不同脈寬骶神經(jīng)根電刺激對兔膀胱排尿功能的影響研究

陳 雪，閆 鵬，夏 鵬，包天翼，楊小玉*，昝春芳*

(1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院 骨科，吉林 長春130041;2.吉林省人民醫(yī)院 脊柱外科，吉林 長春130021)

不同脈寬骶神經(jīng)根電刺激對兔膀胱排尿功能的影響研究

陳 雪1，閆 鵬2，夏 鵬1，包天翼1，楊小玉1*，昝春芳1*

(1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院 骨科，吉林 長春130041;2.吉林省人民醫(yī)院 脊柱外科，吉林 長春130021)

目的 探討不同脈寬電刺激對膀胱排尿功能產(chǎn)生的影響，明確能夠產(chǎn)生完全陽極阻滯的脈寬。方法 本實(shí)驗(yàn)共納入60只兔，用于解剖學(xué)研究10只，余50只隨機(jī)分為對照組(10只)和脊髓損傷組(40只)。采取尿流動力學(xué)檢查證實(shí)，造模之后分為模型組和電刺激組。采用不同脈寬對電刺激組實(shí)驗(yàn)兔的骶神經(jīng)根進(jìn)行電刺激，檢測陰極電流到達(dá)陽極并能發(fā)生完全陽極阻滯的脈寬。結(jié)果 在電流升至0.03 mA時(shí)，尿道壓力隨之遞增，但膀胱內(nèi)壓并無波動；刺激電流達(dá)0.15 mA時(shí)，膀胱內(nèi)壓開始有所變化；直至刺激電流達(dá)1 mA時(shí)，在刺激結(jié)束時(shí)可見少量尿液流出。在此基礎(chǔ)上，逐步升高電刺激組的刺激參數(shù)，尿道內(nèi)壓表現(xiàn)為先升高再下降；直至刺激的脈寬為300 μs，同時(shí)電流升至1.05 mA時(shí)，尿道內(nèi)壓降到零，膀胱內(nèi)壓緩慢升高，此時(shí)膀胱內(nèi)壓約為43.99 cmH2O，有尿液流出。結(jié)論 刺激參數(shù)：脈寬為300 μs且電流為1.05 mA可作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的陽極阻滯電刺激參數(shù)。

脊髓損傷；神經(jīng)源性膀胱；電刺激；電極；骶神經(jīng)根

(ChinJLabDiagn,2017,21:1453)

脊髓損傷致神經(jīng)源性膀胱繼而引發(fā)的尿路感染、急慢性腎功能不全或衰竭等重度病癥是此類病人最常見的死因[1-3]，而神經(jīng)電刺激技術(shù)現(xiàn)已可作為重新建立膀胱代償功能的治療方式[4-6]。陽極阻滯電刺激技術(shù)[7,8]有希望為脊髓損傷致神經(jīng)源性膀胱患者創(chuàng)建一項(xiàng)能夠代替生理性排尿的新型模式。由于當(dāng)前脊髓神經(jīng)可塑性研究暫無出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，所以此項(xiàng)技術(shù)很有可能成為幫助脊髓損傷后神經(jīng)源性膀胱患者重建排尿功能的突破口。明確能夠產(chǎn)生完全陽極阻滯的脈寬是進(jìn)行后續(xù)功能性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。因此，本實(shí)驗(yàn)將探討不同參數(shù)脈寬電刺激對膀胱排尿所能夠產(chǎn)生的功能變化。

1 材料與方法

1.1 對象與分組

60只清潔級新西蘭白兔(由吉林大學(xué)白求恩醫(yī)學(xué)部動物實(shí)驗(yàn)場提供)，雌雄不限，體重2.2-2.4 kg，在正規(guī)動物房歷經(jīng)兩周的喂養(yǎng)之后開展預(yù)期實(shí)驗(yàn)。

選取10只動物僅僅用于解剖結(jié)構(gòu)探究，余50只白兔隨機(jī)分為對照組(n=10)和脊髓損傷組(n=40)。后組采用尿流動力學(xué)檢查證實(shí)，分為模型組和電刺激組。實(shí)驗(yàn)相關(guān)處理均滿足倫理學(xué)要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

