醫(yī)用氣源汲送裝置復(fù)制呼吸衰竭犬模型的可行性研究

王合榮，吳琦，孫昕，付莎莎

醫(yī)用氣源汲送裝置復(fù)制呼吸衰竭犬模型的可行性研究

王合榮，吳琦，孫昕△，付莎莎

目的探討醫(yī)用氣源汲送裝置復(fù)制呼吸衰竭犬模型的可行性及穩(wěn)定性。方法以犬為研究對象，采用自行設(shè)計的氣源汲送裝置，通過調(diào)控吸入氧氣（O2）、二氧化碳（CO2）和氮氣（N2）的比例，降低吸入氧氣濃度（FiO2）和（或）提高吸入CO2濃度（FiCO2），同時開放呼出氣通路的方法，使犬動脈血氧分壓［p（O2）］和動脈血二氧化碳分壓［p（CO2）］達到并穩(wěn)定在某一設(shè)定狀態(tài)。分別在基礎(chǔ)狀態(tài)及造模后1 h和2 h時采集動脈血，檢測相關(guān)血氣指標。結(jié)果造模1 h后，實驗動物p（O2）＜60 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）、p（CO2）＞50 mmHg，呼吸衰竭犬模型建立成功。造模1 h和2 h時酸堿度（pH）值、血氧含量、動脈血氧飽和度（SaO2）、堿剩余（BE）較基礎(chǔ)狀態(tài)降低，p（CO2）、二氧化碳總量（TCO2）、碳酸氫根（HCO3-）較基礎(chǔ)狀態(tài)升高（P＜0.05）。造模2 h時p（O2）、血氧含量、SaO2較造模1 h降低（P＜0.05），而pH值、p（CO2）、TCO2、HCO3-、BE較造模1 h差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。結(jié)論在醫(yī)用氣源汲送裝置調(diào)控下，成功建立了大型實驗動物的呼吸衰竭模型。

醫(yī)用氣源汲送裝置；呼吸衰竭；模型，動物；狗；可行性

呼吸衰竭是指呼吸功能嚴重障礙，以致不能進行有效的氣體交換，導(dǎo)致缺氧伴或不伴二氧化碳（CO2）潴留而引起一系列生理功能和代謝障礙的臨床綜合征［1］。目前復(fù)制實驗性呼吸衰竭模型的方法很多，引起呼吸衰竭的機制也各不相同，但多適用于小型實驗動物，模型穩(wěn)定性及可控性有待改善［2-4］。為建立更符合人類病理、生理狀態(tài)的大型實驗動物呼吸衰竭模型，便于體外生命支持（extracorporeal life support，ECLS）的研究，筆者設(shè)計制作了可調(diào)節(jié)式吸入氣的氣源汲送裝置，以犬為研究對象，建立急性呼吸衰竭狀態(tài)模型，并評價其可行性及穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及材料健康成年雄性雜種犬9只，體質(zhì)量25～35 kg，由天津市津南區(qū)實驗動物飼養(yǎng)站提供。呼吸機（瑞士夏美頓公司生產(chǎn)，型號:拉菲爾RAPHAEL），I.D.9.0#氣管導(dǎo)管（德國魯西公司生產(chǎn)），AVL-995Hb血氣分析儀（瑞士），咪唑安定（力月西，江蘇恩華，5 mg/mL）、氯胺酮（浙江九旭，10mg/mL）、氯化琥珀膽堿（上海旭東海普藥業(yè)，50mg/mL）、維庫溴銨（浙江仙琚制藥，4 mg）等［5］。醫(yī)用氧氣（O2）、氮氣（N2）、10%CO2-N2平衡氣由天津市華北氧氣廠提供。

1.2 可調(diào)節(jié)式吸入氣的氣源汲送裝置設(shè)計實驗裝置示意圖見圖1。通過本實驗?zāi)Ｐ脱b置，可實現(xiàn)O2、N2和CO2以任意混合濃度比輸出，供呼吸實驗使用。

