討論

據(jù)我們所知，這是首次研究確定不同的急性缺氧方案對瘦小鼠和肥胖小鼠組織氧水平的影響。這項研究有幾項新發(fā)現(xiàn)。首先，頻繁的間歇性缺氧會導(dǎo)致肝臟出現(xiàn)大振幅的氧波動，反映了SpO2的波動，而肌肉中氧水平的波動會減弱，脂肪組織中的波動幾乎消失。其次，在基線常氧條件下，肥胖導(dǎo)致肝臟中的氧含量降低，主要是在肝靜脈周圍區(qū)域，而肌肉和脂肪中的氧含量在瘦和肥胖狀態(tài)下沒有差異。第三，在缺氧狀態(tài)下，肥胖小鼠和瘦小鼠肝臟、肌肉和脂肪中的氧含量相似。這項研究還得出了其他一些發(fā)現(xiàn)。在瘦小鼠中，所有類型的缺氧都會誘發(fā)胰島素抵抗和循環(huán)瘦素水平升高，但只有頻繁的間歇性缺氧(60次/小時)會增加脂肪組織的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)和TNF-a的產(chǎn)生。在肥胖小鼠中，頻繁的間歇性缺氧和持續(xù)缺氧會增強胰島素抵抗，但肥胖引起的血漿瘦素水平和TNF-a分泌的增加壓倒了急性缺氧的任何影響。在下面的討論中，我們將進(jìn)一步闡述這些發(fā)現(xiàn)的意義。

間歇性缺氧期間不同組織的缺氧模式。以前曾在人類和一些動物物種(包括貓、豚鼠、狗、兔子和大鼠)中測量過各種組織在基線常氧條件下的氧含量。平均PO2值從大鼠腦橋的1-3托到大鼠肝臟的20-30托不等，從狗肝臟的30-35毫米汞柱到狗腎臟的60-70毫米汞柱不等。我們發(fā)現(xiàn)瘦小鼠肝臟的基線PtiO2相對較高，達(dá)到71托(表2)。Almendros等人最近使用相同類型的氧電極和相同的技術(shù)報告了大鼠骨骼肌的基線氧水平為40-45托，大鼠內(nèi)臟脂肪的基線氧水平為~50托，比我們的研究低~5托(表2)。因此，目前報告的基線值與之前描述的基線值之間的差異可能是由于過去使用的電極類型不同或種間差異造成的，因為之前的測量都不是在小鼠體內(nèi)進(jìn)行的。

本研究的一個重要意義在于，它描述了間歇性缺氧時不同組織的氧氣模式。以前，越來越多的臨床和實驗文獻(xiàn)先驗地認(rèn)為，在間歇性缺氧和睡眠呼吸暫停中觀察到的血氧波動會轉(zhuǎn)化為不同器官和組織的氧波動。人們普遍認(rèn)為，間歇性缺氧和睡眠呼吸暫停的發(fā)病機制與缺血再灌注損傷相似。最近有人研究了間歇性窒息和間歇性缺氧對大鼠大腦皮層、骨骼肌和內(nèi)臟脂肪中氧含量的影響。Almendros等人的報告表明，在間歇性窒息和間歇性缺氧期間，血氧水平的波動會導(dǎo)致大腦和骨骼肌中氧含量的顯著波動，而內(nèi)臟脂肪中的波動幅度則會減弱。本研究證實，間歇性缺氧確實會在肝臟和骨骼肌中產(chǎn)生缺氧-復(fù)氧，而白色脂肪組織則表現(xiàn)出持續(xù)的缺氧模式，尤其是在頻繁的間歇性缺氧期間。這種持續(xù)模式可能是由于脂肪組織的灌注相對較差。

在過去十年中，發(fā)表了大量論文，試圖利用細(xì)胞培養(yǎng)來研究間歇性缺氧的分子機制。然而，在這些系統(tǒng)中，暴露方案是任意的，因為間歇性缺氧期間體內(nèi)的PtiO2尚不清楚。根據(jù)目前的數(shù)據(jù)，可以對間歇性缺氧細(xì)胞培養(yǎng)中的體內(nèi)條件進(jìn)行實際模擬。