多通道電生理儀/BL420-E生物機(jī)能試驗(yàn)系統(tǒng)(成都泰盟科技有限公司)，實(shí)驗(yàn)用骶神經(jīng)根電刺激器和刺激電極(吉林大學(xué))。

1.3 實(shí)驗(yàn)試劑

速眠新Ⅱ和蘇醒靈4號(吉林大學(xué)農(nóng)學(xué)部)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

1.4.1 解剖學(xué)觀察 取10只實(shí)驗(yàn)兔進(jìn)行解剖學(xué)研究，熟悉白兔骶神經(jīng)根的解剖結(jié)構(gòu)，同時(shí)取實(shí)驗(yàn)兔雙側(cè)S2-S3前根，福爾馬林固定、切片、HE染色，光鏡下測量。

1.4.2 尿流動力學(xué)檢測 對50只實(shí)驗(yàn)兔行尿流動力學(xué)檢查，具體檢查過程詳見參考文獻(xiàn)[9]。本實(shí)驗(yàn)中檢測的客觀指標(biāo)大概包含：排尿容積、殘存尿量、膀胱靜息壓、膀胱順應(yīng)性、逼尿肌最大壓及尿道括約肌肌電等。

1.4.3 神經(jīng)源性膀胱模型建立及篩選 于手術(shù)之前禁食水(6 h)，先利用速眠新II麻醉(0.15 mL/kg)，備皮及皮膚消毒后鋪無菌單，依次切開，暴露棘突及椎板，脊髓損傷組動物切除椎板，以止血鉗阻斷全部脊髓大概1 min，至觀察到其抖動消失為止，即建立完全性脊髓損傷模型[10]。

脊髓損傷組于術(shù)后10天復(fù)查尿流動力學(xué)檢查，篩選神經(jīng)源性膀胱動物模型，具體檢查過程同前。再次隨機(jī)分組，分為模型組和電刺激組。

1.4.4 骶神經(jīng)前根電刺激 ?尿道及膀胱壓力測定 將2根測壓管插入電刺激組兔膀胱內(nèi)，并將測壓管另一端與壓力換能器相連，此時(shí)兩測壓管讀數(shù)相等為膀胱靜息壓，將測壓管向外漸漸移動，直到膀胱測壓管讀數(shù)不變但尿道測壓管讀數(shù)最大[11]。對測壓管縫合并加固之后，調(diào)零壓力傳感器并校準(zhǔn)其基線。 ?刺激電極植入 移除電刺激組兔椎板之后，暴露骶神經(jīng)前根和后根，分離并切斷兩側(cè)S1-S4骶神經(jīng)后根完成去傳入。利用電極對骶神經(jīng)前根行電刺激，按照電刺激期間膀胱內(nèi)壓的升高水平來評估能夠支配膀胱逼尿肌的神經(jīng)根，之后各自放入一枚刺激電極，縫合并加固電極。術(shù)后次日拍腰椎X線片，查看電極是否還處于良好的位置之中。?刺激及記錄 采用電極行電刺激期間，于尿道內(nèi)壓為零時(shí)，匯總刺激參數(shù)；繼而向膀胱內(nèi)緩慢輸注適溫鹽水，按該參數(shù)繼續(xù)電刺激，記錄排尿體積、膀胱內(nèi)壓及殘余尿量。電刺激組動物在電極移植后第二天起，每天進(jìn)行6次陽極阻滯電刺激排尿和排便，每次約15-30分鐘，并在刺激四周后，均復(fù)查尿流動力學(xué)，作組間比較。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 測量骶神經(jīng)前根直徑

處死用于解剖學(xué)研究的兔10只，切其兩側(cè)S2和S3神經(jīng)前根，固定、染色、切片后于鏡下測定其直徑。數(shù)據(jù)示：S2和S3神經(jīng)前根的直徑均是0.05cm，基于此數(shù)據(jù)，我們設(shè)置實(shí)驗(yàn)所用電極的直徑是0.05cm。

