有氧运动协同骨髓干细胞动员对心肌梗死后心电图和血流动力学指标的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.19.002

摘要/Abstract

摘要：

背景：心电图和血流动力学是评价心功能康复的有效指标，目前已经证实有氧运动或骨髓干细胞动员单一因素干预均可对心肌梗死动物心电图和血流动力学产生良好影响，而二者联合干预对心电图和血流动力学指标的影响尚未见文献报道。
目的：探讨有氧运动联合骨髓干细胞动员对缺血心脏心电图和血流动力学部分指标的影响。
方法：结扎大鼠左冠状动脉前降支制作急性心肌梗死模型，心肌梗死运动组和心肌梗死运动动员剂组大鼠于造模后1周在电动跑台进行有氧运动训练，每周训练5 d，持续8周。心肌梗死动员剂组和心肌梗死运动动员剂组大鼠在造模后3 h皮下注射生理盐水稀释的重组人粒细胞集落刺激因子10 μg/(kg•d)，连续使用5 d。8周后检测心电图和血流动力学部分指标评价心功能。
结果与结论：心肌梗死大鼠左心室收缩压、左室内压最大上升速率和左室内压最大下降速率值均明显降低，左室舒张末压升高，提示心梗后心脏已发生心功能不全；心肌梗死运动组和心肌梗死动员剂组大鼠左心室收缩压、左室内压最大上升速率和左室内压最大下降速率值均有一定程度的升高，左室舒张末压有所下降，提示有氧运动和骨髓干细胞动员均能改善心梗大鼠心肌收缩和舒张功能；心肌梗死运动动员剂组大鼠心功能的各项评价指标更接近于正常对照组大鼠，说明有氧运动协同骨髓干细胞动员显著增强了大鼠心肌收缩性能，使心肌收缩/舒张功能都得到显著改善。

Abstract:

BACKGROUND: The electrocardiogram and hemodynamics are effective indicators for evaluation of cardiac function. It has been confirmed that aerobic exercise or bone marrow stem cell mobilization exert good effects on the electrocardiogram and hemodynamics of myocardial infarction animals, and their combination effects have not been reported.
OBJECTIVE: To investigate the effects of aerobic exercise combined with bone marrow stem cell mobilization on the electrocardiogram and hemodynamics of myocardial ischemia aniamals.
METHODS: Ligation of the rat left anterior descending coronary artery was done to make acute myocardial infarction models. Then, rats were divided into aerobic exercise, cell mobilization and combination group (aerobic
exercise+cell mobilization). At 1 week after modeling, rats in the aerobic exercise group and combination group were subject to aerobic exercise in electric treadmill, 5 days per week, totally 8 weeks. At 3 hours of modeling, the rats in the cell mobilization group and combination group were given subcutaneously normal saline-diluted recombinant human granulocyte colony stimulating factor, 10 μg/(kg • d), continuously for 5 days. After 8 weeks, electrocardiogram and part of hemodynamic indexes were detected for evaluation of cardiac function. RESULTS AND CONCLUSION: In rats with myocardial infarction, left ventricular systolic pressure and ±dp/dtmax were reduced significantly, but the left ventricular end diastolic pressure was increased, indicating cardiac insufficiency. An increase in left ventricular systolic pressure and ±dp/dtmax was found in the aerobic exercise and cell mobilization groups, but the left ventricular end diastolic pressure was decreased, indicating that both the aerobic exercise and bone marrow stem cell mobilization could improve the myocardial contraction and diastolic function. Rats in the combination group exhibited similar assessment indicators to normal control rats, indicating the combination of the aerobic exercise and bone marrow stem cell mobilization can strongly enhance the performance of myocardial contraction and myocardial systolic/diastolic functions are both improved significantly.

Key words: Bone Marrow Cells, Motion, Granulocyte Colony-Stimulating Factor, Myocardial Infarction, Hemodynamics

中图分类号:

