去负荷比目鱼肌高频强直收缩疲劳性的动态变化

去负荷比目鱼肌高频强直收缩疲劳性的动态变化

【关键词】  失重模拟
　　【Abstract】 AIM:  To explore the effects of unloaded hindlimb on tetanic contraction fatigability of soleus. METHODS:  Isometric twitch and highfrequency tetanic contraction were examined by perfusion technique of isolated skeletal muscle strip. The contractile functions of soleus were observed in 1week, 2week, or 4week tailsuspended rats. RESULTS:  The threshold voltage induced isometric twitch contraction significantly increased in 1 week of unloaded soleus (P<0.01) as compared with that of control. There was no difference in the threshold voltage between control and 2week unloaded soleus (P>0.05). But the threshold voltage increased again in 4week unloaded soleus (P<0.05). In highfrequency tetanic contraction, the maximal tension (Po) of soleus was reduced respectively by 32.8%, 60.1% and 77.6 % after one (P<0.05), two and four weeks of (P<0.01) tailsuspension (SUS). The tension at the thirtythird second of tetanic contraction (P33) in control decreased 18.0%26.0%, while the P33/Po in the SUS group decreased 40.9% after one week of unloading (P<0.05), 51.1% after two weeks and 73.1% after four weeks of SUS, respectively. CONCLUSION:  These results suggest that the excitability of unloaded soleus is decreased and the fatigability of unloaded soleus is increased. The changes in sarcolemma ion channels in unloaded soleus may be one of the underlying mechanisms of increasing the fatigability.
　　【Keywords】 weightlessness simulation; muscle, skeletal; muscle fatigue
　　【摘要】 目的： 探讨肌纤维膜离子通道变化对骨骼肌强直收缩疲劳性产生的可能影响. 方法： 采用离体骨骼肌条灌流技术，观测模拟失重1, 2和4 wk大鼠比目鱼肌(SOL)等长收缩的阈刺激电压与高频强直收缩功能的动态变化. 结果： 与同步对照组相比，模拟失重1 wk组引起SOL等长收缩的阈刺激电压呈非常显著性增高(P<0.01)；2 wk组无差别(P>0.05)；4 wk组又出现明显增高(P<0.05). 与对照组比较，悬吊1 wk大鼠SOL高频强直收缩的最大张力(Po)降低32.8%，但统计学无差异(P>0.05)；悬吊2 wk组降低60.1% (P<0.01)；4 wk进一步降低至77.6% (P<0.01). 对照组大鼠SOL的强直收缩张力在第33 s处衰退18.0%~26.0%，而悬吊1 wk组衰退40.9% (P<0.05)；2 wk组衰退51.1% (P<0.01)；4 wk组则衰退73.1% (P<0.01). 结论：  短期模拟失重即可引起比目鱼肌肌纤维的兴奋性降低，同时导致高频强直收缩疲劳性增加. 而去负荷SOL膜离子通道的变化可能是其高频强直收缩疲劳性增加的内在机制之一.
　　【关键词】 失重模拟；肌，骨骼；肌疲劳
　　0引言
　　失重或模拟失重导致下肢抗重力肌如比目鱼肌(soleus, SOL)明显萎缩与强直收缩功能降低［1］，而且模拟失重或大鼠后肢废用，可引起SOL肌纤维细胞膜多种离子通道的改变. 如尾部悬吊28 d大鼠SOL电压依赖性Ca2+通道的mRNA表达明显升高［2］；地面模拟失重3 d即可导致SOL氯离子电导增加，7 d使氯离子通道mRNA表达增加［3］，模拟失重21 d则可引起SOL钠离子电流密度增加［4］；大鼠后肢去负荷35 d引起SOL电压门控钠通道与内向整流钾通道的基因表达上调［5］. 迄今为止，萎缩SOL这些膜离子通道变化对其强直收缩功能的影响尚不清楚. 骨骼肌高频强直收缩功能主要受细胞膜离子通道特性的调节［6］，因此，我们通过模拟大鼠失重1，2和4 wk，观测其SOL高频强直收缩功能的动态变化，以及引起骨骼肌等长收缩阈刺激电压的变化，以分析肌纤维膜离子通道变化对骨骼肌强直收缩疲劳性产生的可能影响.
　　1材料和方法
　　1.1动物模型与分组选用健康雄性SD大鼠(由第四军医大学实验动物中心提供)80只, 12 wk龄，体质量180～210 g,并按体质量将32只大鼠配成8个区组，再分别将各区组随机分为尾部悬吊1, 2和4 wk与对照组，每组8只，用于观测SOL阈刺激电压. 再按体质量将48只大鼠配成8个区组，再分别将各区组随机分为尾部悬吊1, 2和4 wk与3个同步对照组，每组8只，用于观测SOL收缩功能. 按本实验室已建立的方法进行动物饲养与尾部悬吊［7］，定期称大鼠体质量. 分别在7, 14和28 d后取尾部悬吊大鼠及数目相等的配对饲养对照大鼠, 在相同条件下进行实验.
　　1.2离体SOL阈刺激电压的测量戊巴比妥钠（40 mg/kg,ip）麻醉大鼠, 迅速剪开后肢小腿皮肤，轻轻游离SOL. 按本实验室建立的方法行离体肌条的灌流［8］. 电刺激器( SEN3301, 日本光电)输出脉宽20 ms、间隔 20 s与电压为6 V的方波脉冲刺激. 先平衡约60 min，然后以0.1 mm增量, 逐步拉伸SOL至等长收缩张力为最大时的肌肉最适初长Lmax位置，平衡10 min，记录肌肉长度与张力. 以0.5 V的步幅降低刺激电压至2.5 V，然后改以0.1 V的步幅降低刺激电压，记录刚刚能引起肌肉收缩的刺激电压即为阈刺激电压.
 
