文摘
慢性缺氧的影响(CH)呼吸道肌肉知之甚少。本研究的目的是检查CH对呼吸道肌肉结构和功能的影响,并确定一氧化氮是否涉及呼吸肌肉适应CH。
雄性Wistar鼠暴露在CH 1 - 6周。胸骨舌骨的隔膜肌肉收缩性能、肌肉纤维类型和大小、纤维的密度表达石棺/内质网calcium-ATPase (SERCA的)2和钠钾atp酶(Na+K+腺苷三磷酸酶)泵内容确定。肌肉琥珀酸脱氢酶(SDH)和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)脱氢酶活动也被评估。急性和慢性的封锁一氧化氮合酶(NOS)是用来确定是否没有非常参与了CH肌肉的功能改造。
CH改善隔膜,但不是胸骨舌骨的,疲劳耐受时间的方式。这种适应不是由于SDH或NADPH脱氢酶活动增加。肌肉纤维的面密度和相对面积纤维表达SERCA2持平。Na+K+腺苷三磷酸酶显著增加在CH隔膜泵内容。慢性NOS抑制减少隔膜Na+K+腺苷三磷酸酶泵内容和阻止CH-induced增加肌肉耐力。
这项研究提供了新颖的见解CH-induced肌肉可塑性的机制。结果可能是相关的呼吸系统疾病的特点是CH,如慢性阻塞性肺疾病。
骨骼肌有巨大的改造能力,明显在各种生理和病理生理学的设置。慢性缺氧(CH)、呼吸道疾病的特征,影响骨骼肌结构和功能。改变包括毛细现象的变化(1,2),纤维尺寸和分布(3- - - - - -10),氧化能力(5,6,11,12)和收缩性能(5,9,13- - - - - -16]。CH引发反射换气过度。因此呼吸肌肉是独一无二的,他们必须增加他们的工作量的减少氧的可用性、有氧新陈代谢所必需的。呼吸肌肉重塑是慢性阻塞性肺病(COPD)的特征(17- - - - - -27),这可能是低氧适应的结果。令人惊讶的是,有一种普遍缺乏的信息关于CH对呼吸道肌肉结构和功能的影响,尽管临床意义。平移的动物模型允许检查CH对骨骼肌的影响独立于其他混杂因素在疾病。此外,他们允许彻底的探索支撑肌肉适应的分子机制。因此,本研究的主要目的是进行全面的评估呼吸肌肉属性在CH的动物模型。
我们试图检查CH对老鼠的影响呼吸泵和上呼吸道肌肉收缩和耐力属性,纤维类型和大小,氧化酶活性,相对面积纤维表达石棺/内质网钙腺苷三磷酸酶(SERCA的)2和钠钾atp酶(Na+K+腺苷三磷酸酶)泵的内容。serca的负责骨骼肌的能量消耗很大一部分仅次于肌球蛋白atp酶。肌肉耐力与SERCA的功能,特别是SERCA2同种型(28],fast-to-slow SERCA的转换被报道在慢性阻塞性肺病隔膜29日]。Na+K+腺苷三磷酸酶泵扮演一个动态维护的肌细胞兴奋性收缩活动期间(30.,31日]。Na+K+腺苷三磷酸酶泵功能极其的可塑性,容易适应各种各样的刺激,包括激素、电解质、饮食、收缩活动和缺氧(32]。骨骼肌表达这三个亚型的一氧化氮合酶(NOS)和一氧化氮参与骨骼肌适应在健康和疾病。因此,探索是否没有非常参与CH-induced呼吸肌肉的可塑性。是提出:1)CH影响时间的方式呼吸肌肉功能;2)CH导致呼吸道肌肉结构和代谢的调整导致功能改造;3)CH改变呼吸肌肉Na+K+腺苷三磷酸酶内容;和4)号抑制防止CH-induced功能可塑性呼吸肌肉。
方法
全部细节的方法在网上提供的补充材料。
动物
在72只成年雄性Wistar鼠实验研究。CH组放置在一个低比重的室1 - 6周在380毫米汞柱(环境氧张力∼80毫米汞柱,相当于吸入氧气比例为10.5%)。年龄和weight-matched并行控制动物举行了在环境大气压力(∼760毫米汞柱)。
CH对呼吸道肌肉功能的影响
老鼠被暴露于normoxia或CH 1, 2, 3 - 6周。胸骨舌骨的测定和隔膜肌肉收缩和耐力属性在体外。呼吸和肢体肌肉常氧和CH动物快速冷冻和储存在-80°C。
SDH和降低NADPH脱氢酶组织化学在呼吸和肢体的肌肉
