Powerlab在竇內壓力控制中的應用

劉 萍 張思韜 黃海霞 王 偉 趙海燕

(1.首都醫科大學基礎醫學院生理學與病理生理學系，北京 100069；2. 首都醫科大學燕京醫學院機能教研室，北京 101300)

動脈壓力感受性反射，又稱穩壓反射，是機體維持動脈血壓穩態的重要調節機制[1]。該反射的壓力感受器位于頸動脈竇和主動脈弓血管外膜下的神經末梢，主要作用是通過感受血管內壓力變化對血管壁的牽張刺激并將其轉變為可向中樞傳遞的電信號，即機電換能作用。然而，由于其結構細微、分散，研究比較困難。目前壓力感受器的機電換能過程的各個環節均不清楚?？刂祁i動脈竇竇內壓并記錄竇神經的壓力依賴性放電是研究壓力感受器機電換能機制的經典實驗技術，精確控制竇內壓力是其中的關鍵環節[2]。本課題組早期利用電氣比例調節閥建立了控制頸動脈竇壓力的自動化裝置，該裝置需利用pclamp軟件編輯刺激命令作用于電氣比例調節閥以控制高壓氣源的壓力輸出，推動灌流液以實現竇內壓力控制[2-3]。然而使用pclamp軟件編輯刺激命令存在方法復雜、易出錯等缺點。目前許多實驗操作系統都能完成多種形式的刺激輸出，例如Powerlab labchart 5軟件(澳大利亞，AD Instruments公司)可輸出正弦式、臺階式、斜坡式等多種刺激，均適合動脈壓力感受器功能研究。為此，本課題組利用Powerlab labchart 5開發了調節電氣比例調節閥的方法，構建了一套簡便、可靠的竇內壓力控制系統。

1 材料與方法

1.1 頸動脈竇-竇神經標本的制備

實驗采用體質量2 kg左右成年家兔。以20%(質量分數)氨基甲酸乙酯(烏拉坦)5 mg/kg將動物麻醉后，安置氣管插管，充分暴露頸動脈竇區，仔細游離頸內外動脈及竇神經，并取出包括頸總動脈、頸內外動脈及竇神經的頸動脈竇-竇神經標本。注意應盡可能保留竇神經的長度，長度最好不少于7 mm。

應用自制的離體標本灌流-放電記錄一體化裝置[2-3]，對頸動脈竇-竇神經標本進行灌流。灌流液成分：NaCl 154 mmol/L，KCl 4.7 mmol/L，CaCl22.2 mmol/L，MgCl21.1 mmol/L，葡萄糖5.5 mmol/L，用HEPES-NaOH調節pH值到7.4，持續用純氧平衡(以抑制頸動脈體化學感受器放電)，溫度保持在36～37 ℃。

1.2 壓力刺激的編輯和輸出

從Powerlab labchart 5中的刺激輸出選項中選擇合適的壓力波形，根據實驗需要對該波形的時程、強度、頻率進行重新設置，形成實驗所需要的壓力波形文件。實驗過程中，應用Powerlab labchart 5軟件運行壓力波形文件，該壓力文件經D/A轉換器將其轉換為與壓力波形相對應的電壓指令，該電壓指令可以用來控制電氣比例調節閥(PRE-U,德國Hoerbiger公司)。電氣比例調節閥本質上是一個通過改變氣體流量以達到調節氣壓的自動化閥門(圖1a)。壓力調節閥根據指令調節氣源(100%高壓純氧，0.15 MPa)的輸出壓力，此輸出壓力驅動密閉容器內的灌流液(圖1b)進入血管內以達到控制竇內壓力的目的。電器比例調節閥具有不同量程，本研究根據需要選擇量程為0～200 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)。在實驗過程中將一個壓力換能器(YH-4，北京航天醫學工程研究所，圖1e)連于竇內灌流出口處，用以監測竇內壓。同時在液體出口處連接一個控制閥(圖1f)來控制竇內灌流液的流量。詳見圖1。

2 結果

2.1 脈動式壓力控制模式的實現

為模擬頸動脈竇的生理性壓力刺激，脈動式壓力是實驗中常采用的模式，而正弦波形規律性的周期性波動與頸動脈竇的生理性刺激類似。所以本實驗中采用正弦波形。實驗前，只需在Powerlab labchart5的刺激輸出波形中選擇正弦波形，然后根據實驗需要在參數設置窗口中設置該正弦波的基線、頻率、振幅。圖2展示的是壓力換能器檢測到的基線為100 mmHg、頻率為3Hz、振幅為40 mmHg的正弦波刺激命令輸出的壓力波形，以及該壓力刺激下的竇神經的放電?？梢娫撓到y能夠準確地輸出既定的壓力信號，并引起竇神經的壓力依賴性放電活動。