不同缺氧暴露方案的影響。與不頻繁的間歇性缺氧相比，頻繁的間歇性缺氧和持續(xù)性缺氧在胰島素敏感組織、肝臟、骨骼肌和白色脂肪組織中引起更嚴(yán)重的缺氧(圖1A)。不頻繁的間歇性缺氧誘導(dǎo)的SpO2和PtiO2低點和峰值與頻繁的間歇性缺氧相似，但前者的平均SpO2和PtiO2水平遠(yuǎn)高于后者(表2和表3)。與常氧相比，間歇性缺氧期間PtiO2值出現(xiàn)過沖(圖1A)，這可能是由于缺氧發(fā)作后立即出現(xiàn)代償性過度通氣以及心輸出量代償性增加所致。在瘦小鼠中，所有類型的缺氧都會引起空腹血糖的相同升高，而血清胰島素水平?jīng)]有變化，這表明外周組織對胰島素作用有抵抗力，胰腺b細(xì)胞不能增加胰島素分泌。本研究的作者曾對小鼠進(jìn)行過優(yōu)格血糖高胰島素血癥鉗夾，結(jié)果表明，急性間歇性缺氧(60次/小時，持續(xù)9小時)會誘發(fā)胰島素抵抗。也有報道稱，在60次/小時的間歇性缺氧過程中，小鼠的胰島b細(xì)胞會受到缺氧損傷。Louis和Punjabi對健康的人類志愿者進(jìn)行了靜脈葡萄糖耐量試驗，并報告了類似的發(fā)現(xiàn)，即間歇性缺氧后胰島素敏感性降低，胰島素分泌沒有充分增加。本研究表明，即使是不頻繁的偶發(fā)性缺氧(12次/小時)也足以干擾瘦小鼠的胰島素和葡萄糖調(diào)節(jié)。

胰島素敏感性脂肪因子脂肪連通素的抑制被認(rèn)為可能是導(dǎo)致OSA和間歇性缺氧引起的胰島素抵抗的原因之一。本研究沒有發(fā)現(xiàn)證據(jù)表明脂肪連通素參與了間歇性低氧誘導(dǎo)的胰島素抵抗，但沒有測定生物活性高分子量脂肪連通素的水平。間歇性缺氧導(dǎo)致胰腺內(nèi)分泌不足的機制尚不清楚，但一種可能是瘦素抑制了胰島素分泌。在瘦小鼠中，所有類型的缺氧都會導(dǎo)致血清瘦素顯著增加，在不頻繁的間歇性缺氧中增加17倍，在頻繁的間歇性缺氧中增加9倍，在持續(xù)缺氧中增加44倍。本研究的作者曾指出，間歇性缺氧會增加瘦素水平。值得注意的是，人類OSA與高水平的循環(huán)瘦素有關(guān)，而持續(xù)氣道正壓治療可降低瘦素水平。總之，本研究表明，不頻繁的偶發(fā)性缺氧足以誘發(fā)瘦小鼠的高瘦素血癥，與間歇性缺氧相比，持續(xù)性缺氧會誘發(fā)更嚴(yán)重的組織缺氧和更高的瘦素水平。

頻繁的慢性間歇性缺氧會誘發(fā)不同器官和系統(tǒng)的氧化應(yīng)激。在大鼠體內(nèi)，慢性間歇性缺氧會導(dǎo)致心肌氧化應(yīng)激，與心功能不全有關(guān)。與大鼠相反，小鼠在間歇性缺氧期間相對不會受到心肌氧化應(yīng)激的影響，但肝臟會出現(xiàn)氧化應(yīng)激。在本研究中，頻繁的間歇性缺氧是唯一能引起瘦小鼠肝組織脂質(zhì)過氧化反應(yīng)小幅(20%)增加的暴露類型，而肌肉和脂肪則不受影響。頻繁的間歇性缺氧對小鼠肝臟的獨特影響可歸因于在PtiO2水平大幅頻繁波動時活性氧的產(chǎn)生更為旺盛，而肌肉和脂肪中的活性氧產(chǎn)生則有所減弱。肝臟的PtiO2波動在持續(xù)缺氧時不會發(fā)生，在不頻繁的間歇性缺氧時發(fā)生的頻率較低。值得注意的是，肥胖小鼠的肝臟脂質(zhì)過氧化反應(yīng)沒有增加，這可能與氧氣波動幅度較低有關(guān)。因此，本研究結(jié)果表明，瘦小鼠肝臟脂質(zhì)過氧化的增加可能與PtiO2頻繁的高振幅波動有關(guān)。