琥珀酸脱氢酶(SDH)和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)脱氢酶活动的呼吸和肢体肌肉测定。常氧和CH肌肉部分并行处理。
肌凝蛋白重链在呼吸和肢体肌肉免疫组织化学
间接免疫荧光法进行确定肌球蛋白重链(MHC)同种型构图。常氧和CH肌肉部分被孵化的鸡尾酒主要抗体靶向MHC 1型,2 a和2 b纤维或主要抗体针对所有亚型但MHC类型2 x。
在隔膜肌肉SERCA的免疫组织化学
间接免疫荧光法测定了SERCA2对碘氧基苯甲醚在常氧和CH膜片。
测量的内容3H]乌本苷结合位点和Na+K+和Ca2 +在肌肉
呼吸和肢体肌肉Na的内容+K+腺苷三磷酸酶泵α2同种型决心使用vanadate-facilitated [3H]乌本苷绑定方法[33,34]。此外,肌肉Na+K+(火焰光度法)和Ca2 +(原子吸收分光光度法)测定的内容。
慢性NOS抑制对隔膜肌肉结构和功能
在一个单独的一系列实验,结构和功能评估进行隔膜肌肉从大鼠长期治疗Nω硝基-l -精氨酸(l-NNA;2毫米在饮用水),开始前3天normoxia或CH治疗和持续六周治疗期。
数据分析
具体力计算牛顿每平方厘米的肌肉横截面积(CSA)。疲劳公差决定。为了确定SDH和NADPH脱氢酶活动,肌肉部分的光学密度计算使用接穗图像™软件(Scion公司,弗雷德里克,医学博士,美国)。免疫荧光分析、细胞™软件(奥林巴斯生命科学显微镜,德国慕尼黑)是用于数字图像和数值计算分析和磁录密度和CSA MHC纤维类型。包含SERCA2隔膜纤维的相对面积计算。所有数据都是平均每个动物在计算组的意思。数据表示为±扫描电镜。比较跨组织的数据单向(缺氧),双向(缺氧×药物)或三方(缺氧药物××频率或时间)方差分析。在适当的时候使用未配对t相比一些数据集。在所有的测试中,p值< 0.05为重要的。
结果
体重、血细胞压积和右心室质量
CH暴露为1、2、3和6周显著减少体重比与常氧对照组(表1在线补充材料)。血细胞压积和右心室质量明显提高低氧组(表1在线补充材料)。左心室质量(正常体重)是影响CH(数据没有显示)。
肌肉生理学
的影响在胸骨舌骨的CH(1 - 6周)和隔膜抽搐和峰值强直,收缩时间和half-relaxation时间所示表2在线的补充材料。为期6个月的数据暴露中所示表1。CH force-frequency关系没有显著影响胸骨舌骨的,但是CH隔膜肌肉力量下降(表1在线补充材料;图1的在线补充材料)。胸骨舌骨的肌肉耐力(CH没有影响图1)(图2的在线补充材料)。相反,CH隔膜耐力增加(图1)(无花果。2和3的在线补充材料)。改善疲劳的大小6周后,宽容是最大的CH (图2的在线补充材料)。
![图1 -](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/37/6/1474/F1.medium.gif)
慢性缺氧(CH)对呼吸系统的影响肌肉疲劳,基于初始力,胸骨舌骨的和b)隔膜。数据意味着±扫描电镜所有组(n = 6)在成年大鼠暴露于6周normoxia或CH。*: p < 0.05与normoxia(未配对t检验)。
![图2 -](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/37/6/1474/F2.medium.gif)
肌球蛋白重链(MHC)在大鼠呼吸道肌肉免疫组织化学。Triple-labelling的肌肉纤维,b)常氧和c, d)慢性缺氧大鼠;a、c)隔膜;和b, d)胸骨舌骨的。使用间接免疫组织化学,MHC i型(蓝色),2型(红色)和2 b型(绿色)标记(合并图像)。注意,胸骨舌骨肌显示更高的MHC补充2 b型纤维比隔膜。酒吧= 200μm规模。
