采用植入式生理信號無線遙測系統(tǒng)記錄清醒大鼠自由活動狀態(tài)下胃的肌電信號

姚元生 鄭麗飛 朱進霞

(首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)與病理生理學(xué)系，北京 100069)

·基礎(chǔ)研究 ·

采用植入式生理信號無線遙測系統(tǒng)記錄清醒大鼠自由活動狀態(tài)下胃的肌電信號

姚元生 鄭麗飛 朱進霞*

(首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)與病理生理學(xué)系，北京 100069)

目的 為了減少麻醉對胃肌電活動的影響，優(yōu)化在體胃肌電活動的記錄方法，更好地反映自然狀態(tài)下胃肌電活動狀況，減小手術(shù)操作對動物的創(chuàng)傷，以及提高術(shù)后動物存活率。方法 通過植入式生理信號無線遙測系統(tǒng)，結(jié)合優(yōu)化記錄電極植入方式將植入子電極固定在胃竇漿膜層，術(shù)后動物恢復(fù)7 d后，進行胃肌電信號采集，分別采集了清醒、自由活動狀態(tài)下大鼠胃的肌電活動信號，并對其消化期與消化間期胃肌電活動的頻率、幅度及特點進行了分析。結(jié)果 在消化期，可采集到持續(xù)、穩(wěn)定的胃肌電信號，大鼠胃慢波幅度為(14.39±1.12)μV，頻率為(4.76±0.09)次/min，快波幅度為(70.76±5.31)μV，每個慢波上的快波數(shù)為10.38±1.22；在消化間期，可觀測到周期性變化的移行性復(fù)合肌電波形，每個周期持續(xù)時間為10～12 min，其Ⅲ相胃肌電活動的慢波幅度為(14.75±0.76)μV，頻率為(4.90±0.14)次/min，快波幅度為(72.58±3.67)μV，每個慢波上的快波數(shù)為12.00±1.35。在消化期，采用促動力藥多潘立酮可以增強胃慢波和快波的幅度及快波的頻率，其慢波幅度從(16.87±1.05)μV變?yōu)?25.77±2.16)μV(P<0.01,n=6)，頻率從(4.97±0.18)次/min變?yōu)?4.85±0.14)次/min(P>0.05,n=6)，快波幅度從(72.25±3.65)μV變?yōu)?104.00±7.72)μV(P<0.01,n=6)，每個慢波上的快波個數(shù)從10.50±1.12變?yōu)?4.00±0.97(P<0.05,n=6)。結(jié)論 通過植入式生理信號無線遙測系統(tǒng)可以較好地采集到清醒自由活動狀態(tài)下大鼠胃的慢波及快波電信號，為研究生理及病理生理狀態(tài)下胃肌電活動提供了一種新手段。

