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2018, 35(7):596-601.doi:10.13213/j.cnki.jeom.2018.18138

应用超声心动图评价PM2.5暴露对小鼠左心室形态和功能的影响


1. 复旦大学公共卫生学院环境卫生学教研室, 上海 200032 ;
2. 上海交通大学附属新华医院心内科, 上海 200092

收稿日期: 2018-01-29;  发布日期: 2018-08-02

基金项目: 国家自然科学基金项目(编号:91543119,81673125)

通信作者: 宋伟民, Email: wmsong@shmu.edu.cn  

作者简介: 曾雪娇(1991-), 女, 硕士生; 研究方向:环境毒理学; E-mail:

[目的] 探讨细颗粒物(PM2.5)的长期暴露对不同性别C57BL/6小鼠左心室形态和功能影响的差异。

[方法] 雌性和雄性C57BL/6小鼠各16只,随机分为PM2.5过滤空气组(对照)和PM2.5浓缩空气组(暴露),每组8只。利用"气象-环境动物暴露系统"进行PM2.5暴露,每天8 h,一周6 d,共16周。暴露结束后,异氟醚吸入麻醉小鼠,高分辨率小动物超声影像系统测定小鼠左心室收缩和舒张末期内径、左心室收缩和舒张末期容积、左心室收缩和舒张末期室间隔厚度、收缩末期和舒张末期左心室后壁厚度、左心室质量等形态学指标,以及射血分数、左心室短轴缩短率、每搏输出量、心输出量、心率和RR间期等功能性指标。

[结果] 本次研究暴露仓内PM2.5的平均质量浓度为(152.12±68.89)μg/m3,对照仓内为(9.45±0.99)μg/m3。与对照组相比,暴露组雌性小鼠左心室舒张末期内径[(3.03±0.34)mm]、左心室收缩末期内径[(1.82±0.21)mm]、左心室舒张末期容积[(36.51±9.98)μL]、左心室收缩末期室间隔厚度[(0.93±0.23)mm]、每搏输出量[(26.23±7.58)μL]、左心室质量[(54.85±15.35)mg]、心输出量[(13.47±4.16)mL/min]的水平均降低(P < 0.05),对照组中各指标依次为:(3.69±0.37)mm、(2.47±0.37)mm、(58.41±14.16)μL、(1.21±0.15)mm、(36.08±7.64)μL、(80.52±20.82)mg、(21.05±7.41)μL;雄性小鼠PM2.5暴露后,左心室形态和功能未出现明显变化。当小鼠均暴露于过滤空气环境中时,除了心率和舒张末期左心室后壁厚度外,雌性小鼠和雄性小鼠各指标差异无统计学意义;当小鼠均暴露于浓缩空气环境中时,雌性小鼠的左心室收缩末期内径、左心室舒张末期内径、左心室收缩末期容积、左心室舒张末期容积、舒张末期室间隔厚度、左心室质量、每搏输出量、心输出量均低于雄性小鼠(P < 0.05)。

[结论] PM2.5暴露是影响左心室形态和功能的一个潜在危险因素,长期暴露对雌性小鼠左心室形态有较大影响。

关键词: 细颗粒物;  超声心动图;  小鼠;  性别;  左心室 

空气污染是一个重大的公共卫生问题, 其中细颗粒物(fine particulate matter, PM2.5)污染导致的疾病负担高居全球排名前十之内[1]。PM2.5是颗粒物的一种, 能够吸附各种有毒有害物质, 易于在肺部沉积并进入血液循环, 对人群健康产生严重不利的影响, 近年来备受关注。

大量流行病学和毒理学研究表明, PM2.5污染与心血管疾病高度相关[2-4]。不同原因引起的左心室舒缩功能减退是慢性心功能不全的重要表现。研究表明, 女性慢性心功能不全患者的长期预后要好于男性[5]。PEI等[6]用超声心动图发现, PM2.5急性暴露未导致雄性C57BL/6小鼠的左心室形态和功能发生明显改变。但关于PM2.5长期暴露对左心室的影响如何, 性别之间是否存在差异, 相关报道鲜见。因此, 本研究用毒理学方法初步探索PM2.5长期暴露对不同性别小鼠左心室形态和功能的影响。