R394.2

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图/表（结果） 3

2.1 实验动物数量分析共有49只SD大鼠参加实验，其中4只大鼠在心肌梗死手术中死亡，属于动物模型制备过程中的正常死亡现象，其余45只大鼠至8周实验结束后无死亡。另外大鼠在心肌梗死手术后共有2组18只进行了有氧运动训练计划，在实验过程中由于天气炎热，大鼠出现轻微疲劳现象，因此将运动时间由原来的上午11点调整为上午8点，调整后轻微运动疲劳现象消失。在实验过程中还发现，心肌梗死运动组和心肌梗死运动动员组大鼠在饮食、反应、毛发、睡觉等行为学方面，表现明显优于心肌梗死组，说明有氧运动和骨髓干细胞动员干预方法是正确和可靠的。
2.2 实验大鼠心电图指标变化实验结果显示，与正常对照组相比，心肌梗死组大鼠心率和T波电压显著降低，QRS波群间期和QT间期显著性延长；与心肌梗死组大鼠相比，心肌梗死运动组大鼠心率回升，但差异无显著性意义，QT间期降低，T波电压显著提高，而QRS波群间期无显著变化，心肌梗死动员剂组大鼠各项指标均有显著变化，心率和T波电压显著升高，QRS波群间期和QT间期显著降低；心肌梗死运动动员剂组大鼠各项指标均有显著变化，心率和T波电压显著升高，QRS波群间期和QT间期显著降低(图1，表1)。

2.3 实验各组大鼠血流动力学指标变化实验各组大鼠血流动力学监测结果显示，心肌梗死组大鼠与正常对照组比较，左心室收缩压、左室内压最大上升速率和左室内压最大下降速率值明显降低，左室舒张末压升高；与心肌梗死组相比，心肌梗死运动组大鼠左心室收缩压、左室内压最大上升速率和左室内压最大下降速率值均有一定增高，左室舒张末压有所下降，但差异无显著性意义；心肌梗死动员剂组左心室收缩压、左室内压最大上升速率和左室内压最大下降速率均显著高于心肌梗死组，而左室舒张末压显著降低；心肌梗死运动动员剂组大鼠心功能各项指标几乎接近于正常对照组大鼠，表明有氧运动协同骨髓干细胞动员后，显著降低了心肌梗死大鼠左室舒张末压，明显升高了左心室收缩压，增强了心肌收缩性能，使心肌收缩/舒张功能都得到显著改善(表2)。

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引言

材料方法

设计：有氧运动联合骨髓干细胞动员对心肌梗死大鼠心功能影响的实验研究。
时间及地点：实验于2011年9月至2012年8月在陕西师范大学运动生物学研究所和国家211工程大学重点建设实验室完成。
材料：
实验动物：3月龄雄性SD大鼠49只，购于西安交通大学医学院实验动物管理中心，动物质量合格证号：陕医动证字08-004号，体质量180-220 g，动物室内温度20- 29 ℃，相对湿度40%-50%，实验各组大鼠均用干燥饲料喂养，严格按照国家啮齿类动物标准执行，自由饮水和进食，分笼饲养，每笼7只。
实验方法：
心肌梗死动物模型制备：用生理盐水配置5%的戊巴比妥钠麻醉剂，按照大鼠体质量(30 μg/kg)腹腔注射，采用电子呼吸机连接呼吸面罩正压通气辅助其规律呼吸，待大鼠呼吸变得缓慢正常后，剪刀去胸部毛，手术刀开胸暴露心脏，整个手术过程均用心电图和血压仪监测是否有异常变化，同时观察结扎处心肌颜色变化。在左心耳和肺动脉圆锥间下缘2 mm处结扎左冠状动脉前降支，进针深度为0.3-0.5 mm。以心电图ST段弓背抬高，出现Q波或T波倒置现象，心肌颜色变白判断为结扎成功标志，手术成功后用7号针逐层缝合，缝合处滴入适当80×104 U的抗生素，防治皮肤感染，正常对照组不做任何手术处理[10]。

有氧运动协同骨髓干细胞动员心肌梗死大鼠的心电图和血流动力学实验所用主要试剂和仪器：
试剂和仪器	来源
重组人粒细胞集落刺激因子注射液	哈药集团生物工程有限公司
戊巴比妥钠	美国Sigma公司
动物电子辅助呼吸机	浙江大学医学院医学仪器实验厂
实验动物用3.0 kg电子称	浙江余姚市金诺天平有限公司
大鼠笼式电刺激5道实验跑台	安徽正华生物仪器设备有限公司
实验用6 mm聚乙烯导管	西安交通大学实验仪器与设备中心
RM6240多道生理信号采集处理系统	四川省成都仪器厂
ECG型小动物心电图机	深圳市凯沃尔电子有限公司
电子分析天平	上海奥豪斯国际贸易有限公司

