代謝、血液堿化和純氧影響呼吸調(diào)控的人體實驗研究III：血液堿化后純氧運動試驗*

孫興國，William W. Stringer，尹 希，王桂芝,4，呂 婧,,5，葛萬剛，劉 方,4, Karlman Wasserman

(1.中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院 國家心血管病中心阜外醫(yī)院 心血管疾病國家重點實驗室，心血管病國家臨床醫(yī)學研究中心， 北京 100037；2.美國加州大學洛杉磯分校Harbor-UCLA 醫(yī)學中心，洛杉磯生物醫(yī)學研究院，圣約翰心血管研究中心，美國加州90502；3.河北醫(yī)科大學第四人民醫(yī)院功能科，石家莊 050000；4.山東省濰坊醫(yī)學院麻醉學系臨床麻醉學教研室和臨床醫(yī)學系，濰坊261061；5.廣州市第一人民醫(yī)院麻醉科，廣州 510180）

代謝、血液堿化和純氧影響呼吸調(diào)控的人體實驗研究III：血液堿化后純氧運動試驗*

孫興國1,2,△，William W. Stringer2，尹 希1,3，王桂芝2,4，呂 婧1,2,5，葛萬剛1，劉 方1,4, Karlman Wasserman2

(1.中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院 國家心血管病中心阜外醫(yī)院 心血管疾病國家重點實驗室，心血管病國家臨床醫(yī)學研究中心， 北京 100037；2.美國加州大學洛杉磯分校Harbor-UCLA 醫(yī)學中心，洛杉磯生物醫(yī)學研究院，圣約翰心血管研究中心，美國加州90502；3.河北醫(yī)科大學第四人民醫(yī)院功能科，石家莊 050000；4.山東省濰坊醫(yī)學院麻醉學系臨床麻醉學教研室和臨床醫(yī)學系，濰坊261061；5.廣州市第一人民醫(yī)院麻醉科，廣州 510180）

目的：在急性血液堿化前、后空氣吸入下完成癥狀限制性最大極限心肺運動試驗(CPET)的基礎(chǔ)上，本文探討在血液堿化后吸入純氧對呼吸調(diào)控的影響。方法：正常志愿者5名在堿化血液后呼吸純氧CPET，在靜息、熱身、運動及恢復期，連續(xù)測定肺通換氣指標及每分鐘動脈取樣的血氣指標，對CPET期間的呼吸氣體交換和血氣指標的動態(tài)變化進行分析，同時與急性堿化血液前、后空氣CPET數(shù)據(jù)比較。結(jié)果：堿化血液后吸入純氧運動呼吸反應(yīng)與急性堿化血液前、后空氣CPET呼吸反應(yīng)基本一致。CPET期間，各運動狀態(tài)下的每分通氣量均與對照組相似(P＞0.05)；僅靜息每分通氣量較血液堿化空氣CPET略高(P＜0.05)，而其它狀態(tài)和恢復2min時均相近(P＞0.05)。潮氣量僅峰值運動時較對照和血液堿化空氣CPET略低(P＜0.05)；而運動過程和恢復2min時的潮氣量均相近(P＞0.05)。呼吸頻率在各個時間與血液堿化前后CPET均無差異(P＞0.05)。在堿化血液后吸入純氧運動各個時期的PaO2和SaO2較堿化血液前后空氣CPET時明顯提高(P＜0.001，P＜0.05)。血紅蛋白濃度雖然較急性血液堿化前后均低，但僅較血液堿化前顯著降低(P＜0.05)，比血液堿化后差異不顯著(P＞0.05) ； 開始時的PaCO2較堿化血液前后空氣CPET時降低(P＜0.05)，無氧閾時相近(P＞0.05)，但到峰值及恢復2 min時明顯增高(P＜0.05)；pH僅較對照增高(P＜0.05)，但與堿化血液空氣試驗時無差異；乳酸水平較對照略高，但僅在熱身和恢復期有差異(P＜0.05)。純氧提高了兩人無氧閾和三人峰值運動的功率和時間。結(jié)論：雖然血液堿化給予純氧， CPET呼吸反應(yīng)與堿化血液前、后空氣CPET呼吸反應(yīng)模式相似，表明運動中呼吸反應(yīng)主要取決于代謝變化，而非動脈血氣平均值高低。