頻繁間歇缺氧的另一個獨特特征是炎癥反應(yīng)，表現(xiàn)為脂肪組織分泌的TNF-a增加。盡管兩組間歇缺氧組的平均脂肪PtiO2均低于PtiO2的最低點，但持續(xù)缺氧時卻沒有出現(xiàn)這種增加(表2和表3)。炎癥反應(yīng)不能歸因于缺氧-復(fù)氧，因為脂肪中的PtiO2水平幾乎沒有波動。本研究結(jié)果表明，頻繁間歇缺氧時TNF-a分泌過多可能是全身炎癥反應(yīng)所致，而非脂肪組織缺氧本身。

肥胖的影響。以前沒有比較過瘦小鼠和肥胖小鼠肝臟基線時的PtiO2水平。本研究表明，在常氧條件下，肥胖肝臟的PtiO2水平平均比瘦小肝臟低10托(表2)。雙硝唑染色顯示，缺氧區(qū)域位于肝靜脈周圍的肝小葉中心(3區(qū))。以前的研究表明，肝組織并不是均勻的，肝靜脈周圍的肝細(xì)胞明顯比肝臟周圍的肝細(xì)胞更缺氧。本研究結(jié)果的新穎之處在于肥胖小鼠的第3區(qū)缺氧更為突出。與瘦小鼠相比，肥胖小鼠的基線空腹血糖水平更高，這表明肝臟葡萄糖輸出量更高。缺氧會上調(diào)肝臟葡萄糖生成的一種關(guān)鍵酶--磷酸烯醇丙酮酸羧激酶，但組織缺氧在肥胖誘導(dǎo)的葡萄糖生成過程中的作用尚未得到探討。因此，肥胖與肝組織缺氧有關(guān)。

在基線條件下，肥胖不會引起附睪脂肪和骨骼肌缺氧。雖然以前沒有研究過肥胖對骨骼肌中PtiO2的影響，但目前在脂肪中的數(shù)據(jù)與以前在小鼠中的報告有所不同。然而，Ye等人測量了肥胖/ob小鼠的PtiO2，這種小鼠比飲食誘發(fā)肥胖的小鼠更肥胖。由于缺乏瘦素，ob/ob小鼠的脂肪組織灌注較差，因為缺乏瘦素可誘導(dǎo)血管生成。值得注意的是，人類研究也一致表明，肥胖會誘發(fā)脂肪組織缺氧。可以想象，如果在本研究中測量其他脂肪組織部位(網(wǎng)膜、腹膜后或皮下)的PtiO2，可能會發(fā)現(xiàn)缺氧現(xiàn)象。

肥胖對缺氧暴露期間PtiO2的影響以前一直不清楚。在間歇性缺氧期間，肥胖小鼠比瘦小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的氧合血紅蛋白不飽和(表2)。在這一發(fā)現(xiàn)的背景下，令人驚訝的是，肥胖小鼠和瘦小鼠在所有類型的缺氧暴露中表現(xiàn)出相同的肝臟、肌肉和脂肪氧含量。可以想象，在肥胖的情況下，組織氧合是通過一種尚未確定的機制來保持的。