动物分组：49只SD大鼠随机分为2组，正常对照组9只，模型组40只。心肌梗死手术后存活36只，再随机分为4组：心肌梗死组、心肌梗死运动组、心肌梗死动员剂组和心肌梗死运动动员剂组，每组9只。
有氧运动训练方案：心肌梗死运动组和心肌梗死运动动员剂组SD大鼠共18只，运动强度和时间严格按照Xu等[11-12]文献所报道的标准执行。训练具体方案为：大鼠在进行心肌梗死手术后1周开始训练，为了能使大鼠更好的适应跑台的训练强度和时间，起始训练速度为10 m/min，跑台坡度为5%，训练时间为10 min，速度逐渐增加至 16 m/min，运动时间持续至50 min(含起始训练时间10 min)；1周后起始训练时间缩短为5 min，其他参数均不变，以上训练方案每周5 d，训练至8周结束。大鼠在有氧运动过程中偶尔会出现与电动跑台不同步现象，及时采用小于< 1 mA的电刺激仪促使其与训练节奏同步，每天观察大鼠的一般状况，每4 d测量体质量以监控运动强度是否合理。
骨髓干细胞动员剂的给药剂量和方法：国内外大量文献报道，心肌急性缺血后数小时到48 h内释放大量的炎症因子(白细胞介素6、白细胞介素8等)，炎症因子可诱导少量干细胞动员，此时同时注入粒细胞集落刺激因子对骨髓干细胞的动员作用更强。目前研究证实皮下或肌肉注射粒细胞集落刺激因子动员骨髓干细胞与骨髓间充质干细胞移植治疗心肌梗死，其有效的细胞成分基本相同[13-15]。本实验骨髓干细胞动员剂选择了粒细胞集落刺激因子。具体给药方法为：心肌梗死动员剂组和心肌梗死运动动员剂组大鼠在进行心肌梗死手术后3 h按剂量给予生理盐水稀释的重组人粒细胞集落刺激因子(rhG-CSF，质量浓度为2 mg/L)皮下注射10 μg/(kg•d)，连续使用5 d；正常对照组同样在皮下注射等量生理盐水，共5 d，心肌梗死组大鼠则于左冠状动脉结扎手术后不作任何处理。
心功能评价指标的测定：实验结束后各组大鼠称质量经20%乌拉坦腹腔麻醉后，取仰卧位固定大鼠于手术台上，将心电图针电极插入四肢皮下，用肢体导联进行心电图检测。切开大鼠颈部皮肤，分离右颈总动脉，0.3%肝素抗凝(2 mL/kg)，用聚乙烯导管(内充盈生理盐水)经右颈总动脉逆行插管并记录颈总动脉血压，然后将插管送至左心室，另一端经压力传感器输入RM-6240多导生理记录仪，等左心室曲线波出现后，将导管连同右颈总动脉一并固定结扎，稳定10 min后测量各项指标。
主要观察指标：采用生理多导记录仪通过测试血流动力学指标评定心脏功能，血流动力学常用的指标有心率、左心室收缩压、左室舒张末压、左室内压最大上升速率、左室内压最大下降速率；ECG型小动物心电图机检测大鼠心电图各波段变化。
统计学分析：所有数据运用SPSS 17.0统计软件包进行处理。实验结果中所有数据以x(_)±s表示，多组间均数比较采用单因素方差分析，组间两两比较采用t 检验，显著性差异选择P < 0.05和P < 0.01水平。

