窒息对大鼠肝细胞超微结构和元素分布的影响
2023-02-25
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维普资讯 http://www.cqvip.com 384 i 2【)【)8 Ma'Fudan Univ J Med Sc uuo 一 r,35(3)Se.复里学报(医学版)窒息对大鼠肝细胞超微结构和元素分布的影响 朱会耕△ 叶若兰 方 勇 (复旦大学附属华山医院危重病科上海200040) 【摘要】 目的通过研究窒息动物肝细胞超微结构及其元素含量的变化,探讨窒息引起肝脏损害的发病机制, SD大鼠经腹腔麻醉后,经气管插管由人工 为临床抢救窒息患者时对保肝措施予以关注提供科学依据。方法呼吸机维持通气,窒息组在关闭人工呼吸机使呼吸停止3、6、9、12、15 min后取肝脏。窒息一复氧组在呼吸停止 后3、6、9、12、15 min后重新开启呼吸机120 min,再取肝脏。样本经处理后进行透射电镜观察和元素显微分析。 结果大鼠窒息3 min时肝细胞已出现滑面内质网囊管扩张和线粒体基质变深。窒息6 min时线粒体肿胀、粗 面内质网脱颗粒。窒息12 min时线粒体破坏,核异染色质聚集成团块状。窒息15 min时可以出现部分肝细胞 坏死。经过120 min复氧,仅窒息6 min时线粒体肿胀程度减轻,其余各组均未见改善。窒息后,肝细胞及其线 粒体Na、K元素含量明显降低,而cl、ca元素含量则显著升高;窒息后经过120 min复氧,除ca含量有所恢复 外,Na、K、CI的变化没有改善。结论肝脏在窒息早期即发生细胞结构损伤,窒息后虽然经过及时复氧,但细胞 结构损伤改善有限,窒息引起肝细胞Na、CI、K、Ca浓度的持续变化可能是造成肝脏损伤的原因之一。 【关键词】肝;窒息;超微结构;元素分析 【中图分类号】R 459.7 【文献标识码】A Ultrastructural and elemental effects of asphyxia on liver cells in rats ZHU Hui—gengA,YE Ruo-lan,FANG Yong (Department of Critical Care Medicine,Huashan Hospital,Fudan University,Shanghai 200040,China) [Abstract]Objective To investigate the mechanism of liver injury through studying the change of ul— trastructure and electrolytes of rat liver during asphyxia. Methods After peritoneal anesthesia and tracheal intubation,we switched off mechanical ventilation for 3,6,9,12 and 15 min in each group re— spectively and took out the liver.The rats of asphyxia-resuscitation group were reventilated for 120 min after breath stoppig before taking the lniver.All the specimens were analyzed for ultrastructure on transmission electron microscope and ions through quantitative electron probe X-ray microanalysis. Results Vesicula of smooth endoplasmic reticulum dilated and mitochondrial matrix darkened after as— phyxia for 3 mi.Mitochondria swelnled and rough endoplasmic reticulum degranuled after asphyxia for 6 min.Mitochondria degenerated and beterochromatin aggregated after asphyxia for 1 2 min.Partial liver cell necrosis appeared after asphyxia for 15 min.After resuscitation for 120 min,no improve— ments was observed except mitochondria swelling ameliorated in the group asphyxia for 6 min.Concen— tration of Na and K decreased