植入式生理信號無線遙測系統(tǒng)；胃肌電；慢波和快波；多潘立酮

1922年，Alvarez[1]首次在人體表成功地采集到胃肌電活動后，胃電生物現(xiàn)象受到學(xué)者們的極大關(guān)注和研究。胃肌電信號是指胃平滑肌細胞(smooth muscle cells,SMC)的電活動，近百年來，卡哈爾間質(zhì)細胞(interstitial cells of Cajal, ICC)被認為是胃肌電的起搏細胞，ICC可自發(fā)產(chǎn)生電信號并通過低電阻的縫隙連接傳播給SMC，胃SMC可發(fā)生節(jié)律性的去極化及復(fù)極化，形成慢波電位(即慢波)，也稱基本電節(jié)律。消化道平滑肌的動作電位是在慢波電位的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的鋒電位[2](即快波)；胃肌電信號的產(chǎn)生是胃收縮活動的基礎(chǔ)，當(dāng)胃肌電節(jié)律出現(xiàn)異常時將會引起胃收縮活動紊亂，例如，臨床上糖尿病、帕金森病人出現(xiàn)胃電信號異常時伴有胃輕癱癥狀[3-4]。由于在人體表記錄的胃肌電信號值大幅度衰減及很不穩(wěn)定，所以基于動物的胃肌電信號記錄方法應(yīng)運而生。傳統(tǒng)的動物胃肌電記錄方法有離體胃電記錄[5]和活體胃電記錄[6]。其中離體胃電記錄是在去除外來神經(jīng)、體液及食物因素的條件下探究胃SMC電活動的手段，適用于單純的機制研究；活體胃電記錄方法可以更準(zhǔn)確地反映動物在自然狀態(tài)下的電生理活動，但是傳統(tǒng)的活體胃肌電記錄方法存在導(dǎo)線束縛、手術(shù)操作對動物創(chuàng)傷較大，術(shù)后動物存活率低等不足之處。因此改進或創(chuàng)新一種胃肌電采集方法顯得尤為重要。本研究采用先進的植入式生理信號無線遙測系統(tǒng)，并對其記錄電極進行了改良，來記錄SD大鼠在清醒自由活動狀態(tài)下的胃肌電活動，觀察消化期和消化間期胃肌電活動的特點，并觀察促動力藥物D2受體拮抗劑多潘立酮對胃肌電活動的作用。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

選取15只SPF級雄性Sprague Dawley(SD)大鼠(首都醫(yī)科大學(xué)實驗動物部提供)，體質(zhì)量為200～250 g，采用數(shù)字表法將其隨機分組為5籠，每籠3只，嚴(yán)格按照實驗動物福利委員會許可，實驗動物許可證號：SCXK(京)2012-0001，動物在室溫，每隔12 h更替光照，24 h自由飲食水的條件下進行飼養(yǎng)。

1.2 實驗藥品與儀器

多潘立酮(貨號D122，Sigma公司，美國)，小動物吸入式麻醉機(型號VMR，Matrx公司，美國)，電生理屏蔽柜(型號QD6203，JINGYIN公司，嘉興市民建機械廠)，植入式生理信號無線遙測系統(tǒng)包括植入子(型號TA10CA-F40，DSI公司，美國)，改進方式：(將兩個自制直徑為0.3 cm的圓形純銀片分別與植入子的兩電極焊接在一起，并用硅橡膠固定，兩電極間的距離為10 mm)、接收板(型號RPC-1，DSI公司，美國)、信號轉(zhuǎn)換器(型號DEM6430，DSI公司，美國)和臺式計算機(型號Inspiron 620S，Dell公司，美國)。

1.3 實驗方法

動物在手術(shù)前自由攝食飲水，用裝有異氟烷液體的小動物吸入式氣體麻醉機麻醉動物，首先將動物放入誘導(dǎo)麻醉箱內(nèi)把麻藥蒸發(fā)器打開至最大，待動物進入深度麻醉狀態(tài)后，將動物取出，罩上與麻醉機相連的呼吸面罩并仰臥于手術(shù)臺上，同時調(diào)劑潮氣量旋鈕使潮氣量值滿足手術(shù)需要。手術(shù)臺面提前用75%(體積分?jǐn)?shù))乙醇消毒，恒溫加熱板置于動物背部下面以維持體溫在37 ℃左右；固定大鼠，用剃刀除去其腹部毛發(fā)，碘伏消毒腹部皮膚，75%(體積分?jǐn)?shù))乙醇脫碘一次；沿腹正中線于劍突下1 cm處切開皮膚約2 cm。用浸過0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氯化鈉注射液的消毒棉棒輕輕地將胃拉出腹腔；將改良過的植入子的兩電極通過縫合的方法固定在前壁胃竇漿膜層，輕輕地將胃放回原位，將植入子縫在內(nèi)層肌層(腹腔內(nèi))，縫合皮膚，術(shù)后動物恢復(fù)7 d。記錄消化間期胃肌電活動時，提前將動物過夜禁食12 h；記錄消化期胃肌電活動時，動物自由攝食飲水。將清醒、自由活動狀態(tài)下的大鼠放入單獨的鼠籠中，自由攝食飲水，鼠籠放在接收板上，置于電生理屏蔽柜中。植入子可采集到胃肌電信號，通過無線傳播方式將電信號傳送給接收板，與接收板相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電信號值轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，“DSI Acqusition”軟件將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成圖形后，呈現(xiàn)在顯示器上。通過調(diào)節(jié)濾波參數(shù)濾出胃肌電的慢波和快波，慢波參數(shù)：低通濾波0.1 Hz，快波參數(shù)：帶通濾波10～50 Hz。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 SD大鼠消化期的胃肌電信號

