The effects of CO2 levels and body temperature on brain interstitial pH alterations during the induction of hypoxic-ischemic encephalopathy in newborn pigs

二氧化碳水平和體溫對新生豬缺氧缺血性腦病誘導過程中腦間質pH變化的影響

來源：Heliyon 10 (2024)e28607

 

摘要

核心內容

該研究通過比較新生豬模型中常氧（38.5°C）和低溫（33.5°C）條件下，由缺氧（6% O?）或窒息（6% O?/20% CO?）引發的腦間質pH（pHbrain）變化，揭示了以下發現：

常溫條件下，缺氧和窒息均導致嚴重的腦酸中毒（pHbrain最低降至~5.9），且腦酸中毒程度遠超動脈血酸中毒（pHa最低降至7.24-6.78）。

低溫條件顯著緩解缺氧引起的腦酸中毒（pHbrain最低6.81），但對窒息引起的酸中毒改善有限（pHbrain最低6.27）。

恢復期所有組別pHbrain均恢復正常，未出現堿中毒反彈。

 

研究目的

探討不同缺氧類型（缺氧vs窒息）和體溫對腦酸中毒的影響，以優化新生豬HIE模型的生理機制研究，并為低溫治療的神經保護機制提供依據。

 

研究思路

實驗分組：4組新生豬（n=5-6/組）分別接受：

H-NT：常溫缺氧（6% O?）

A-NT：常溫窒息（6% O?/20% CO?）

H-HT：低溫缺氧

A-HT：低溫窒息

干預流程：20分鐘缺氧/窒息處理 + 60分鐘恢復期。

測量指標：動脈血壓（MABP）、心率（HR）、血氣參數（pO?、pCO?、pH?）、血糖、乳酸、腦間質pH（pHbrain）。

分析方法：統計學比較組間差異，多變量回歸分析pH與代謝指標的關系。

 

關鍵數據及研究意義

 

測量數據來源與意義

生理參數（表1）：

 

MABP、HR、cSO?、pO?、pCO?、血糖：反映整體循環和代謝狀態。例如，窒息組pCO?顯著升高（161.6 mmHg），表明高碳酸血癥。

 

意義：驗證模型有效性，顯示缺氧/窒息對全身代謝的影響差異。

pH?與pHbrain變化（圖3）：

 

常溫條件：缺氧和窒息均導致pHbrain急劇下降（H-NT:5.93，A-NT:5.90），但pH?下降幅度不同（H-NT:7.24→7.24，A-NT:7.50→6.78）。

 

低溫條件：H-HT組pHbrain僅降至6.81，而A-HT組仍為6.27。

 

意義：低溫對缺氧的保護優于窒息，可能與CO?積累抵消低溫效果有關。

代謝指標（圖4）：

 

 

乳酸和堿剩余（BE(b)）：缺氧和窒息均引發嚴重代謝酸中毒（乳酸峰值~10 mmol/L，BE(b)下降至-20 mmol/L）。

 

低溫效應：顯著降低窒息組的乳酸積累（A-HT乳酸峰值7.85 vs A-NT 10.56），但對缺氧組無顯著改善。

 

意義：低溫通過減少乳酸生成緩解酸中毒，但窒息的高CO?可能抑制此效應。

pH與代謝指標相關性（圖5）：

 

pH?與乳酸+pCO?：強相關（R2=0.83-0.93），驗證酸中毒的代謝/呼吸混合機制。

 

pHbrain與乳酸+pCO?：相關性較弱且組間差異大（R2=0.46-0.89），提示腦酸中毒受局部微環境調控。

 

意義：腦酸中毒機制復雜，需結合代謝、血流和CO?擴散等多因素分析。

 

結論解讀

常溫缺氧與窒息：兩者均導致嚴重腦酸中毒，但機制不同：

 

缺氧以乳酸酸中毒為主（高灌注促進葡萄糖代謝）。

 

窒息疊加高碳酸血癥（CO?擴散直接降低pHbrain）。

低溫的差異保護：

 

缺氧：低溫減少腦代謝需求，抑制乳酸生成，顯著緩解酸中毒。

 

窒息：CO?介導的酸中毒難以通過低溫改善，提示低溫治療對高碳酸血癥患者的局限性。

恢復期無堿中毒：腦pH恢復平穩，提示新生豬模型未出現繼發性損傷（如再灌注后活性氧爆發）。

 

Unisense電極數據的核心意義

直接測量腦間質pH：  

 

   使用丹麥Unisense的pH選擇性微電極（圖1），直接插入皮層測量pHbrain，克服了傳統間接方法（如動脈血pH或磁共振波譜）的空間分辨率不足問題。圖2顯示實時pH動態變化，揭示腦微環境對缺氧/窒息的快速響應。

 

揭示腦-血pH梯度：  

 

   在常溫缺氧（H-NT）中，pHbrain（5.93）與pH?（7.24）差異達1.31單位，而窒息（A-NT）差異為0.88單位（pHbrain 5.90 vs pH? 6.78）。這種梯度提示血腦屏障對H?/CO?擴散的調控作用，低溫可能通過減少乳酸跨屏障轉運減輕酸中毒（H-HT梯度縮小）。

指導臨床模型優化：  

 

   在新生豬模型中，窒息比缺氧更接近人類圍產期窒息病理（高CO?），但兩者均導致嚴重腦酸中毒。低溫對缺氧的保護效果提示其在單純缺氧性損傷中的優勢，而窒息需聯合CO?管理策略。

機制研究價值：  

 

   pHbrain數據為后續研究神經興奮性（如NMDA受體受pH調控）和細胞死亡通路（酸敏感離子通道）提供關鍵參數，推動靶向干預（如pH緩沖劑或乳酸轉運抑制劑）的開發。