notably while Ca and Cl increased on asphyxia.After resuscitation for 1 20 min.no improvement was seen in the concentration of Na,K,and Cl except Ca. Conclusions Liver cell injury happens in the early stage of asphyxia.The improvement of cell injury is limited even after prompt resuscitation.The continuous change of concentration of Na,C1,K and Ca may related to liver iniury caused by asphyxia. [Key words]liver; asphyxia; ultrastructure; electron probe microanalysis LCorresponding author E-mail:BL2988@sohu.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 朱会耕,等.窒息对大鼠肝细胞超微结构和元素分布的影响 385 在对危重病患者的抢救中,对于窒息导致患者 缺氧而造成病人大脑和肺部等脏器的损害及防治已 有深入探讨[1-33。然而对于窒息可能造成的肝脏损 chert,Austria)中冷冻固定,取出后进行冷冻切片 (Ultracut E FC-4D型冷冻超薄片机(Reichert— Jung,Austria),用CM120透射电镜(Philips公司) 定位,EDAX Phoenix型能谱仪进行电子探针X.射 线显微分析,分析时采用TEM模式,液氮冷阱抗 污染,加速电压80 kV,样品台出射角40。,电子束 害或加重肝脏原发病变的情况,至今少有报道。为 提供窒息造成肝细胞超微结构损伤的实验依据,本 文通过建立大鼠窒息模型,利用透射电镜观察了大 鼠窒息时肝细胞超微结构的改变,同时结合元素X 射线显微分析技术对窒息以及窒息后恢复氧供的肝 细胞及其线粒体进行元素检测,对窒息引起肝组织 斑直径测线粒体0.1 m、每个动物测试5个线粒 体,测整个细胞散焦全覆盖、每个动物测试5个细 胞,收谱时间200 S。经Quant Biological Version 损伤的原因有了进一步的认识,从而为临床抢救窒 息患者时,对保肝措施予以关注提供了科学依据。 材料和方法 试验动物清洁级Spragne Dawley(SD)大鼠 33只(由复旦大学实验动物中心提供),体重220 250 g。随机分为窒息组(A组,72=15),窒息一复氧 组(B组,72=15)和对照组(C组,72=3)。 窒息模型的建立大鼠经腹腔注射2 戊巴比 妥钠(40 mg/kg体重)麻醉,固定于不锈钢解剖台 (型号:CrTT.R,成都仪器厂)颈部剪毛,喉头和胸骨 间正中3 cm切口,分离气管并作“T”型切口,插入 硅胶管,接动物人工呼吸机(型号:DHX-150,成都 仪器厂),潮气量12 mL/kg,频率60次/min,吸/呼 比1:3,FiO 21 ;通气15 rain。各组随即分别不同 处理如下: 窒息组大鼠关闭人工呼吸机使呼吸停止3、6、 9、12、15 min后分别处死3只大鼠取出肝脏。 窒息一复氧组呼吸停止3、6、9、12、15 rain后重 新开启呼吸机120 min,然后分别处死3只大鼠取 出肝脏。 对照组3只大鼠不经呼吸停止直接处死取出 肝脏。 电镜技术电镜样品固定采用2.5 戊二醛和 1 OsO4双固定。大鼠处死后,迅速剪下肝脏,切 成小于1 mm3体积组织块,置2.5 戊二醛电镜固 定液2 h,经0.1 mol/L磷酸缓冲液漂洗后,用1 OsO 后固定1 h。接着0.1 mol/L磷酸缓冲液漂 洗,4℃冰箱内梯度乙醇脱水,至90 9/6乙醇和90 丙酮混合液,90 丙酮,再在100 丙酮室温下脱水 15 min,重复3次。618环氧树脂包埋。LKB-1型 超薄切片机(瑞典Leica)切片,切片厚度50 nm。枸 橼酸铅和醋酸双氧铀染色。CM120透射电镜(Phil- ips公司)观察并照相。 元素x射线显微分析技术 新鲜大鼠肝脏切 成小于1 nlrl-i3体积组织块,快速射入KF-80(Rei— 表示。 统计学分析元素分析数据以y-±s表示。采 用SPSS 11.5软件进行统计分析,组间数据的两两 比较采用t检验,多组间采用One—way ANOVA, P<0.05表示差异有显著统计学意义。 结 果 窒息对大鼠肝细胞超微结构的影响 对照组电镜下可见大鼠肝细胞呈多角形,中 央1~2个圆形核,核仁位于中央或略偏向一侧,核 质较均匀,核膜清晰。细胞质各种细胞器十分丰 富,细长粗面内质网的囊管多组聚集在一起,平行排 列,均匀分布于胞质中,滑面内质网的囊管分枝弯 曲、互相吻合成网,切面上呈小囊泡状。