2.2 實(shí)驗(yàn)動物存活及排除情況

白兔共50只，術(shù)后對照組死1只，脊髓損傷組死6只，神經(jīng)源性膀胱組檢查之后未納入3只。再次隨機(jī)分組后，模型組死7只，電刺激組死1只(見表1)。于置入電極和行電刺激期間，因?yàn)樯窠?jīng)根受損導(dǎo)致尿道及膀胱內(nèi)壓的電刺激反應(yīng)程度降低而未納入6只，終究納入對照組(9只)、模型組(9只)、電刺激組(8只)。

表1 實(shí)驗(yàn)動物存活情況

2.3 陽極阻滯電刺激參數(shù)的選擇結(jié)果

電刺激開始階段，設(shè)置脈寬是50 μs，電流是0.01 mA，頻率是20 Hz開始刺激。當(dāng)平均刺激電流達(dá)0.03 mA時(shí)，尿道壓力升高，此時(shí)雙下肢輕微抖動，膀胱內(nèi)壓仍為零。增加刺激電流達(dá)0.15 mA，膀胱內(nèi)壓逐步緩慢上升，直至刺激電流達(dá)1 mA，此過程仍未見尿液排出，僅在刺激結(jié)束時(shí)，見少量尿液流出，另在增加刺激電流過程中可見雙下肢抖動逐漸增強(qiáng)。

在此基礎(chǔ)上，逐步升高電刺激組刺激的參數(shù)，尿道內(nèi)壓表現(xiàn)為先升高再下降；直至刺激的脈寬為300 μs，同時(shí)電流升至1.05 mA時(shí)，尿道內(nèi)壓降低為零。此過程中膀胱內(nèi)壓緩慢升高(見圖2)，當(dāng)尿道內(nèi)壓降到零時(shí)，膀胱內(nèi)壓約43.99 cmH2O,有尿液流出。在刺激量遞增的過程之中，兔雙下肢的抖動漸漸變少，最終無抖動。

圖1 刺激電流增加過程中尿道內(nèi)壓變化趨勢

圖2 刺激電流增加過程中膀胱內(nèi)壓變化趨勢

3 討論

本實(shí)驗(yàn)符合標(biāo)準(zhǔn)而納入的8只兔全部成功在電刺激下排尿，且每只兔至少有1對神經(jīng)根在電刺激時(shí)引起了膀胱內(nèi)壓及尿道內(nèi)壓的升高，這顯示所建模型的傳出神經(jīng)通路是完整的，符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。另有6只兔因在電刺激時(shí)其膀胱內(nèi)壓和尿道內(nèi)壓變化不典型或未測及，不符合標(biāo)準(zhǔn)而未納入。究其原因，可能是骶神經(jīng)前根分離或者刺激電極的置入造成神經(jīng)損傷，亦可能是電刺激時(shí)測壓管脫管所導(dǎo)致，因此未進(jìn)行后續(xù)電刺激實(shí)驗(yàn)。8只電刺激組兔，開始階段采取短時(shí)脈寬，間斷刺激。其原理與Brindley的SARS技術(shù)[12-14]類似，主要是基于橫紋肌和平滑肌兩者不同的收縮特性。與正常人排尿機(jī)制所不同，電刺激下的膀胱功能基本是依靠間歇期逐步升高的膀胱內(nèi)壓來完成。我們的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果亦證實(shí)了這一點(diǎn)，往往要通過有限次數(shù)的間歇式電刺激才能夠排出尿液。

在此實(shí)驗(yàn)中，我們還發(fā)現(xiàn)以50 μs的脈沖，低電流(0.01-0.1 mA)刺激兩側(cè)骶神經(jīng)根時(shí)，外尿道和肛門括約肌、盆底和下肢肌肉可產(chǎn)生一定的變化。但是電流并未達(dá)膀胱逼尿肌的變化閾值，所以并未測到膀胱內(nèi)壓是否增加。僅僅在刺激電流高到一定程度時(shí)(>0.15 mA)，才能測到膀胱內(nèi)壓升高(圖2)。然而，高電流刺激并未導(dǎo)致尿液的排出，這可能是因?yàn)槟虻劳饫s肌亦發(fā)生作用，在尿道關(guān)閉后壓力超過逼尿肌的壓力。我們還發(fā)現(xiàn)在刺激電流遞增的過程中，由于支配下肢的軀體運(yùn)動神經(jīng)逐漸興奮，下肢抖動也會逐漸劇烈，這就啟發(fā)我們可以采用長時(shí)脈寬，遞增刺激電流的辦法克服上述缺點(diǎn)。