圖1 竇內灌流及竇內壓控制系統Fig.1 Sinus perfusion and internal pressure control system

圖2 正弦波壓力刺激下記錄到的竇神經放電Fig.2 Sinus nerve discharge recorded by sinusoidal pressure stimulation

2.2 斜坡式壓力控制模式

為研究動脈壓力感受器在整個壓力域內的壓力-放電功能特點，常常使用竇內斜坡式壓力刺激。在Powerlab labchart 5的刺激輸出波形中選擇斜坡刺激，根據實驗需要限定該斜坡刺激的參數，如開始高度、結束高度及持續時間。圖3所示是0～200 mmHg、歷時20 s的斜坡式壓力刺激命令下的竇內壓以及該刺激作用于頸動脈竇時記錄到的竇神經放電。可見隨著竇內壓力的增加，竇神經放電逐漸增強，刺激停止后竇內壓即刻恢復，響應速度為0.23 s。

圖3 斜坡式壓力刺激下記錄的竇神經放電Fig.3 Sinus nerve discharge recorded by ramp pressure stimulation

3 討論

竇內壓力的精確控制是研究動脈壓力感受器功能的關鍵技術。最初研究人員利用單片機驅動蠕動泵實現頸動脈竇區自動灌流及壓力控制[4-5]，需要實驗者自己編程寫入單片機。這種控制方法對實驗者的程序編寫能力要求較高，不利于被廣泛使用。本實驗室曾經利用電氣比例調節閥建立了控制頸動脈竇壓力的自動化裝置，該裝置利用pclamp軟件編輯刺激命令，調節電氣比例調節閥以控制高壓氣源的壓力輸出，推動灌流液對頸動脈竇進行內灌流，實現對竇內壓力的控制。然而pclamp軟件編輯刺激命令時，首先需要根據實驗需求編輯刺激命令。由于pclamp軟件只能編輯兩點間的線性變化刺激命令，若實驗需要一個相對復雜的刺激波形時，編輯過程中需要設置眾多參數，方法相對復雜，容易出錯。例如想要實現脈動式的壓力刺激時，首先得通過設置起始時間、持續時間以及刺激的時間變化率等參數，編輯兩個連續變化的階段刺激命令，以形成一個三角波形刺激命令，然后重復該三角波形來實現波動式的壓力刺激。而Powerlab實驗操作系統刺激輸出模塊中已設定有多種刺激形式，如正弦波、斜坡等多種適合動脈壓力感受器研究需要的刺激形式，實驗中只需對該波形的特征性參數如正弦波的頻率、振幅、基線進行設定，就能輸出所需要的刺激形式，操作簡單方便。且Powerlab操作系統在實驗過程中可以根據實驗需要實時地對刺激的形式以及大小進行修改，無須停止實驗，操作簡便快捷。而pclamp軟件則需要先停止實驗，修改壓力刺激文件，再重新開始實驗并運行文件才能實現壓力刺激參數的修改。所以筆者利用實驗室現有的Powerlab實驗操作系統中的刺激輸出功能替代原先的pclamp軟件構建了一套竇內壓力控制系統，該系統操作簡便且能夠實現動脈壓力感受器功能研究所需要的多種壓力刺激模式。

[1] 朱妙章，吳博威，裴建明，等. 心血管腎臟生理學實驗技術方法及其進展[M]. 西安：第四軍醫大學出版社，2010： 249-250.

[2] 魏華,趙海燕,劉萍,等. 離體頸動脈竇壓力感受器研究方法的改進——竇內壓的自動控制[J].中國應用生理學雜志，2013, 29(1): 11-14.

[3] 劉萍,趙海燕,王偉,等.頸動脈竇內壓力控制方法的改進[J].首都醫科大學學報，2013,34(6): 900-903

[4] 易小林,王敏彥,范振中,等.單片機控制的頸動脈竇區自動灌流系統的研究[J].中國應用生理學雜志，2001,17(3): 308-310.

[5] 范振中,易小林,孫光啟,等.單片機自動灌流控制器[J]. 中國醫學物理學雜志，1999,16(2):96-98.