线粒体遍 布,数量多,杆状或卵圆形,基质较深暗,嵴的数量中 等。溶酶体多分布于胆小管或高尔基体附近,微体 也很多,还可见聚集成玫瑰花结状的糖原颗粒(a糖 原颗粒)和少量脂滴。其肝窦内皮细胞和库普弗细 胞形态正常。狄斯隙宽约0.25~2 ttm,含少许胶原 原纤维和网状纤维。肝细胞的窦状隙面有许多微绒 毛伸入狄斯隙,有的微绒毛穿过内皮细胞的窗孔。 微绒毛基部的胞质中有许多吞饮泡和含有致密无定 形物质的小泡。相邻肝细胞间胆小管,直径0.5~ 1肛m,短小无分枝微绒毛伸入管腔。质膜连接处紧 密连接和桥粒等组成的连接复合体结构清晰可见 (图1)。 窒息组窒息3 min与对照组相比滑面内质网 的囊管发生扩张。线粒体基质变深,其余结构无明 显差异(图2)。窒息6 min后,胞质中线粒体肿胀、 嵴模糊缺失,粗面内质网脱颗粒现象严重,部分内 质网形成大泡样结构(图3)。窒息9 min后进而出 现核异染色质着色深,核周池扩张。胞质内糖原颗 粒减少,窦状隙扩大。窒息12 min,许多线粒体破 坏,核异染色质聚集成团块状,核膜不清。胞质电 子密度加深。窒息15 min,肝细胞明显肿胀,细胞 3.1定量分析软件包处理。元素浓度单位以mg/kg 维普资讯 http://www.cqvip.com 复咀学报(医学版)2008年5月,35(3)器排列异常紊乱区。。出现明显的细胞器聚集区及空白。细胞器聚集区内大量泡状结构细胞膜连续性丧失。肝窦内皮细胞窗孔扩大(图4)。图1对照组大鼠肝细胞超微结构Fig1UilrastructureofratliverinthecontrolgroupI.iver∞11showeclnormalc11Tonatln,nailochon(1ria.HiltlendoplasnlkretiCLIlum图2窒息3min大鼠肝细胞超微结构Fig2Ultrastuctureofratliverafterasphyxiafor3arinVcsiculaofsmoothendoplasmictelkulum【{llatedandmilochondrialmatifxdarkene~l图3窒息6min大鼠肝细胞超微结构Fig3UltrastuclureofratliverafterasphyxiarI.r6minMitochondriadarkenedandroughend01)lasmicrcticulumdegranuled图4窒息15arin大鼠肝细胞超微结构Fig4Ultrastuctureofratliveraflerasphyxiafor15arinI,iverLellrl{、crosisW11hfinestrIjctIIrtdeslrtl(、liOlnat)peared窒息复氧组窒息3min复氧,与窒息组相比滑面内质网的囊管发生扩张、线粒体基质变深程度无差异。窒息6arin复氧后,线粒体肿胀变性程度减轻,粗面内质网脱颗粒现象仍然存在,内质网大泡样结构少见(图5)。窒息9min复氧后核异染色质着色仍有加深。窒息12min和窒息15arin复氧与单纯窒息组相比超微结构无明显改善。图5窒息6min复氧120min大鼠肝细胞超微结构Fig5Ultrastuctureofratliverafterasphyxiafor6arinresuscitationfor120arinMitochondriaswellingaswell∞scollII】lraslri【、t11r(;flmPliOr;11Pd窒息对大鼠肝细胞及其线粒体元素组成的影响Na含量检测窒息后大鼠肝细胞Na含量逐渐下降,窒息6min起差异显著(P<().05)(表1)。经过复氧12()arin后发现窄息6min组肝细胞Na含量与正常对照组无显著差异(尸>().05)(表2),提示肝细胞Na含量恢复,但窒息9、12、15arin组仍然低Na(P<().01)。维普资讯 http://www.cqvip.com 朱会耕,等.窒息对大鼠肝细胞超微结构和元素分布的影响 387 表1窒息后大鼠肝细胞元素含量 Tab1Concentration of electrol ̄m of ratliver after asphyxia (”P%0.叭,(2 P<O.05,"OS control 表3窒息后大鼠肝细胞线粒体元素含量 Tab 3 Concentration of electrolytes of mitochondria in rat liver after asphyxia (”P<0.叭,(2’P<O.05, s control 表4窒息一复氧后大鼠肝细胞线粒体元素含量 Tab 4 Concentration of electrolytes in mitochondria of rat liver after asphyxia-resuscitation (”P<0.叭,( P<O.05,"OS control 肝细胞中线粒体的Na含量窒息9 rain起降低 Cl含量检测 窒息后大鼠肝细胞Cl含量逐渐下 (P<0.05)(表3),复氧120 rain后情况类似 降,窒息6 min起差异显著(P<0.05)(表1)。