Fig.1Schematic diagram of test model device圖1 實驗?zāi)Ｐ脱b置示意圖

1.3 氣體混合比例計算3種氣體性質(zhì)穩(wěn)定，常溫條件下不會發(fā)生化學反應(yīng)。為討論問題方便，設(shè)3種氣體含量均為100%。因為實驗在正常大氣壓、室溫條件下進行，氣體在管路中的運動可視為設(shè)穩(wěn)定流動，則有

式中Qi為氣體的體積流量，Vi為氣體流速，Si為氣流管道的橫截面積，i=1、2、3，分別對應(yīng)O2、N2和CO23種氣體?？紤]到氣體的黏滯性，由流體的泊肅葉定律［6］可知

式中Ri為氣流管道的半徑，Li為氣流管道的長度，ΔPi為氣體混合前后壓強差，ηi為氣體的黏滯系數(shù)。取Ri、Li均為常數(shù)，則氣體的流量僅是黏滯系數(shù)和壓強差的函數(shù)，即

在溫度一定時，ηi為實驗常數(shù)，故只需調(diào)節(jié)ΔPi便可實現(xiàn)該氣體的流量控制。由于是穩(wěn)定流動，某種氣體的濃度比決定于其體積流量之比，因此某種氣體的體積濃度比（w）i為

把（2）式和（3）式帶入（4）式

由（5）式便可以求出某種氣體的濃度。考慮到在室溫條件下，3種氣體的黏滯系數(shù)差異不大，且實驗中，氣體在小范圍內(nèi)流動，可以認為ηi為常數(shù)，（5）式可簡化為

由上式可知，通過調(diào)節(jié)3種氣體的壓力，便可以實現(xiàn)氣體混合濃度比的控制。通過逐步降低吸入氧氣濃度（FiO2）和（或）提高吸入二氧化碳濃度（FiCO2）、呼出氣開放，以控制實驗動物體動脈血氧分壓［p（O2）］和（或）動脈血二氧化碳分壓［p（CO2）］，當p（O2）＜60 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）且p（CO2）＞50 mmHg時，即形成實驗動物的急性呼吸衰竭狀態(tài)。

1.4 建立模型動物入室后，稱質(zhì)量、綁定。于前肢靜脈推注力月西0.2 mg/kg、氯胺酮2 mg/kg、氯化琥珀膽堿50 mg全麻后，經(jīng)口插入加長氣管導(dǎo)管，逐次連接呼氣末CO2探頭、呼吸機管路，行機械通氣。機械通氣條件:呼吸機氣源接口與可調(diào)式氣源汲送裝置送氣端口連接，潮氣量8～10 mL/kg，頻率15次/min，吸呼比1∶1.5，呼氣末壓力2 cmH2O（1 cmH2O= 0.098 kPa）。實驗中維持麻醉并阻斷自主呼吸。100%空氣持續(xù)20 min以上，依據(jù)動脈血氣指標適當調(diào)節(jié)通氣設(shè)置，以實驗動物無低氧和CO2潴留作為基礎(chǔ)狀態(tài)，于2～4 h內(nèi)，逐漸降低FiO2，提高FiCO2，同時監(jiān)測動脈血氣，保持實驗犬

p（O2）＜60 mmHg、p（CO2）＞50 mmHg狀態(tài)并維持送氣參數(shù)設(shè)置。于建模后1 h、2 h，采集動脈血，進行動脈血氣分析，記錄酸堿度（pH）、p（CO2）、p（O2）、二氧化碳總量（TCO2）、碳酸氫根（HCO3-）、剩余堿（BE）、血氧含量、血紅蛋白（Hb）、動脈血氧飽和度（SaO2）。

1.5 統(tǒng)計學方法應(yīng)用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件做數(shù)據(jù)分析。所有資料均進行正態(tài)性檢驗，正態(tài)分布計量資料以均數(shù)±標準差表示，多組間均數(shù)比較采用方差分析，組間多重比較采用SNK-q法，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 設(shè)計完成醫(yī)用氣源汲送裝置通過本試驗?zāi)Ｐ脱b置，實現(xiàn)O2、N2和CO2以任意混合濃度比輸出，見圖2。