　　1.3离体SOL高频强直收缩功能的测量上述实验完成后，以脉宽5 ms、间隔 40 ms与电压为6 V的方波脉冲刺激45 s，使肌肉产生高频强直收缩. 强直收缩最大张力用Po表示，以高频刺激第33 s处的强直收缩张力与Po之比(P33/Po)作为判断骨骼肌强直收缩疲劳性的指标. P33/Po值降低表明疲劳性增加. 实验结束后，用滤纸吸干肌肉表面附着的水分并称质量. 再按文献［8］公式计算每一肌肉的横截面积(CSA). 张力数据用CSA作归一化处理. 每组大鼠只成功观测6例肌条的功能.
　　统计学处理： 各实验组数据以x±s表示. 使用SPSS10.0统计软件对随机区组设计资料进行方差分析(阈刺激电压观测资料)，或配对t检验分析组间差别(收缩功能观测资料). 以P<0.05为检验显著性水平.
　　2结果
　　2.1去负荷SOL等长收缩阈刺激电压的变化对照组SOL等长收缩的阈刺激电压为(1.10±0.06) V. 与对照组相比，悬吊1 wk组引起SOL等长收缩的阈刺激电压呈非常显著性增加，达(1.80±0.21) V (P<0.01)；2 wk组为(1.22±0.17) V，无显著差别(P>0.05)；4 wk组又呈显著性增高，为(1.50±0.13) V (P<0.05).
　　2.2悬吊大鼠SOL高频强直收缩最大张力的动态变化悬吊1 wk大鼠SOL强直收缩的Po较对照组降低32.8%，但没有显著差别(P>0.05, Fig 1A). 悬吊2 wk组Po较对照组降低60.1%，呈非常显著性差异(P<0.01). 悬吊4 wk组进一步降低至77.6%，两组均值具有非常显著性差别(P<0.01). Fig 1B为SOL高频强直收缩的典型记录曲线. 与对照相比，悬吊大鼠SOL的Po除幅值逐步降低外，在持续刺激条件下，张力下降的速度也增快.  
　　2.3悬吊大鼠SOL强直收缩疲劳性的变化对照组大鼠SOL的强直收缩张力在第33 s处衰退18.0%～26.0%，而悬吊1 wk组则衰退40.9% (P<0.05)；而悬吊2 wk组则衰退51.1% (P<0.01)；悬吊4 wk组则衰退73.1% (P<0.01, Fig 2). 3讨论
　　尾部悬吊模拟失重1与4 wk引起大鼠SOL等长收缩的阈刺激电压增高，这表明萎缩SOL的可兴奋性降低，并具有出现早并很快就能达到新的平衡的特点. 肌纤维的兴奋性受细胞膜静息电位、阈电位与Na+通道性特性的影响. 有研究表明,萎缩SOL膜静息电位明显降低，从正常的大约-63 mV降至-73 mV［9］. 与此相反，萎缩SOL的阈电位则升高(向正向移动)［3］. 这样使得SOL膜静息电位与阈电位间的“距离”增大，从而导致兴奋性降低. 由于萎缩SOL的α2型Na, KATP酶基因表达增加［5］，可能使Na+K+泵活性增加，使更多的K+被泵入细胞内，最终使膜静息电位降低. 另外，Desaphy等［4］观测了悬吊1～3 wk大鼠SOL细胞膜Na+通道特性，发现单通道电导、开放几率、电压依赖性激活和快慢失活等特性均未改变，而钠电流密度却明显增加，并同时伴有Na+通道α亚基表达的增加. 这提示萎缩SOL Na+通道特性的改变，可能也是引起SOL兴奋性降低的潜在原因.
　　骨骼肌高频强直收缩导致疲劳的一个主要因素是减弱了动作电位在T管内的传播［6］. 在高频率刺激条件下，由于强直收缩张力在几十秒内即迅速降低，骨骼肌纤维内物质与能量代谢的改变，如H+和Pi增加的影响将较小. 以往的研究表明，高频刺激时，T管系统局部会出现K+的堆积和Na+减少，进而阻滞动作电位在T管内由外向细胞中心部位传导，动作电位期间肌浆网释放的Ca2+减少，最终导致强直收缩张力下降［6］. 下列因素可能影响T管内K+的堆积和Na+耗竭的速度： ① 刺激频率；② T管中Na+和K+通道的密度；③ T管中Na+和K+通道的电导；④ T管中Na+K+泵的密度与活性；⑤ T管系统的容量. 刺激频率越高，越容易在T管内形成K+的堆积和Na+耗竭. 本实验中刺激频率是固定的，不会在对照与悬吊组之间形成差别. 当骨骼肌萎缩后，从肌细胞表面到中心部位的距离减小，使T管的长度变短，这有利于T管内离子与细胞外液进行交换，应使肌肉疲劳性降低. 由于萎缩SOL在高频强直收缩时的疲劳性明显增加，其涉及的机制可能主要与Na+和K+通道的特性以及T管中Na+K+泵的活性相关. 因萎缩SOL呈现α2型Na, KATP酶基因表达增加［5］，提示T管中Na+K+泵的活性可能不是引起疲劳性增加的主要因素.
总之，萎缩SOL兴奋收缩偶联的各个环节均发生变化，但是，各环节对SOL等长收缩功能的影响可能并不相同. 细胞膜K+, Na+通道性特性的改变可能主要影响SOL的兴奋性，以及高频强直收缩的疲劳性.
　　【参考文献】