![图3 -](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/37/6/1474/F3.medium.gif)
隔膜石棺/内质网calcium-ATPase (SERCA的)2免疫组织化学。代表图像显示SERCA2-immunolabelled老鼠隔膜的肌肉纤维)常氧和b)慢性缺氧(CH)。酒吧= 100μm规模。c)组两组(n = 6)的数据表明,CH的磁录密度没有显著影响纤维表达SERCA2同种型。
MHC同种型成分和纤维形态测量学
代表MHC免疫荧光图像所示图2。CH数值增加密度的MHC i型纤维隔膜,但这未能达到统计学意义(33±2与39±3%;p = 0.09(未配对t检验)。CH减少隔膜MHC 1型,2 x型和2 b型CSA (表2)。CH通常减少或没有影响纤维辅导其他肌肉分析,虽然2型肥大和2 x型观察纤维在胸骨舌骨的表2)。面密度对MHC protein-determined纤维类型所示表2。没有显著影响,CH面密度的纤维类型(表2),很少或根本没有胸骨舌骨的变化(表2)、比目鱼肌和趾长伸肌肌腱牵向前(EDL)肌肉(数据未显示)。
SERCA2免疫组织化学
没有显著差异表达SERCA2纤维面密度的控制和CH膜片之间图3)。
SDH和NADPH脱氢酶的活动
没有显著差异在SDH或NADPH脱氢酶活性之间的控制和CH呼吸肌肉(表3)。同样,CH并不影响肢体肌肉酶活性(数据没有显示)。光密度是最高的隔膜和最低胸骨舌骨(膜>比目鱼肌> EDL >胸骨舌骨的)。
Na+K+腺苷三磷酸酶泵内容和隔膜肌肉离子含量
CH导致隔膜(显著增加图4)和EDL Na+K+腺苷三磷酸酶泵内容,但没有影响泵在胸骨舌骨的内容和比目鱼肌(表3在线补充材料)。CH显著增加K+隔膜的内容(表4)。
隔膜肌肉钠钾atp酶(Na+K+腺苷三磷酸酶)泵的内容。数据意味着±扫描电镜乌本苷结合位点入住率(基于湿重)在大鼠暴露于6周的normoxia或慢性缺氧(CH)和没有慢性一氧化氮合酶抑制Nω硝基-l -精氨酸(l-NNA;2毫米在normoxia饮用水或CH治疗)。双向方差分析(缺氧×药物)显示缺氧和药物治疗的重要影响。没有显著的交互作用(p = 0.1)。*:p < 0.05与normoxia (Bonferroni因果测试;每组)n = 5 - 6。
慢性NOS抑制对膜结构和功能的影响
慢性抑制NOS在常氧峰值降低,但不是CH,横隔膜(图4在线补充材料)。慢性NOS封锁对隔膜氧化能力没有影响。没有重大影响的慢性NOS抑制隔膜MHC面密度测量。慢性NOS抑制并不影响CH-induced萎缩隔膜1型和2型x纤维(表4在线补充材料)。然而,慢性NOS抑制减少隔膜Na+K+腺苷三磷酸酶泵内容(图4)和防止CH-induced增加疲劳公差(图5)。
慢性缺氧的影响(CH)隔膜肌肉疲劳指数。数据意味着±扫描电镜大鼠暴露于6周normoxia或CH有无慢性一氧化氮合酶抑制Nω硝基-l -精氨酸(l-NNA;2毫米在normoxia饮用水或CH治疗)。双向方差分析(缺氧×药物)显示缺氧的显著影响,但并不是药物,治疗。互动是很有意义的。*:p < 0.05与normoxia (Bonferroni因果测试;每组)n = 5 - 6。
讨论
本研究的主要结果是:1)CH改善隔膜肌肉耐力;2)CH-induced呼吸肌肉的肌肉可塑性是时间和差异表达;3)CH不会增加隔膜SDH或NADPH脱氢酶活动;4)CH不改变呼吸或肢体MHC区域密度;5)CH不会增加膈纤维表达的相对面积SERCA2;6)CH增加Na+K+腺苷三磷酸酶在隔膜泵内容;和7)慢性NOS封锁减少隔膜Na+K+腺苷三磷酸酶内容和防止CH-induced功能改造的隔膜。
CH-induced功能改造