1   材料与方法

1.1   动物及处理

6~8周龄、清洁级雌性和雄性C57BL/6小鼠各16只(雌性体重15~18 g、雄性体重18~21 g), 购自上海杰思捷实验动物有限公司, 合格证号: SCXK(沪2013-0006)。购回后饲养于复旦大学医学院实验动物部清洁级动物房内, 室内温度设置为(22± 2) ℃, 相对湿度为60%, 人工调节昼夜节律为12 h, 标准饮食喂养。每类小鼠随机分为2组, 每组8只, 分别设为雄性对照组和暴露组, 雌性对照组和暴露组。两组小鼠采用"气象-环境动物暴露系统"(浙江求是, 中国)分别暴露于PM2.5过滤(对照组)和浓缩空气中(暴露组), 每天8 h, 每周6 d, 共16周。所有实验均经过复旦大学实验动物伦理委员会批准。

1.2   PM2.5浓度测定

小鼠的暴露时间为2016年9月-2017年1月, 共计16周。"气象-环境动物暴露系统"可分别对外界环境中PM2.5进行5~10倍的浓缩和高效过滤, 实验期间该装置的PM2.5浓缩或者过滤条件保持不变, 利用pDR-1500个人颗粒物监测仪(Thermo, 美国)实时监测并通过电脑终端记录浓缩和过滤后的PM2.5质量浓度(下称浓度)。

1.3   超声心动图测定

暴露结束后, 使用异氟烷气体吸入麻醉小鼠, 用Vevo 770高分辨率小动物超声影像系统(Visual Sonics, 加拿大)测定小鼠的左心室功能和形态。二维超声心动图的取样线通过显示有二尖瓣腱索的左室, 再用M型超声测定左心室室腔的大小和室壁的厚度。采集图像为单帧图像, 通过设备自带测量软件或后台测量工作站进行测量。各测量数据均取6~8个心动周期的均值。

测量的左心室形态指标包括:左心室舒张末期室间隔厚度、左心室收缩末期室间隔厚度、左心室舒张末期内径、左心室收缩末期内径、舒张末期左心室后壁厚度、收缩末期左心室后壁厚度、左心室舒张末期容积、左心室收缩末期容积和左心室质量; 左心室功能指标包括:射血分数、左心室短轴缩短率、每搏输出量、心输出量、心率和RR间期。

1.4   统计学分析

应用Excel 2016进行数据的输入, SPSS 19.0进行统计分析, 计量资料以x±s表示, 两组间的比较使用独立样本t检验, 检验水准α=0.05。

2   结果

2.1   大气PM2.5暴露浓度变化

图 1为各周空气浓缩或过滤后PM2.5浓度均值。其中, 对照仓内PM2.5平均浓度为(9.45± 0.99)μg/m3, 暴露仓内PM2.5平均浓度为(152.12± 68.89) μg/m3。过滤仓的PM2.5浓度低于WHO的最低标准(10μg/m3), 属于无污染水平; 而浓缩后PM2.5的浓度达到我国大气质量日平均浓度二级标准的2倍以上, 属于中等污染水平。

图 1

过滤(A)及浓缩(B)后PM2.5浓度变化情况

2.2   小鼠左心室的超声图谱

图 2为二维超声下小鼠(雄性对照组)左心室短轴切面取样线通过显示有二尖瓣腱索的左心室图像。图 3显示各组小鼠收缩期和舒张期室间隔厚度、左心室内径和左心室后壁厚度等形态变化, 从图中可以看出雌性小鼠PM2.5暴露后室间隔的厚度、左心室内径及左心室后壁厚度减小, 而雄性小鼠PM2.5暴露后左心室形态变化不明显。

