42±0.02） 和（538±25）mmHg。经左心耳通过二尖瓣口在左室放入压力监测气囊，右心室内放置一个装有1 ml 浓度500 mmol/L的磷甲酸（MPA）塑料球，作为定量参照物。经主动脉和冠状静脉窦建立SARC灌注通路。应用Langendorff方法灌注离体猪心，并将猪心置于场强7-Tesla的磁共振（MR）机中心。实验中的心脏温度始终控制在（37.0±0.5）℃。

    1.2  心肌灌注和检测指标  先用含DMMP和PPA的钾浓度正常灌注液经主动脉基础顺灌15min，通过测量左室变化压（LVDP）和心率血压乘积（RPP）来评估收缩功能。然后将灌注液中钾浓度升高到20 mmol/L停跳心脏。一旦心脏停跳，灌注方式调整为SARC灌注2 h。主动脉和冠状静脉窦的灌注压分别控制在60～80 mmHg和30～40 mmHg。应用近红外线图谱（NIRS）动态监测左室前壁的心肌含水量变化。同时持续采集整个心脏的31P MR图谱信号以动态观察DMMP、PPA、三磷酸腺苷（ATP）、磷酸肌酸（PCr）和无机磷酸盐（Pi）的含量变化。2 h SARC灌注结束后，仍应用正常钾浓度的灌注液复跳心脏。复跳期间再次测量LVDP和RPP以评价心脏功能。实验结束后称重心脏，计算心脏增加的重量。最后，将100 ml美兰注入左前降支（LAD）以明确左室前壁心肌组织。

    1.3  统计方法  应用All-Fit分析软件（IBD, NRC, Canada）处理31P MR图谱。数据用均数±标准差(±s )表示。t检验比较SARC灌注前后细胞内外容量、高能磷酸化合物含量以及收缩功能的变化。P< 0.05表示差异显著。

    2  结  果

    2.1  近红外线图谱和心肌重量测定  将近红外线图谱的最初8个信号的平均值定为初始值100％，然后用初始值的百分比表示每个时间点的含水量。2h SARC期间心肌水含量逐渐上升，SARC结束时，心肌含水量上升至其初始值的（160±12）％，见图1。另外，心脏重量在SARC后明显增加（43±4）%，水肿程度约为（54±5）％。近红外线图谱和心脏重量的改变均证实SARC期间发生了严重水肿。

    2.2  心肌磁共振图谱  由SARC期间心肌的典型31P MR图谱可知，DMMP和PPA在SARC期间均逐渐上升，表示心肌水肿时细胞总容积和细胞外容积都不断增加。而PCr、ATP和Pi的峰值在2 h SARC期间几乎保持不变。通过计算可知，2 h SARC导致细胞内、外容积同时增长，分别增长至各自初始值（100%）的（136±4）%和（154±8）%，见图2。同样，将SARC灌注开始时的PCr、ATP和Pi的各自初始峰值设定为100%，2 h SARC结束时PCr、ATP和Pi含量分别为其初始状态的（122±3）%、（92±7）%和（111±4）%，均未见显著性差异P> 0.05，见图3。

 2.3  心脏功能变化  SARC灌注前后的LVDP和RPP也未见明显差别，见图4。

    SARC灌注期间LAD的血流速度为（8.9±1.7）ml/min，氧分压为（282±10）mmHg。LAD注入美兰后确定的左室前壁心肌重量为（75±10）g。

    3  讨  论

    SARC常用于心脏手术中保护重症患者。但是SARC灌注能否引起严重的心肌水肿，从而妨碍心肌的能量代谢尚未可知。另外，SARC灌注对于心肌细胞内、外容量的影响也有待于证实。

    如前所述，2 h SARC灌注引起严重的心肌水肿。而且联合应用31P MR图谱和细胞间隙标志物（DMMP和PPA）已经证明SARC灌注引起细胞内、外容量同时增加。众所周知，冠状静脉压升高会导致毛细血管静水压升高［3］。根据Starling公式［8］，血管静水压上升会驱使水份进入组织间隙，从而导致间质水肿的发生。另外，心脏停搏液停跳心脏使心肌处于舒张状态，从而导致微血管滤过达到最大程度［9］。心脏停跳也会激活血管活性因子和激素物质的释放，使毛细血管通透性增加［10］。停跳期间，淋巴回流停止也会促进水肿［11］。还有人认为心脏停搏液引起的细胞水肿是由于氯化钾内流造成，因为去除氯离子可以防止组织水肿［10］。SARC期间的钾浓度为20 mmol/L，因此毛细血管静水压升高、心脏停搏液和高浓度的氯化钾协同造成了SARC期间的细胞水肿。

    众所周知，心肌的能量代谢主要依靠其所获得的氧供。基于灌注液中血红蛋白浓度为（51±1）g/L、氧分压为（538±25）mmHg和SARC期间LAD的血流速度（8.9±1.7）ml/min，计算得出SARC每分钟大约供给左室前壁心肌0.62 ml氧气。常温停跳状态下，猪心的氧耗率约为6.7 ml/(g·min)［12-13］。由该氧耗率和LAD注入美兰后确定的左室前壁心肌重量（75±10）g计算得出，左室前壁心肌的氧需求约为0.47 ml/min。因此，SARC的氧供给超过了左室前壁心肌的氧需求。结果31P图谱显示2 h SARC期间的含磷代谢产物的含量基本保持不变（图3）。另外，SARC灌注前后的LVDP和RPP未见明显差别（图4）也证明了SARC期间的心肌活性无明显变化。

    总之，2 h的SARC灌注能够导致细胞内、外容量同时增加，引起心肌水肿。但是，这个时限内的心肌水肿不影响心肌的能量代谢及收缩功能。再长时间应用SARC灌注能否破坏心肌代谢和功能尚需要更进一步的深入研究。

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