2.2 動脈血氣指標變化造模1 h后p（O2）＜60 mmHg、p（CO2）＞50 mmHg，提示呼吸衰竭犬模型建立成功。造模1 h和2 h時pH值、血氧含量、SaO2、BE較基礎(chǔ)狀態(tài)降低，p（CO2）、TCO2、HCO3-較基礎(chǔ)狀態(tài)升高，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。造模2 h時p（O2）、血氧含量、SaO2較造模1 h降低（P＜0.05），而pH值、p（CO2）、TCO2、HCO3-、BE較造模1 h差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。實驗過程當中，3個時點Hb水平差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），見表1。

Tab.1Results of arterial blood gas analysis in animal models of respiratory failure表1 呼吸衰竭動物模型動脈血氣分析統(tǒng)計結(jié)果（n=9）

Fig.2The medical gas suction feeding device圖2 醫(yī)用氣源汲送裝置

3 討論

豬、羊、犬等大型實驗動物從進化角度講與人類更加相似，能夠滿足一定的采血量，更適用于ECLS研究［7］。其中犬類由于血液循環(huán)系統(tǒng)發(fā)達，器官功能一致性好，體溫穩(wěn)定，對實驗環(huán)境的適應(yīng)性、抗病能力較強，對手術(shù)的耐受性好，因而是理想的機械通氣實驗動物模型［8］。

目前復(fù)制成人呼吸衰竭的方法主要有以下幾種:（1）通氣限制結(jié)合重復(fù)呼吸。該方法通過降低通氣供給，使實驗動物出現(xiàn)缺氧，同時增加重復(fù)呼吸，造成CO2蓄積，使其表現(xiàn)為CO2潴留，形成急性呼吸衰竭狀態(tài)。但此法制作的呼吸衰竭模型穩(wěn)定性不夠，難以解決實驗動物進一步的低氧與CO2蓄積問題，而后者常常更為突出。（2）復(fù)制呼吸系疾病。報道較多的是采用復(fù)制急性肺損傷模型的方法［2］。引起急性肺損傷的危險因素分為直接肺損傷因素（肺內(nèi)型肺損傷）和間接肺損傷因素（肺外型肺損傷）［9］。肺內(nèi)型肺損傷實驗造模方法包括生理鹽水肺泡灌洗［10］、鹽酸吸入［11］、機械通氣相關(guān)肺損傷［12］、油酸［13-15］以及煙霧吸入［16］等。肺外型肺損傷動物模型包括創(chuàng)傷、內(nèi)臟損傷誘發(fā)、內(nèi)毒素型炎性因子或效應(yīng)細胞誘發(fā)、二次打擊等。嚴重的創(chuàng)傷可使機體免疫細胞處于被激活狀態(tài)，引起機體全身炎癥反應(yīng)綜合征，進而導(dǎo)致肺損傷［17］。復(fù)制呼吸系疾病的方法對疾病的復(fù)制是確切的，但是尚無方法能充分復(fù)制人類疾病的全部特點，因此選擇該類動物模型應(yīng)考慮每種模型的特點。另一方面，該類實驗方法誘發(fā)的呼吸衰竭程度很難控制，且呼吸衰竭狀態(tài)重復(fù)性差［3］。