讨论

3.1 实验各组大鼠心电图变化分析心电图作为反映心肌电活动的一项生理指标，能反映不同病理状态下心脏的电生理变化规律^[16]。目前国内外尚少见有学者对心肌梗死大鼠心电图的变化进行研究，关于心肌梗死后有氧运动和骨髓干细胞动员对心电图影响的文献报道更是少见。本实验选取临床心电图分析中几种常用指标，心率、QRS波群间期、QT间期和T波电压。其中QRS波群代表心室去极化产生的电位变化；QT间期代表心室去极和复极的总时间(即心室的电收缩时间)；T波代表整个心室复极的电位变化。本实验结果显示，心肌梗死大鼠心电图曲线变化为QRS波明显增宽，与抬高的ST段几乎融合形成单向的曲线，心率加快，左室心肌电收缩时间明显延长，影响了心肌电生理活动，造成传导延迟或阻滞，这也是心肌梗死模型成功的一个明显标志；与心肌梗死组相比，心肌梗死运动组大鼠心率减慢，QT间期及T波电压显著提高；从本实验结果分析，有氧运动减慢大鼠心率，从而提高心肌收缩舒张功能，增加心输出量，提高心功能；骨髓干细胞动员后，心肌梗死大鼠心电图的Q波变浅，QRS波群变窄，R波顶峰锐利，ST段回落。由此可见，骨髓干细胞动员对修复受损心肌和缩小梗死范围方面都起到了一定的促进作用；心肌梗死运动动员剂组大鼠心电图已接近于正常大鼠心电图，说明有氧运动协同骨髓干细胞动员对梗死大鼠受损的心肌修复能力更加显著。
3.2 实验各组大鼠血流动力学变化分析基础研究和临床上常采用血流动力学生理学指标的变化直接反映心脏功能的强弱。一般有左心室收缩压、左心室舒张末压、左心室内压力最大上升速率和左心室内压最大下降速率4个经典评价指标。左心室收缩压上升是心肌收缩力增强或外周阻力过大(血管弹性下降和高血压等)，由心脏后负荷引起室内压过大，是评价心功能最重要的指标。左室舒张末压是在左心室收缩功能减弱或容量负荷过度时升高，一般是由左心室前负荷引起，是病理性心脏的临床表现。左室内压最大上升速率变化是评价心肌收缩性能的金指标，此值下降一般代表心肌收缩力明显减弱。左室内压最大下降速率是评价心肌舒张功能的金指标，此值下降代表心肌舒张功能减弱[17]。
3.2.1 骨髓干细胞动员对心肌梗死大鼠血流动力学指标的影响近年来关于骨髓干细胞动员对心肌梗死大鼠心功能的影响文献报道越来越多。Duran等[18]采用药物自体动员骨髓干细胞或将培养的骨髓干细胞直接移植到实验动物梗死区，观察修复受损心肌的效果，结果表明，骨髓干细胞在心肌梗死与非梗死交界区表现出横向分化能力，伴随大量新生肌组织出现的同时，广泛建立与未损心肌间微循环，显著减小心肌梗死面积，心室舒张末压力得到改善，心室扩张程度减轻，实验动物病死率显著降低；同时心室射血分数逐渐提高，血流动力学测试指标明显改善，提示粒细胞集落刺激因子促进心肌细胞再生对心功能有很大影响，粒细胞集落刺激因子联合干细胞因子与单独应用比较对心肌梗死小鼠病死率影响接近，但是梗死面积减少了40%，室壁扩张程度下降了26%，左心室舒张末压下降了70%，实验证明左心室射血分数及血流动力学指标明显改善[19]。分析原因可能是急性心肌梗死后粒细胞集落刺激因子激活了机体的补体系统，促使中性粒细胞及淋巴细胞快速向梗死区聚集，释放活性氧介质，诱导细胞因子释放，增强内皮的细胞黏附分子1与中性粒细胞黏附，诱发细胞因子的级联反应，包括白细胞介素6、人粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子、干细胞因子等细胞生长因子的分泌动员并趋化骨髓干细胞归巢到梗死心肌组织[20]。诸多实验显示，急性心肌梗死后外周血干细胞在炎症因子的诱导下显著升高，峰值出现在心肌梗死后第5-7天，尽管组织或器官缺血缺氧引起的炎症反应，使得机体自身存在着骨髓干细胞的“归巢”现象，进而表现为损伤后出现修复反应，但远不足以达到修复组织的目的。研究发现，大鼠心肌梗死后及时予以粒细胞集落刺激因子动员，外周血干细胞是原来的4倍左右[21-22]，粒细胞集落刺激因子于用药5 d左右能使外周血干细胞达到峰值，心肌梗死后骨髓自体动员可以显著增加外周血中骨髓来源的干细胞数量，有利于骨髓干细胞归巢至受损心肌和周围区域参与心肌组织恢复，有效改善心功能。