经过 (表4)。 复氧120 min后肝细胞高Cl状态没有改善(表2)。 K含量检测 窒息后大鼠肝细胞K含量逐渐 同样,肝细胞中线粒体的Cl含量窒息后逐渐下 下降,窒息6 rain起差异显著(P<0.01)(表1)。 降,窒息6 rain起差异显著(P<O.05)(表3)。经 经过复氧120 rain后肝细胞低K没有改善(表2)。 过复氧120 rain后肝细胞中线粒体的高Cl状态从 肝细胞中线粒体的K含量窒息6 rain时突然 窒息3 rain时即已出现(P<O.01)(表4)。 升高(P<0.01),9 rain起明显下降(P<0.01)(表 Ca含量检测窒息后大鼠肝细胞Ca含量逐渐 3)。经过复氧120 rain后发现窒息6 rain组线粒体 升高,窒息6 rain起差异显著(P<O.01)(表1)。 K含量与正常对照无显著差异(P>0.05),但窒息 经过复氧120 rain后发现与单纯窒息6、9、12 rain 9、12、15 rain组仍然低K(P<O.01)(表4)。 各组比较,肝细胞高Ca状态显著改善(P<O.01) 维普资讯 http://www.cqvip.com (表2),虽然窒息12 min组Ca含量与正常对照组 相比仍过高(P<0.01)。 肝细胞中线粒体的Ca含量窒息3 min起大幅 增高(P<0.01)(表3),复氧120 min后窒息3 min 组有改善(P>0.05),其余时点线粒体仍然高Ca (表4)。 讨 论 由于肝脏强大的代偿能力,各种致病因子造成 的肝损伤往往无法经由肝功能生化检测早期发现。 就窒息而言,合并肝脏损伤的临床分析多见于新生 儿重度窒息,朱建幸等[4]曾报道170例患儿中有24 例合并肝脏损害(14.1 ),其标准是GPT>40 U /L。成年患者中,窒息造成肝脏损害更易被忽视, 国内仅有报道是关于SARS合并症的,陈煜[5]认为 SARS患者容易并发以转氨酶短暂升高为特点的肝 脏损害,缺氧可能是原因之一。 本研究从形态学上证实细胞超微结构的变化在 窒息3 min时已经有滑面内质网囊管扩张、线粒体 基质变深。窒息6 min时线粒体肿胀、粗面内质网 脱颗粒。窒息12 min时线粒体破坏,核异染色质聚 集成团块状。窒息15 min可以发生部分肝细胞坏 死,提示肝脏同样是窒息早期易受损的重要脏器 之一。 临床上如果患者一般状况良好,窒息可能仅仅 造成一过性肝脏损伤。然而对于重症患者,由于系 统性炎症反应综合征,应激和微循环障碍,高热、营 养不良、热卡不足及高分解状态,抗病毒、抗生素及 其他肝毒性药物的应用等,其肝脏本已不堪重负,如 果合并窒息,可能造成严重后果。 电子探针元素分析利用高能电子束轰击样品微 ’小区域,使样品中所含元素发射特定能量的X_射 线,通过对X_射线能量和强度进行分析,可以确定 待测样品中各元素的组成及其含量[6]。经过对本实 验各组肝细胞及其线粒体的元素分析,发现Na、K 元素含量明显降低,而cl、ca元素含量则显著升高。 目前的研究认为,肝细胞ATP缺乏,细胞膜受损, 跨膜Ca 内流,内质网等细胞内Ca库的释放增加, 细胞膜Ca泵排Ca能力和内质网Ca2 M -ATP 酶摄Ca能力减弱,导致肝细胞内Ca超载,是肝细 胞损伤的关键机制之一[7 ]。同时,还有研究认为 如果合并有严重的线粒体Ca超载,可使得肝脏损 伤呈进行性加重[ 。本实验证实窒息可同时造成肝 复旦学报(医学版)2008年5月,35(3) 细胞及其线粒体Ca超载。唯窒息9 min以内复氧 后肝细胞Ca超载可以缓解,提示窒息可能先造成 线粒体Ca超载,使细胞内ATP合成减少,Ca泵排 Ca 能力和内质网摄Ca2 的能力下降,进而引起 Na /Ca 交换逆转,使细胞内质网的Ca2 大量异 常释放伴Ca2 跨膜内流增加。所以造成肝细胞和 线粒体低Na高Ca。同时低Na也影响到了Na 一 K ATP酶的活性,加上缺氧引起的细胞膜通透性 改变,造成了高K状态。而高Cl代表了细胞结构 性损伤。 本实验中大鼠窒息后经过120 min复氧,Ca超 载现象缓解并不明显,Na、K、C1的变化也未见好 转。超微结构同样有一个持续的损伤性改变,说明 窒息对肝脏的损伤在短时间内无法复原,临床上采 取保肝措施是有积极意义的。 综上所述,肝脏在窒息早期即发生细胞结构损 伤,窒息后虽然经过及时复氧,但细胞结构损伤改善 有限,窒息引起肝细胞Ca超载和Na、C1、K浓度持 续变化可能是造成肝脏损伤的原因之一。 参考文献 [1]Acker T,Acker H.Cellular oxygen sensing need in CNS func— tion:physiological and pathological implications[J].JExp Bi— ol,2004,207(Pt 18):3 171—3 188. 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