　　［1］ Fitts RH, Riley DR, Widrick JJ. Physiology of a microgravity environment invited review: Microgravity and skeletal muscle ［J］. J Appl Physiol, 2000;89(2): 823-839.
　　［2］ Kandarian S, O’Brien S, Thomas K, et al. Regulation of skeletal muscle dihydropyridine receptor gene expression by biomechanical unloading ［J］. J Appl Physiol,  1992;72(6):2510-2514.
　　［3］ Pierno S, Desaphy JF, Liantonio A, et al. Change of chloride ion channel conductance is an early event of slowtofast fibre type transition during unloadinginduced muscle disuse ［J］. Brain, 2002;125(Pt 7):1510-1521.
　　［4］ Desaphy JF, Pierno S, Leoty C, et al. Skeletal muscle disuse induces fibre typedependent enhancement of Na+ channel expression ［J］. Brain, 2001;124(Pt 6):1100-1113.
　　［5］ Wittwer M, Fluck M, Hoppeler H, et al. Prolonged unloading of rat soleus muscle causes distinct adaptations of the gene profile ［J］. FASEB J, 2002;16:884-886.
　　［6］ Westerblad H, Lee JA, Lannergren J, et al. Cellular mechanisms of fatigue in skeletal muscle ［J］. Am J Physiol, 1991;261(2 Pt 1):C195-C209.
　　［7］ 陈杰，马进，丁兆平，等. 一种模拟失重影响的大鼠尾部悬吊模型［J］. 空间科学学报，1993;13(2):161-164.
　　Chen J, Ma J, Ding ZP, et al. A tailsuspended rat model simulated microgravity on the ground ［J］. Chin J Space Sci, 1993;13(2):161-164.
　　［8］ 高放，余志斌，程九华，等. 4周悬吊大鼠比目鱼肌强直收缩力降低及其机制分析 ［J］. 航天医学与医学工程，2002;15(4): 255-259.
　　Gao F, Yu ZB, Cheng JH, et al. Decrease in tetanic tension in 4week tailsuspended rat soleus and analysis of its underlying mechanisms ［J］. Space Med Med Eng, 2002;15(4): 255-259.
　　［9］ Desaphy JF, Pierno S, Liantonio A, et al. Comparison of excitability parameters and sodium channel behavior of fast and slowtwitch rat skeletal muscles for the study of the effects of hindlimb suspension, a model of hypogravity ［J］. J Gravit Physiol,  1998;5(1):77-78.

【去负荷比目鱼肌高频强直收缩疲劳性的动态变化】相关文章：

结构疲劳寿命、可靠性可视化技术与虚拟疲劳设计08-04

动态血糖监测系统的观察及护理06-15

小学美术教学中的动态分组教学05-25

关于配电系统中的动态无功补偿装置08-06

谈动态过程地看待建筑理论08-05

谈超长建筑物楼屋面收缩变形的问题论文05-05

人文性和艺术性论文08-30

语言的生动性和形象性探微06-13

由绘画性素描走向设计性素描06-11

医疗设备动态档案管理技术系统的研究与实践05-07