图 2

雄性对照组小鼠左心室短轴切面取样线

图 3

不同组小鼠M型超声心动图

2.3   小鼠心脏的超声形态和功能

在麻醉状态下测定的C57BL/6小鼠各指标显示:与雌性对照组比较, 雌性暴露组小鼠左心室收缩末期内径、左心室舒张末期内径、左心室舒张末期容积、左心室收缩末期室间隔厚度、左心室质量和每搏输出量、心输出量均降低(P < 0.05);与雄性对照组比较, 雄性暴露组小鼠各指标的差异均无统计学意义。见表 1

表1

不同组小鼠左心室的功能和形态学指标变化(x±s

Table1.Left ventricular functional and morphological measurement results of mice in different groups

雌性和雄性小鼠均暴露在过滤空气中时(对照组), 两组间心率和舒张末期左心室后壁厚度的差异有统计学意义(P < 0.05):雌性小鼠的心率高于雄性小鼠, 舒张末期左心室后壁厚度低于雄性小鼠。暴露于浓缩空气(暴露组)的雌性小鼠的左心室收缩末期内径、左心室舒张末期内径、左心室收缩末期容积、左心室舒张末期容积、左心室舒张末期室间隔厚度、左心室质量、每搏输出量、心输出量均低于雄性暴露组小鼠, 差异具有统计学意义(P < 0.05)。见表 1

3   讨论

本次研究使用"气象-环境动物暴露系统"由复旦大学公共卫生学院、上海长三角环境气象预警预报中心和美国俄亥俄州立大学共同建设完成。该实验室的原理是经装置过滤了PM2.5的空气进入对照仓中, 对照仓空气中不含有PM2.5; 经装置浓缩了PM2.5的空气进入暴露仓中, 通过浓缩设备可使暴露仓中PM2.5的浓度比外界空气中实际PM2.5的浓度高1~10倍。所以暴露仓和对照仓中空气相比, 空气中其他成分和状态等都完全相同, 只有PM2.5的浓度不同。暴露仓中的实验动物通过呼吸吸入浓缩的PM2.5, 与人类实际接触大气PM2.5的方式非常相似, 所以该套装置可以较好地模拟人体PM2.5真实暴露状态, 观察PM2.5对机体的短期或长期毒性。本研究用高分辨率超声系统获得不同性别C57BL/6小鼠M型超声心动图, 测定小鼠左心室形态和功能的血流动力学参数。综合分析显示, PM2.5长期暴露对雌性小鼠左心室形态产生的影响较大, 但尚未导致功能出现明显变化。

本次研究发现, 暴露仓内雌性小鼠左心室舒张末期容积和内径变小, 并且左心室收缩末期内径、左心室收缩末期室间隔厚度和每搏输出量降低, 说明PM2.5暴露可致雌性小鼠左心室部分舒张和收缩功能减退。直接反映左心室功能的指标主要为射血分数和心输出量, 本实验结果显示仅雌性小鼠PM2.5暴露后心输出量降低, 说明PM2.5的长期暴露对心脏功能的整体影响较小。YANG等[7]通过对671名弗兰德人长期低水平的空气污染(包括PM2.5、可吸入颗粒物和二氧化氮)暴露研究发现, 空气污染与左心室结构和功能无统计学关联。这与本次研究结果中雄性小鼠PM2.5长期暴露后左心室形态和功能未出现明显变化相一致, 但与雌性小鼠左心室结构的变化存在差异, 可能原因是不同地区PM2.5的主要成分不同, 所致效应各异。此外, KAPUKU等[8]通过对121名健康青少年的研究发现, 与男性相比, 女性的体质量指数更高、心率更快、左心室相对室壁厚度更大、早期和晚期充盈速度之比更低, 这就使得女性早期舒张功能不全的可能性更大。STRÖMBERG等[9]在早期也曾得出相同的结论。说明影响不同性别心功能差异的潜在危险因素可能在生长早期就形成了。