這項研究的另一個重要發(fā)現(xiàn)是，盡管對肥胖小鼠和瘦小鼠組織氧含量的影響相似，但缺氧對肥胖動物代謝的影響不大。我們認(rèn)為，急性缺氧的影響很可能被肥胖所壓倒。事實上，肥胖會引起脂肪因子分泌的顯著變化和全身炎癥的增加。與瘦小鼠相比，肥胖小鼠的血漿瘦素增加了170倍，脂肪TNF-a的分泌增加了11.5倍，肝臟中TNF-a的表達(dá)增加了4到6倍，血漿脂肪連素減少了2倍。值得注意的是，肥胖的影響程度大大超過了缺氧的影響。急性缺氧對代謝的唯一影響是胰島素抵抗。與瘦小鼠不同，肥胖小鼠在頻繁間歇缺氧和持續(xù)缺氧的情況下，血清胰島素水平幾乎增加了一倍，這表明胰腺b細(xì)胞的分泌得到了保留。肥胖小鼠在間歇性和持續(xù)性缺氧期間瘦素水平?jīng)]有增加，瘦素缺乏抑制作用可能是胰島素分泌得以保留的原因。總之，在間歇性和持續(xù)性缺氧期間，肥胖并沒有增加代謝活躍組織的缺氧水平，肥胖的影響壓倒并掩蓋了急性缺氧的大多數(shù)促炎和代謝影響，但胰島素抵抗除外。

局限性。本研究存在一些局限性。首先，我們是在急性缺氧時測量PtiO2的。可以想象，慢性間歇性缺氧會導(dǎo)致不同的PtiO2組織特征。慢性間歇性缺氧是OSA的特征之一，其代謝和促炎癥反應(yīng)也可能不同于急性缺氧。其次，持續(xù)缺氧方案比兩種間歇性缺氧方案更嚴(yán)重。然而，盡管平均吸入氧氣分?jǐn)?shù)、SpO2和組織PtiO2最低，但與間歇性缺氧相比，持續(xù)性缺氧誘導(dǎo)了類似的胰島素抵抗增加，而炎癥和氧化應(yīng)激反應(yīng)則不那么突出。第三，PtiO2的測量是在全身麻醉的情況下進(jìn)行的。然而，在這兩種間歇性缺氧方案中，SpO2在兩次缺氧事件之間回升到正常缺氧值，這表明觀察結(jié)果可能與未麻醉動物有關(guān)。第四，探針測量的是一小塊隨機區(qū)域內(nèi)的氧張力，但每個器官和組織內(nèi)的PtiO2都各不相同。例如，在肝臟中，肝靜脈周圍區(qū)域的氧張力最低。使用Hypoxyprobe進(jìn)行免疫組化是一種補充方法。第五，使用Hypoxyprobe進(jìn)行免疫染色的靈敏度較低，只能檢測到PtiO2為10托的嚴(yán)重缺氧。最后，OSA會導(dǎo)致夜間高碳酸血癥，而在本模型中，小鼠要么處于低碳酸血癥狀態(tài)，要么處于正常碳酸血癥狀態(tài)。

結(jié)論和影響。頻繁的急性間歇性缺氧會導(dǎo)致肝臟和骨骼肌中氧的相互波動，而脂肪組織中則沒有PtiO2的波動。間歇性和持續(xù)性缺氧導(dǎo)致瘦小鼠和肥胖小鼠的組織缺氧和胰島素抵抗水平相似。在瘦小鼠中，所有類型的缺氧都會提高血清瘦素水平，而只有頻繁的間歇性缺氧會增加氧化應(yīng)激和脂肪炎癥。肥胖會誘發(fā)肝臟基線缺氧，并對脂肪因子和TNF-a的產(chǎn)生產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，這種影響壓倒了間歇性缺氧的影響。目前的數(shù)據(jù)表明，不頻繁和頻繁的間歇性缺氧對胰島素抵抗和脂肪因子分泌的影響相似。由于培養(yǎng)基中氣體灌流速度有限，細(xì)胞培養(yǎng)中不可能出現(xiàn)高頻率的氧氣波動，因此本研究表明，細(xì)胞培養(yǎng)中可實現(xiàn)的低頻氧氣波動對OSA具有生物學(xué)意義。