在消化期，大鼠胃肌電圖清晰可辨，慢波成正弦圖形。其中慢波幅度為(14.39±1.12)μV，頻率為(4.76±0.09)次/min，快波幅度為(70.76±5.31)μV，每個慢波上的快波個數(shù)為10.38±1.22(圖1A)。將慢波對應(yīng)的快波展開后，呈現(xiàn)不規(guī)律的、高度不同的快波(圖1B)。再將單個快波展開后，成尖峰狀，時程為(38.25±2.52)ms(圖1C)。n=8。

圖1 消化期胃肌電信號-快波與慢波

A:gastric myoelectric activity under digestive stage;B:expanded fast wave tracings on a slow wave from the part of“A” marked by a gray short line; C:two single fast wave tracings from the part of “B” marked by a gray short line; SP:spike potential; SW: slow wave.

2.2 SD大鼠消化間期的胃肌電信號

在空腹時(禁食12 h)，大鼠出現(xiàn)一種周期性變化的胃肌電圖形，稱為移行性復(fù)合肌電，分為4個時相。Ⅰ相無快波，Ⅱ相出現(xiàn)少量的快波，Ⅲ相快波數(shù)量最多，收縮力最強，Ⅳ相為Ⅲ相向Ⅰ相的過渡期(圖2)。其中Ⅲ相胃肌電活動的慢波幅度為(14.75±0.76)μV，頻率為(4.90±0.14)次/min，快波幅度為(72.58±3.67)μV，每個慢波上的快波個數(shù)為12.00±1.35。詳見圖3，n=8。

圖2 消化間期移行性復(fù)合肌電的原始記錄圖

圖3 移行性復(fù)合肌電Ⅲ相胃肌電信號-快波與慢波

SP:spike potential;SW:slow wave.

2.3 多潘立酮對消化期胃肌電活動的影響

在消化期，慢波幅度為(16.87±1.05)μV，頻率為(4.97±0.18)次/min，快波幅度為(72.25±3.65)μV，每個慢波上的快波個數(shù)為10.50±1.12，當(dāng)灌胃1 mg/kg多潘立酮后，慢波幅度變?yōu)?25.77±2.16)μV(t=3.70,P<0.01)，頻率變?yōu)?4.85±0.14)次/min(t=0.51,P>0.05)，快波幅度變?yōu)?104.0±7.72)μV(t=3.37,P<0.01)，每個慢波上的快波個數(shù)變?yōu)?4.00±0.97(t=2.37,P<0.05)。詳見圖4，n=6。

3 討論

由于傳統(tǒng)的活體胃肌電記錄方法存在一定的弊端，為了改良活體胃肌電的記錄方法，本研究應(yīng)用先進的DSI植入式生理信號無線遙測系統(tǒng)，并對其記錄電極進行了改進，能較好地排除心電干擾，減小了手術(shù)操作對動物的創(chuàng)傷并提高術(shù)后動物存活率。本實驗方法在大鼠完全清醒、自由活動、自由攝食飲水情況下記錄到了活體胃肌電信號。本研究方法為研究胃肌電活動提供了一種更有效的新手段。