本研究显示:在过滤空气暴露环境中, 雌性和雄性小鼠的左心功能和形态指标相接近; 而在PM2.5暴露的环境中, 雌性小鼠的左心功能和血流动力学参数整体低于雄性小鼠, 说明雌性小鼠对PM2.5暴露可能更敏感。目前, 未有涉及性别对PM2.5导致心功能变化易感性分析的研究, 但陈仁杰[10]对我国大气污染健康效应的易感性分析发现, 上海PM2.5对女性的健康损害效应要强于男性。心室顺应性是指心室最大舒张的能力, 雌性和雄性对照组小鼠的左心室舒张末期容积和心输出量的差异没有统计学意义, 但雌性暴露组小鼠的左心室舒张末期容积和心输出量均低于雄性暴露组小鼠, 说明PM2.5的暴露可以使雌性小鼠的左心室顺应性减退。

本次研究中使用的高分辨率小动物超声影像系统具有对小鼠心脏进行二维超声图像采集、多普勒血流速度测量、心脏M型超声检测、解剖型心动周期重建及心功能分析等作用, 能够无创实时连续进行小鼠活体结构及功能的观察和细微构造分析, 准确反映小鼠左心室的形态, 对于心血管系统疾病的研究有重大作用。古志明[11]比较了心肌磁共振成像、核素心肌灌注显像和二维超声心动图在测定左心室功能上的差异, 发现二维超声心动图成像的准确性低于心肌磁共振成像和核素心肌灌注显像, 不能直接作为临床诊断标准, 但具有积极的参考作用。TOPS等[12]认为二维超声心动图检测左心室舒张功能不如三维超声心动图测量结果准确。因此, 本研究数据可能会略微低估小鼠左心室实际功能状况, 但利用同一检测仪器能如实反映出各组小鼠之间的差异的相对变化情况。综上所述, 大气PM2.5长期暴露会导致雌性小鼠左心室部分形态改变和顺应性降低, 对雄性小鼠的左心室无明显影响。

图 1

过滤(A)及浓缩(B)后PM2.5浓度变化情况

Figure 1 PM2.5 concentration changes in filtered air (A) and concentrated air (B)

图 2

雄性对照组小鼠左心室短轴切面取样线

Figure 2 Left ventricular short axis section sampling line of male control mouse

图 3

不同组小鼠M型超声心动图

Figure 3 M-mode echocardiography of mice in different groups

[注]A:雌性对照组;B:雌性暴露组;C:雄性对照组;D:雄性暴露组。LVIDs:左心室收缩末期内径;LVIDd:左心室舒张末期内径;IVSs:左心室收缩末期室间隔厚度;IVSd:左心室舒张末期室间隔厚度;LVEDVs:左心室收缩末期容积;LVEDVd:左心室舒张末期容积;LVPWs:收缩末期左心室后壁厚度;LVPWd:舒张末期左心室后壁厚度;SV:每搏输出量;EF:射血分数;FS:左心室短轴缩短率;CO:心输出量;HR:心率。 [Note] A: Female control group; B: Female exposure group; C: Male control group; D: Male exposure group. LVIDs: left ventricular end systolic diameter; LVIDd: left ventricular end-diastolic diameter; IVSs: Interventricular septal thickness of left ventricular end-systole; IVSd: interventricular septal thickness of left ventricular end-diastole; LVEDVs: left ventricular end-systolic volume; LVEDVd: left ventricular end-diastolic volume; LVPWs: left ventricular end-systolic posterior wall thickness; LVPWd: left ventricular end-diastolic posterior wall thickness; SV: stroke volume; EF: ejection fraction; FS: factional shortening; CO: cardiac output; HR: heart rate.
表1

不同组小鼠左心室的功能和形态学指标变化(x±s

Table 1 Left ventricular functional and morphological measurement results of mice in different groups

参考文献

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LIM S S, VOS T, FLAXMAN A D, et al. A comparative risk assessment of burden of disease and injury attributable to 67 risk factors and risk factor clusters in 21 regions, 1990-2010:a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2010[J]. Lancet, 2012, 380(9859):2224-2260.

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http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10246-1014446788.htm

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[基金项目] 国家自然科学基金项目(编号:91543119,81673125)

[作者简介] 曾雪娇(1991-), 女, 硕士生; 研究方向:环境毒理学; E-mail: xjfdzeng@163.com

[收稿日期] 2018-01-29 00:00:00.0

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