很少有研究了CH对呼吸肌肉的影响(13- - - - - -16),这是令人惊讶的因为改变呼吸肌肉功能在高度或疾病的特点是缺氧可能影响呼吸道内稳态。CH隔膜力下降,寻找符合一些(13,14),但没有其他报告15,16]。CH提高隔膜的耐力,这与以前的研究结果(13,15,16]。它可以推测,缺氧的强度差异的挑战,以及采用的实验范式的差异研究肌肉功能时,贡献,至少在某种程度上,这种明显的差异。
CH在胸骨舌骨的微分效应和隔膜的功能。这些肌肉的不同结构和代谢可以解释为什么耐力增强的隔膜和胸骨舌骨的。似是而非,减少氧的可用性触发适应性机制骨骼肌的高氧化能力,因为这些肌肉严重依赖氧气产生能量。相比之下,扰动在氧气供应肌肉氧化能力较低可能不会引发这类自适应机制。有趣的是要注意,CH微分的影响也报告发生了肢体肌肉不同结构的表型(5,15]。这表明,CH对肌肉功能的影响可能依赖于内在结构、代谢和生理功能的个人肌肉类型。
是提出功能改造会逐渐在CH暴露时间的方式,和本研究的结果支持这一观点。CH在胸骨舌骨的微分效应的原因和隔膜肌肉耐力仍不清楚,但根据目前的发现与慢性号封锁(见下文),fibre-specific NOS表达和活性的差异可能是一个因素35- - - - - -37]。在快速氧化纤维NOS活性最高,多丰富的隔膜比胸骨舌骨的肌肉。因此,隔膜可能拥有一氧化氮功能改造能力大于其他肌肉。
CH-induced结构改造
有一个缺乏信息关于CH呼吸肌肉结构的影响。Mortola和Naso38]报道在老鼠的隔膜和肢体肌肉纤维转换后9个月,而不是60天,CH。别人没有记录CH对成人的影响隔膜肌肉纤维(15]。在目前的研究中,数值MHC类型1和类型2 b纤维密度增加。然而,由于纤维变化CSA, CH没有影响MHC面密度的隔膜。
CH导致纤维隔膜的萎缩。萎缩或没有变化是在肢体肌肉纤维,但CH肥大引起的快2 a和2 x的胸骨舌骨的纤维。一般来说,动物和人类的文学研究CH纤维类型学和形态学的影响相当不安。微分响应机制的肌肉纤维CH是复杂的,不太为人所知,并不是本研究的主要焦点。
SDH活性量化索引的氧化能力。发现CH对SDH活性没有影响隔膜(或任何肌肉研究),这表明非氧化因素可能有助于改善疲劳公差在目前的模型。然而,应该注意的是,其他关键氧化的酶的活性可能增加了CH隔膜没有测量。
这是猜测,纤维的相对面积表达SERCA2 CH膜会增加。目前的数据显示,然而,之间没有显著差异常氧和CH肌肉。这是与在大鼠肺气肿模型的发现一致(39]。SERCA2活动并不是衡量,这可能增加了CH隔膜。然而,half-relaxation时间,这是由SERCA的活动,在CH隔膜不变。因此SERCA的泵内容和活动是最可能不变。
Na+K+腺苷三磷酸酶泵
本研究首次表明,CH增加Na+K+腺苷三磷酸酶在隔膜肌肉泵的内容。发现Na+K+腺苷三磷酸酶泵内容增加了CH∼24%隔膜。CH也反伊斯兰教英国防御联盟泵含量升高,但没有引起胸骨舌骨的变化和比目鱼肌的肌肉一样的动物。一项研究报道减少Na+K+在人类股外侧肌腺苷三磷酸酶泵内容暴露在高度为3周(40]。有趣的是,同一组发现,当执行运动在缺氧环境中,泵的内容也抑郁(41]。很难调和为什么泵内容增加一些CH老鼠的肌肉,但却降低了在人类肌肉缺氧。这可能与物种差异或可能是依赖于低氧暴露的持续时间和严重程度的差异,除了这些肌肉的内在结构的差异。全面评估呼吸和肢体肌肉的结构进行比较,以确定CH-induced结构改造被肌肉活动的影响。它可以认为Na的增加+K+腺苷三磷酸酶在CH隔膜泵内容是次要的活动增强肌肉由于CH-induced换气过度。这是符合重复的报道training-induced upregulation Na+K+腺苷三磷酸酶在骨骼肌泵30.,31日]。然而,泵内容明显升高在EDL在目前的研究中,建议增加是由于缺氧的直接影响本身。