據(jù)報道人的正常慢波節(jié)律為3次/min[7]，關(guān)于SD大鼠的正常胃慢波節(jié)律的報道略有差異，為3～5次/min[8]或4～6次/min[9]。在本實驗中應(yīng)用植入式生理信號無線遙測系統(tǒng)記錄到的SD大鼠胃慢波節(jié)律為(4.76±0.09)次/min，與先前報道[8-9]基本一致。同時本實驗記錄到的快波時程為(38.25±2.52)ms，與研究[10]顯示的峰電位時程10～50 ms相一致。而記錄到的快波幅度不均一現(xiàn)象，可能是由于采集到的SMC的數(shù)量不同或在相同時間內(nèi)興奮性的SMC數(shù)量不一樣引起的。以上實驗結(jié)果說明通過本實驗方法采集到的清醒、自由活動狀態(tài)下大鼠胃肌電信號真實可靠。

圖4 多潘立酮對胃肌電活動的影響

A:effect of domperidone on gastric slow wave or fast wave; B:domperidone enhanced the amplitude of slow wave and fast wave amplitude,**P<0.01vspre-domperidone,n=6; C:domperidone increased the number of fast wave on each slow wave, but had no effect on the frequency of slow wave,*P<0.05vspre-domperidonen=6;cpm:counts per minute, cps:counts per slow wave; SP:spike potential; SW:slow wave.

胃節(jié)律異常有3種，胃動過緩(節(jié)律低于2.5次/min)，胃動過速(節(jié)律高于3.6次/ min)和胃節(jié)律失常(時快時慢且波形不規(guī)則[11]。胃電節(jié)律異常會導(dǎo)致胃動力障礙疾病，所以采集胃肌電信號是診斷胃節(jié)律異常的一種手段。活體胃肌電信號記錄能很好地反映自然狀態(tài)下胃的生理狀況，對臨床診斷及進一步地治療胃電紊亂疾病具有實用價值。但是活體胃肌電容易受到呼吸節(jié)律和心電及骨骼肌電的干擾[12]，限制了其應(yīng)用前景。在本實驗中，本課題組通過改良記錄電極，將原本的鋼絲電極換成銀片電極，其電阻值低，具有良好的導(dǎo)電性能，并將電極埋置方向垂直于心電軸，以便放大胃電信號和減少心電的干擾。由于本實驗是在大鼠清醒、自由活動狀態(tài)下，通過無線信號方式采集胃肌電，所以也容易受到人為噪音、外界電信號的干擾。為了減少這些干擾，實驗過程中全程將大鼠放在專用電生理屏蔽柜中，禁止無關(guān)人員的介入。盡管不能排除大鼠自由活動時，骨骼肌電和胃的小幅移動對胃肌電信號的影響，但可以通過動物活動引起的信號強度基線的波動進行判斷，為后期記錄結(jié)果的分析提供了幫助。總體來說，與傳統(tǒng)活體胃肌電信號記錄方法相比，植入式生理信號無線遙測系統(tǒng)采集到的胃肌電信號較穩(wěn)定、噪音較低，可以有效地記錄到胃肌電信號。

ICC產(chǎn)生慢波是通過鈣激活的氯離子通道，產(chǎn)生大幅度的內(nèi)向電流，引起鄰近的SMC去極化[13]；同時去極化達到或超過電閾值時，激活L型鈣通道，促使鈣離子內(nèi)流，產(chǎn)生動作電位，可使SMC收縮[2]。近些年來，也有研究血小板源生長因子受體α(platelet derived growth factor receptor α, PDGFR α)陽性的間質(zhì)細胞超級化后，通過縫隙連接可使SMC超極化引起舒張[14]。SMC、ICC和PDGFR之間存在縫隙連接，三種細胞合稱為SIP合胞體[15-17]。腸神經(jīng)纖維與ICC及PDGFR密切聯(lián)系，腸神經(jīng)通過影響SIP合胞體來調(diào)控胃肌電活動。多潘立酮為D2受體拮抗劑，是一種促胃動力藥，臨床上常用于胃動力不足病人的治療[18]。本課題組前期研究[19]顯示，多潘立酮可增強SD大鼠胃的收縮活動，在本實驗中通過給大鼠胃飼多潘立酮(1 mg/kg)，發(fā)現(xiàn)其胃的肌電活動顯著增強，主要表現(xiàn)為增強大鼠胃慢波和快波的幅度以及快波的頻率，但慢波頻率無明顯變化。與胃收縮活動作用效果相一致，說明這種記錄方法是可行并有效的。至于多潘立酮對胃肌電活動的作用是通過直接影響SIP合胞體的功能，還是先通過影響腸神經(jīng)系統(tǒng)進而間接地影響SIP合胞體尚不明確，有待進行進一步的研究。

