运动训练过程中,由于伴随不同程度的高于正常呼吸时的空气气流经过气道,带走大量水分使气道水分和热量丢失,这些物理刺激,一方面会导致肺功能发生相应的改变,另一方面,常常导致炎性介质释放,诱发支气管平滑肌痉挛,而形成运动性哮喘( exercise induced asthma,EIA) ,运动程度越剧烈,诱发哮喘的机会越多、病情也越严重,研究证明 64% 的 EIA患者其静息时肺功能是正常的,且从未有过哮喘发作的病史[1].本研究对不同强度运动后的大鼠采血进行动脉血血气分析,结合肺组织形态学的观察,以期探讨运动训练对肺功能和形态的影响.
1 材料和方法
1. 1 材料 实验动物由山西医科大学实验动物中心提供健康雄性、清洁级 18 月龄,体质量 200 ~250 g 的 Wistar 大鼠 40只( 由山西医科大学实验动物中心提供) 进行实验.饲养环境温度 20 ℃ ±2 ℃,相对湿度 45% ~55%.
1. 2 运动模型建立 圆形游泳池直径 150 cm,高 60 cm,水温保持在 25 ℃ ±1 ℃,以保证大鼠最长时间及最适状态下游泳.适应环境 1 周后,将大鼠随机分组,每组 6 只,对照组大鼠自由饮食,运动训练组大鼠进行不同强度的游泳运动训练,游泳运动方案: 大鼠在对照组的基础上给予连续 8 周游泳训练,每周训练 6 d,每天训练 1 次,第 1 周为适应性训练,低强度运动组第 1 d 游泳 5 min,此后逐日递增,到第 1 周末达到30 min; 中强度组第 1 d 游泳 10 min,此后逐日递增,到第 1 周末达到 60 min; 高强度组第 1 d 游泳 20 min,此后逐日递增,到第 1 周末每天游泳 120 min,3 组大鼠均维持第 1 周末的运动量直至第 8 周.实验过程中如发现大鼠有力竭表现时( 下沉后 10 s 不露出水面) 将其捞出水面休息 5 min 后,继续训练至结束.
1. 3 取材 低强度运动组( A 组) 游泳 30 min 后处死,低强度运动后休息组( B 组) 游泳30 min 后返回鼠笼24 h 后处死,中强度运动组( C 组) 游泳 60 min 后处死,中强度运动后休息组( D 组) 游泳60 min 后返回鼠笼24 h 后处死,高强度运动组( E 组) 游泳 120 min 后处死,高强度运动后休息组( F 组) 游泳 120 min 后返回鼠笼 24 h 后处死.
1. 4 肺功能和形态学观察 各组大鼠处死之前均采集股动脉血,分析血气变化; 处死后收集肺组织标本,经 4% 多聚甲醛固定后,梯度酒精脱水,石蜡包埋,切片机切片,切片厚度为4 μm,分别进行常规 HE 染色光学显微镜下观察和采用免疫组织化学进行肺组织中 CD44 和 CTGF 表达水平分析,兔抗大鼠 CD44 抗体和 CTGF 抗兔多克隆抗体均购自武汉博士德生物工程有限公司,严格按照试剂盒说明进行,DAB 室温下显色,镜下控制反应时间( 10 min) ,常规洗净,苏木素复染,中性树胶封片观察.采用图像分析系统在 400 倍光镜下每个切片采集 5 个完整的支气管横断面,根据阳性显色( 棕黄色) 的面积和深浅,图像分析软件自动测定各支气管壁阳性染色的光密度值,求其平均值作为各标本的光密度值以反应 CD44 和CTGF 的表达量.
1. 5 数据处理 采用 SPSS 14. 0 软件对数据进行统计分析.
2 结果
2. 1 动脉血血气分析 表 1 所示,对照组、低强度运动组( A组) 、中强度度运动组( C 组) 和高强度运动组( E 组) 大鼠在运动训练结束后,血气水平差异有统计学意义( P < 0. 01) .
与对照组相比,随着运动强度的增加,动脉血 pH 值出现逐渐降低的改变,意味着酸中毒的逐渐加重,相应的 PaCO2值逐渐增加,PaO2值逐渐降低; 而经过休息的低强度运动组( B组) 、中强度运动组( D 组) 和高强度运动组( F 组) 大鼠与相应强度运动组大鼠相比,血气分析指标明显改善,差异有统计学意义( P <0. 01) ,B 组、D 组和 F 组相比血气分析结果差异无统计学意义( P >0. 05) ,说明运动后经过适度的休息调整,可以改善肺功能,这种表现与病理组织镜观结果相吻合.