Rijkhoff[15-17]在犬類陽極阻滯電刺激實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，起始的阻滯在脈寬為150 μs時(shí)發(fā)生，當(dāng)脈寬超過400 μs時(shí)，能獲得最大阻滯?；谶@些數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定初始的刺激脈寬為50 μs。數(shù)據(jù)顯示尿道內(nèi)壓表現(xiàn)為先升高后下降(圖 1)，緣由也許為在刺激初始階段，當(dāng)刺激電流強(qiáng)度高于軀體運(yùn)動神經(jīng)的閾值時(shí)，尿道外括約肌最先變化，當(dāng)刺激電流達(dá)某個強(qiáng)度時(shí)，軀體運(yùn)動神經(jīng)均已被激活，遞增刺激電流強(qiáng)度，尿道內(nèi)壓雖不會變動，但在遠(yuǎn)端的陽極電流高于軀體運(yùn)動神經(jīng)的停滯閾值，呈現(xiàn)陽極阻滯，尿道內(nèi)壓降落，直到刺激電流達(dá)全部軀體運(yùn)動神經(jīng)都被滯礙的強(qiáng)度。

另外，盡管本實(shí)驗(yàn)并未探究尿道相關(guān)肌肉的具體活性，但電刺激肛周確實(shí)可以引起脊髓反射，所以進(jìn)一步亦可引起尿道外括約肌興奮[18-20]。因此，功能性電刺激手段確實(shí)可作為重新建立膀胱代償功能的重要方式。綜上，本實(shí)驗(yàn)明確了能夠產(chǎn)生完全陽極阻滯的脈寬，以期為更多研究提供理論基礎(chǔ)。

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Effects of different pulse width sacral nerve root electrical stimulation on bladder micturition function

CHENXue,YANPeng,XIAPeng,etal.

(Orthopedics,theSecondHospitalofJilinUniversity,Changchun,130041,China;Orthopedics,JilinProvincePeople’sHospital,Changchun130021,China)

Objective To investigate the effect of different pulse width electrical stimulation on bladder micturition function and clear the pulse width of producing full anodal blocking.Methods This experiment included 60 rabbits,10 in the study of anatomy and 50 were randomly divided into the control group (10) and the spinal cord injury group (40).The latter group was randomly divided into the neurogenic bladder group and the sacral nerve root stimulation group after urodynamic screening.The sacral nerve roots of the rabbits in the electric stimulation group were stimulated in different pulse width,and the pulse width of producing full anode retardation was detected.Results When the average stimulation current was up to 0.03 mA,urethral pressure could be measured to increase and bladder pressure remained zero.The stimulation current was up to 0.15 mA,bladder pressure could be detected,until the stimulation current was up to 1 mA,a small amount of urine flew.Subsequently,the pulse width and stimulation current of the electric stimulation group gradually increased,and it were observed that the urethral pressure increased and then decreased.When the pulse width of average stimulation was up to 300 s and the average stimulation current was at 1.05 mA,urethral pressure dropped to zero,the intravesical pressure increased slowly,and then the urine flew.Conclusion The stimulation pulse width of 300US and stimulation current of 1.05mA could be used as the stimulus parameters of anodal blocking in the follow-up experiment.

spinal cord injury;neurogenic bladder;electrical stimulation;electrode;sacral nerve root

吉林省科技廳產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟項(xiàng)目(20150309002GX) 和吉林省科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金(SC201502001)

1007-4287(2017)08-1453-04

R681.5+4

A

2017-05-15)

*通訊作者