綜上所述，本研究通過植入式生理信號無線遙測系統(tǒng)，可記錄清醒、自由活動狀態(tài)下大鼠胃肌電信號。消化期大鼠胃肌電信號持續(xù)且穩(wěn)定，消化間期大鼠表現(xiàn)出復(fù)合胃肌電活動。這種活體記錄胃肌電方法將為胃肌電活動的基礎(chǔ)研究提供一種新型更有效的實驗手段。

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編輯 孫超淵

Study on the gastric myoelectric signal recording by implantable radiotelemetry in conscious rats with free movement

Yao Yuansheng, Zheng Lifei, Zhu Jinxia*

(DepartmentofPhysiologyandPathophysiology,SchoolofBasicMedicalSciences,CapitalMedicalUniversity,Beijing100069,China)

Objective To optimize the recording method on the gastric myoelectric activity, reduce operation trauma to animals and improve the animal survival rate after surgery. Methods The optimized recording electrodes were implanted into the serosal layer of gastric antrum. 7 days after surgery, the gastric myoelectricity signals were collected from conscious and unrestrained rats through the implantable physiological signal wireless telemetry system. The frequency, amplitude and characteristics of gastric electromyography in digestive and interdigestive phase were analyzed. Results In digestive stage, sustainable and stable gastric myoelectricity signals were recorded. The amplitude and frequency of gastric slow wave (SW) is (14.39±1.12)μV and (4.76±0.09)cpm, respectively; amplitude of gastric spike potentials (SP) is (70.76±5.31)μV and the mean number of SP on each SW is (10.38±1.22). In interdigestive phase, each cycle duration is 10-12 min, the third period of gastric migrating myoelectric/motor complex (MMC) is strongest. The amplitude and frequency of gastric SW is (14.75±0.76)μV and (4.90±0.14)cpm, respectively; amplitude of gastric SP is (72.58±3.67)μV, the mean number of SP on each SW is 12.00±1.35. In the digestion period, the use of prokinetic drug, domperidone (1mg/kg) increased the amplitude (16.87±1.05)μV to (25.77±2.16)μV (P<0.01,n=6) and frequency (4.97±0.18) cmp to (4.85±0.14)cmp (P>0.05,n=6) of SW and amplitude (72.25±3.65)μV to (104.00±7.72)μV (P<0.01,n=6) and frequency (10.50±1.12) to (14.00±0.97) (P<0.05,n=6) of SP. Conclusion Using implantable radiotelemetry, we successfully acquired rat gastric myoelectricity signals in digestive and interdigestive phase under physiological state, which provided a more accurate and effective experimental technique/method for exploring gastric myoelectric activity and then the function of gastric motility under physiologic and pathophysiologic state.

implantable radiotelemetry system; gastric myoelectricity; slow wave and spike potentials; domperidone

國家自然科學(xué)基金(31400991，81370482，81570695)。 This study was supported by National Natural Science Foundation of China (31400991, 81370482, 81570695).

時間：2017-04-13 20∶05

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3662.R.20170413.2005.054.html

10.3969/j.issn.1006-7795.2017.02.015]

Q43

2016-09-23)

*Corresponding author， E-mail：zhu_jx@ccmu.edu.cn