2. 2 肺脏组织 HE 染色的病理学变化 为了观察不同强度运动后伴随肺功能改变而出现的肺组织形态学的改变,对各组大鼠肺组织进行常规 HE 切片观察.可见对照组大鼠细支气管和肺泡结构清晰,肺泡内无渗出,间质有小灶性单核细胞浸润; 低强度运动组( A 组) 大鼠细支气管和肺泡结构清晰,肺泡内有少量渗出液及偶见红细胞,间质有灶性单核细胞浸润; 中强度运动组( C 组) 大鼠细支气管和肺泡结构不清晰,见较多红细胞和渗出液,间质性单核细胞浸润数量增多; 高强度运动组( E 组) 大鼠细支气管、肺泡管、肺泡囊、肺泡,肺泡壁变薄,部分肺泡腔扩大并破裂,红细胞和液体渗出明显,单核细胞浸润数量明显增多于 A 组和 C 组; 而低强度运动组( B组) 大鼠、中强度运动组( D 组) 大鼠和高强度运动组( F 组)大鼠细支气管和肺泡结构清晰,肺泡内无明显渗出物,间质有灶性单核细胞浸润.以上情况表明,肺组织结构的改变随着运动强度的增加而逐渐加重,休息后好转.
2. 3 肺组织 CD44 和 CTGF 的免疫组织化学表达 CD44 和CTGF 均主要表达在气道黏膜上皮细胞.如图 1 和图 2 ( 封3) 所示,与对照组相比,随着运动强度的增加,低强度运动组( A 组和 B 组) 、中强度运动组( C 组和 D 组) 以及高强度运动后休息组( F 组) 的 CD44 和 CTGF 表达均未出现明显异常,仅高强度运动组( E 组) 的大鼠肺组织可见 CD44 和 CTGF 表达增强.图像分析结果显示气道壁测定 CD44 和 CTGF 含量对照组、A 组、B 组、C 组、D 组和 F 组差异无统计学意义,E 组与对照组相比差异有统计学意义( P <0. 01) .
3 讨论
肺是机体和外界大气环境直接接触的门户脏器,肺泡是肺进行气体交换的物质基础,其形态结构的变化直接影响着气体交换的效率.在运动过程中肺依靠增强通气和弥散功能来适应暂时性低氧环境.本研究通过对不同强度运动训练后的大鼠进行血气分析和肺形态学观察发现,运动后肺损伤是存在的,随着运动强度的增加,这种损伤逐渐增强,动脉血pH、PaCO2、PaO2的改变与细支气管和肺泡的炎性改变具有一定程度的一致性,而随着适度休息的进行,肺损伤的功能和形态改变均恢复正常.本研究提示高强度的运动模式会造成比较严重的可逆性肺损伤.
呼吸膜是由肺泡表面活性物质 - Ⅰ型肺泡上皮 - 基膜及血管内皮细胞构成,在不同部位其厚度不一,O2和 CO2弥散速率也不一致,薄的地方阻力小,厚的地方阻力大.分析本研究的结果表明肺泡间质水肿、肺泡的炎性反应等即由于呼吸膜损伤所致,这必然影响气体交换,使气体弥散功能发生障碍.如果是力竭运动,肺泡内充满进入的大量液体,将导致肺泡壁扩张,以致破裂,从而完全失去呼吸作用[2].
为了进一步探讨不同强度运动是否与运动性哮喘有相关联系,我们采用免疫组织化学的方法进行了相关研究.CD44是细胞粘附分子中的重要成员,能够介导炎症细胞与内皮细胞间的粘附和跨内皮转运,在支气管哮喘气道炎症启动形成和慢性化过程中有着重要的作用,是哮喘发生的一种重要的炎症因子[3].CTGF 是一种多功能细胞因子,哮喘时 CTGF 表达明显增高,主要表达于气道上皮细胞,并且 CTGF 的表达强度与气道壁的胶原增生程度密切相关[4].本实验观察到除了高强度运动组( E 组) 大鼠出现明显的 CD44 和 CTGF 表达明显增加以外,别的实验组以及对照组均未出现异常改变( 图 1、图 2) ,这表明高强度的运动更易于并发运动性哮喘,这种结论在人的运动过程中亦有相关报道[5 -8].值得注意的是,高强度运动后经过休息 CD44 和 CTGF 表达与对照组相比没有显着性差异,或许是由于本研究使用的运动强度仍然总体偏小的缘故所致,增加运动强度进行相关的实验研究将会在后续实验组中陆续完成.
通过以上分析可见,随着运动强度的增加,大鼠肺功能与形态结构会出现不同程度的损伤,休息后好转; 高强度的运动在一定程度上增加了发生运动性哮喘的可能性.
[参 考 文 献]
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