此外，有報道在密閉艙內(nèi)通入設(shè)定濃度的混合氣，通過調(diào)節(jié)O2、CO2及N2送入濃度，成功復(fù)制了大鼠的高碳酸血癥［18］和低氧血癥模型［4］。但該方法只適合于小型動物，且需要定時檢測艙內(nèi)各氣體濃度，存在著動物呼吸衰竭程度不便調(diào)控等不足。本研究通過醫(yī)用氣源汲送裝置調(diào)節(jié)吸入氣體的成分和比例，同時呼出氣體開放（減少了重復(fù)呼吸），以控制實驗動物體p（O2）和（或）p（CO2）、并穩(wěn)定在p（O2）＜60 mmHg，p（CO2）＞50 mmHg，成功建立了急性呼吸衰竭模型。本試驗中，實驗犬造模1 h狀態(tài)時血p（O2）、p（CO2）達到實驗設(shè)計的呼吸衰竭標準，且較基礎(chǔ)狀態(tài)的各項血氣指標差異同Zhu等［13］變化一致，且造模2 h后p（CO2）、TCO2、pH、BE、HCO3-較造模1 h狀態(tài)無明顯變化，表明此模型碳酸血癥狀態(tài)穩(wěn)定。但造模2 h時p（O2）、血氧含量、SaO2水平較造模1 h降低，提示實驗動物血氧指標穩(wěn)定性不夠，存在持續(xù)下降趨勢。筆者考慮可能由于急性嚴重缺氧及高碳酸血癥對肺血流動力學的影響［19］等方面的改變，氧耗增加所致。在今后的研究中，應(yīng)降低FiO2下降的速度，同時監(jiān)測血液動力學及氧耗等指標，并適時給予相應(yīng)的干預(yù)，以期達到醫(yī)用氣源汲送裝置復(fù)制呼吸衰竭的可控性及穩(wěn)定性。

本研究中的醫(yī)用氣源汲送裝置不僅可以應(yīng)用于較大型動物呼吸輔助的ECLS實驗研究，還可用于急性呼吸衰竭狀態(tài)的病理、生理等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，此外，通過變更氣源成分可作為一氧化碳（CO）中毒等動物模型的制作裝置，也可通過變更氣源成分實施一氧化氮（NO）等特殊吸入氣體的治療。

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（2016-01-22收稿2016-07-01修回）

（本文編輯胡小寧）

Study of the feasibility on medical gas suction feeding device for replicating model of respiratory failure in dogs

WANG Herong，WU Qi，SUN Xin△，F(xiàn)U Shasha
Tianjin Haihe Hospital，Tianjin Institute of Respiratory Diseases，Traditional Chinese Medicine（TCM）Key Research Laboratory for Infectious Disease Prevention for State Administration of TCM，Tianjin 300350，China△

ObjectiveTo investigate the feasibility and stability of medical gas suction feeding device for copying the model of respiratory failure in dogs.MethodsThe self-designed medical gas suction feeding device was used to establish the model of respiratory failure in dogs.After regulating the proportion of oxygen（O2），carbon dioxide（CO2）and nitrogen（N2），the fraction of inspiration O2（FiO2）was decreased，while the forced inspiratory carbon dioxide（FiCO2）was increased.At the same time，the breathing out pathway was open to make the arterial oxygen partial pressure p（O2）and arterial blood carbon dioxide partial pressure p（CO2）reached and stabilized in a stable condition.The arterial blood samples between default state and 1 hour，2 hour after modeling were collected to detect the blood gas index.Results One hour after the establishment of model，the p（O2）was≤60 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），and p（CO2）was≥50 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），which suggested that the dog model of respiratory failure was established successfully.Compared with the basic state，data of pH，oxygen content，oxygen saturation（SaO2）and residual alkali（BE）were decreased at 1 hour and 2 hour after modeling（P＜0.05）.The p（O2），oxygen content，SaO2were decreased in 2 hour after modeling compared with those of 1h after modeling（P＜0.05）.There were no significant differences in pH，p（CO2），TCO2，HCO3-and BE between 1 hour and 2 hour after modeling（P＞0.05）.ConclusionUnder the regulation of the medical gas suction feeding device，the respiratory failure state of large experimental animals is successfully established.

medical gas suction feeding device；respiratory failure；models，animal；dogs；feasibility

R332

A

10.11958/20160029

天津市衛(wèi)生局重點攻關(guān)項目（11KG126）

天津市海河醫(yī)院，天津市呼吸疾病研究所，國家中醫(yī)藥管理局中醫(yī)藥防治傳染病重點研究室（郵編300350）

王合榮（1982），女，醫(yī)師，碩士，主要從事呼吸系統(tǒng)疾病研究