因为大多数纤维的CH膜萎缩,这可能是认为的增加肌肉表面area-to-volume比率占Na的增加+K+腺苷三磷酸酶泵内容。为了进一步探讨它,整个肌肉和fibre-specific表面area-to-volume比率计算,确定CH原因增加了13%(从71487年到80955年μm的意思2·毫米−3整个隔膜area-to-volume率)。因此,增加Na+K+腺苷三磷酸酶CH隔膜泵含量(24%)可能是由于伴随增加sarcolemmal area-to-volume比率。有趣的是要注意,在CH EDL泵含量增加了11%,总共没有改变肌肉表面area-to-volume比率(-1.6%)。因此,当表面area-to-volume调整占,CH的影响呼吸和肢体肌肉Na+K+腺苷三磷酸酶泵内容是等价的。
增加钠+K+腺苷三磷酸酶泵内容可能促进适应低氧环境中通过支持最优肌肉功能必不可少的呼吸道内稳态。这将是最有趣的决定Na+K+腺苷三磷酸酶泵在COPD患者呼吸肌肉内容和活动。
没有在CH-induced呼吸肌肉改造
号活动是由肌肉刺激,机械活动,锻炼和年龄,可以——或者在一系列的生理和病理生理条件下表达下调。骨骼肌号活动期间发生重大upregulation慢性运动训练大鼠与人类。暴露于低比重的近3个月的新生大鼠缺氧与内皮的upregulation NOS神经元(nNOS)水平和增加膈NOS活性(42]。慢性NOS封锁抑制骨骼肌适应长期耐力运动,并导致严重亏损步行速度在老鼠43]。此外,nNOS- / -老鼠显示减少肌肉耐力(44),和隔膜障碍是nNOS加剧了脂多糖后的挑战- / -小鼠与野生型控制(45]。各种组织的研究表明NOS表达和活动是由缺氧,但慢性NOS封锁CH肌肉功能的影响是未知的。这是推测慢性NOS抑制会减弱或阻止CH隔膜改造。我们推断CH-induced呼吸肌肉适应结构的基础上,没有非常相关。发现慢性NOS抑制显著降低隔膜Na+K+在常氧和CH老鼠腺苷三磷酸酶泵的内容。的兴趣,CH +l-NNA隔膜表面area-to-volume比率(81096μm2·毫米−3)相当于CH的隔膜,但是Na+K+腺苷三磷酸酶泵控制水平下降的内容(图4)。因此,显然,NOS抑制会使呼吸道肌肉Na+K+腺苷三磷酸酶泵表面area-to-volume无关的内容调整。号完全抑制抑制疲劳增加公差在CH隔膜,暗示没有CH膜的功能改造。目前的研究提供了新的数据表明没有一个监管作用调制Na+K+atp酶在大鼠呼吸道肌肉泵的内容。
摘要和结论
骨骼肌,包括呼吸的横纹肌,展示一个了不起的能力应对生理和环境挑战。在低氧适应,呼吸肌肉面临独特的挑战,必须克服为了确保维持体内平衡。平移模型强调了这样一个事实,即低氧信号可以作为触发最终形状的分子和细胞调整呼吸肌肉的性能。目前的研究表明CH Na增加有关+K+腺苷三磷酸酶在隔膜泵内容同时增加肌肉耐力。慢性NOS抑制减少隔膜Na+K+腺苷三磷酸酶泵内容和防止隔膜CH-induced增加耐力。这项研究提供了新颖的见解机制参与CH-induced肌肉改造。结果可能是相关的呼吸系统疾病的特点是CH,如慢性阻塞性肺病,呼吸肌肉重塑发生。
确认
我们感激t·克劳森(丹麦奥尔胡斯大学奥尔胡斯)初稿的关键评估目前的手稿。我们也感谢匿名评论者的手稿几个明智的建议,并特别感谢一位评论家吸引我们的注意力的问题表面area-to-volume比例调整改建肌肉。
脚注
可以从本文的补充材料www.www.qdcxjkg.com
支持声明
这项研究是由健康研究委员会(都柏林,爱尔兰;格兰特RP / 2006/140)和都柏林大学(UCD)医学院医学科学(健康科学中心,UCD,都柏林,爱尔兰)转化医学博士项目。j . Carberry收到UCD医学院,医学奖学金。R.A.奥康奈尔爱尔兰研究委员会资助的科学,工程和技术(都柏林,爱尔兰)。
感兴趣的语句
没有宣布。
- 收到了2010年5月21日。
- 接受2010年11月1日。
- ©2011人队