目前，关于自体骨髓干细胞动员或定向培养后移植治疗缺血性心脏病的文献较多，干细胞疗法有效改善心脏功能的喜人效果已得到医学领域的广泛认可，其主要机制主要涉及到几个方面[23]：①骨髓干细胞动员了血液中内皮祖细胞的数量，使其归巢到心肌缺血边缘区域，增殖分化为新的毛细血管和小动脉，促使侧支血管循环形成，达到了血管再生目的，而再生的血管又改善了心肌梗死周边和梗死区尚存活心肌细胞的血液供应，心肌组织实质成分得到修复，从而改善心脏收缩功能，心脏功能显著提升。②骨髓干细胞分化为特有的心肌细胞，梗死心肌组织出现良性重塑，心肌实质成分和间质成分比例适当，心功能得到进一步明显提升。③骨髓间充质干细胞“归巢”至缺血心肌中分裂、增殖和分化为心肌间质成分，使心室壁弹性增强，减缓梗死区瘢痕继续硬化，缩小心肌梗死面积，从而限制心室过度扩张。④骨髓干细胞动员能更好地保护梗死边缘区心肌的组织结构，缩小梗死面积，改善左心室功能，从而降低大鼠死亡率。⑤基质金属蛋白酶在粒细胞集落刺激因子动员骨髓干细胞修复心肌组织，促进血管新生，改善心脏功能的过程中扮演着极其重要的角色，其机制主要是通过显著降解骨髓细胞外基质发挥控制细胞和组织有限增生，防治过度增殖的作用。外源性注入粒细胞集落刺激因子后骨髓和循环血液中炎症因子、中性粒细胞数量明显增多，活性增强；活化的中性粒细胞成为第二信使激活心肌细胞增殖的信号转导通路，促使细胞因子释放增多，心肌组织修复能力显著增强，同时细胞外间质成分过度增多，通过基质金属蛋白酶降解细胞外基质，达到细胞和组织修复的稳态。另一方面，骨髓干细胞动员可使循环血液中白细胞介素8水平升高，进一步刺激中性粒细胞释放基质金属蛋白酶9和基质金属蛋白酶2，降解细胞外基质，打破正常的髓血屏障，促使造血祖细胞向循环系统释放^[24]。
本文实验结果显示，心肌梗死组大鼠心脏血流动力学出现明显变化，与正常对照组相比，左心室收缩压值急剧下降，左心室舒张末压值显著升高，左心室内压最大上升速率和左室内压最大下降速率显著下降，提示心肌梗死大鼠的血流动力学指标急剧下降，心功能严重损害。可能是冠状动脉左前降支结扎手术后导致心肌组织缺血缺氧，心肌细胞大量坏死，心肌胶原增加，心肌间质成分异常增生，病理性心脏肥大，心肌产生恶性重塑，出现心功能代偿现象。心肌梗死动员剂组大鼠左心室收缩压、左心室内压最大上升速率和左室内压最大下降速率值显著上升，左心室舒张末压值显著下降，说明骨髓干细胞动员使心功能显著提升，病理性心肌重塑显著得到改善，可能是骨髓干细胞通过旁分泌和自分泌一些细胞因子促使梗死区固有干细胞增殖分化为心肌细胞，另外骨髓干细胞归巢到心肌梗死炎症区分化心肌细胞，以修复或维持受损的心肌组织，提高心功能。
3.2.2 有氧运动对心肌梗死大鼠血流动力学指标的影响在动物实验中，Leosco等^[25]对心肌梗死后心力衰竭的Wister大鼠进行为期10周的有氧运动训练。结果发现，心力衰竭安静对照组大鼠左心室胶原过度增生，左心室内径明显增大，射血分数显著降低，左心室舒张末压增大，且肺部出现严重的充血性堵塞现象，心肌细胞对外源性肾上腺素刺激的收缩反应变得迟钝，与心衰对照组相比，心力衰竭运动组大鼠心肌组织内血管内皮生长因子表达逐渐增加，同时梗死区动脉生成增多，冠脉血流明显提高，左心室内径减小，心肌细胞对外源性肾上腺素刺激的收缩反应增强。提示运动改善心力衰竭大鼠的心脏功能可能与肾上腺素受体(β1-AR)的上调有关。关于运动对心肌梗死后大鼠心室重构的影响，Waard等[26]在实验中得到了相类似的结果，同时发现，心肌梗死运动组大鼠心肌组织内cAMP和β1-AR水平显著性升高，而且发现心肌细胞内Na+/Ca₂₊交换水平也得到了明显加强。更进一步证实了运动对心肌梗死大鼠心功能改善与β1-AR水平关系密切。
在临床试验中，Zheng等^[27]对患有急性心肌梗死的30例患者长达6个月的康复锻炼计划，其中有3例患者由于身体不适没完成规定的康复计划，其余27例患者6个月后进行超声心动图检测。结果发现，运动组最大吸氧量VOmax的峰值获得了较大提高(P < 0.01)；左心室舒张末期的内径与对照组比较显著较少(P < 0.01)；左心室射血分数显著提高(P < 0.05)，而左心室收缩末期内径和左心室质量指数均没有显著差异。提示6个月的康复运动能够在一定程度上防治急性心肌梗死后早期的心室重构，有利于逐渐改善心功能。
本文研究结果显示，有氧运动后左心室收缩压、左室内压最大上升速率和左室内压最大下降速率有一定程度的回升，左室舒张末压有所下降，心脏收缩舒张功能得到改善。有氧运动能够适度改善心肌梗死大鼠的心功能，维持心脏的功能完整性和协调性；心肌梗死运动动员剂组大鼠心功能的各项指标变化几乎接近于正常对照组大鼠，表明有氧运动协同骨髓干细胞动员后显著降低了心肌梗死大鼠左室舒张末压，明显升高了左心室收缩压，使心肌收缩/舒张功能都得到显著改善。