堿化血液；吸入純氧；心肺運動試驗；呼吸反應(yīng)模式；呼吸頻率；潮氣量；分鐘通氣量；

傳統(tǒng)生理學分析呼吸調(diào)控時假設(shè)血液循環(huán)相對穩(wěn)定不變，即呼吸調(diào)控信號從肺經(jīng)過左心到達動脈的過程和時間延遲均被忽略。實際上，正常人呼吸時動脈血氧分壓和二氧化碳分壓一直是在一定范圍內(nèi)上下波動[1-6]。因此，動態(tài)分析呼吸通氣指標和血氣指標對于研究呼吸調(diào)控很有必要。心肺運動試驗(cardiopulmonary exercise testing，CPET)，作為一種無創(chuàng)傷、客觀、定量、連續(xù)、可重復多次的臨床檢測方法，是目前人體整體功能學唯一的檢測方法，可對心肺運動期間呼吸、循環(huán)、血液、代謝等多系統(tǒng)功能的連續(xù)動態(tài)變化進行整合分析[7-9]，具有重要的臨床價值。

血液循環(huán)和呼吸的共同目的是向組織運送代謝所需要的O2，同時把代謝產(chǎn)生的CO2運送出體外，O2和CO2為一體化自主調(diào)控的核心[10]。改變吸入O2濃度及體內(nèi)血液CO2含量對呼吸調(diào)控產(chǎn)生的影響尚不清楚。近年有人關(guān)注心肺運動試驗過程中吸入100% O2對呼吸調(diào)控的影響。Louvaris等[11]研究發(fā)現(xiàn)，慢性阻塞性肺疾病患者在恒定功率下吸入100% O2較吸入正常室內(nèi)空氣時的運動時間延長，但不影響運動肌肉的血流再分布。目前在這方面相關(guān)研究尚少，多數(shù)僅作了吸入100% O2與吸入室內(nèi)空氣的比較。為了研究動脈血液酸堿度、O2和CO2對呼吸調(diào)控的影響，本試驗研究了在堿化血液前后空氣CPET的基礎(chǔ)上，堿化血液之后再吸入100%O2進行CPET測試，對比觀察呼吸通氣指標、動脈血氣和混合靜脈血氣指標的變化，探討酸堿、O2和CO2在呼吸調(diào)控中的作用。

1 對象與方法

1.1 研究對象

1.2 尋找個體化功率遞增速率進行CPET預試驗1.3呼吸氣體交換測定和系統(tǒng)標定

1.4 動、靜脈導管置入和血液采樣準備

1.5 正式CPET方案的對照-吸入室內(nèi)空氣CPET

1.6 各種指標及其百分預計值的計算和測定

1.7 血液堿化后室內(nèi)空氣CPET

1.1 -1.7參見本刊急性血液堿化前后室內(nèi)空氣CPET[12,13]。

1.8 血液堿化后/純氧吸入運動試驗

完成急性血液堿化后吸入室內(nèi)空氣運動試驗后休息3 h，再次開始行心肺運動試驗檢查，而且運動過程中保證吸入100%氧氣。

1.9 運動過程中吸純氧裝置

Hans Rudolph“T”型非再呼吸活瓣裝置(twoway non-rebreathing valves)，三通開口，有兩個活瓣，無活瓣端接咬口器，呼氣活瓣開放端接氣流計，吸氣活瓣開放端接螺旋管，螺旋管接40L道格拉斯氣袋（Douglas bag）并與100%純氧氣瓶連接，有專人控制此連接裝置，使Douglas bag處于半充盈狀態(tài)(20～30 L)，保證正常氣壓下供應(yīng)純氧。

1.10 呼吸氣體交換測定和系統(tǒng)標定及動、靜脈導管置入和血液采樣方法

同吸入正常室內(nèi)空氣狀態(tài)下的CPET檢查方法(見1.5)。記錄通氣指標并作血氣分析，各種指標及其百分預計值的計算和測定見1.6。

1.11 按VCO2法心輸出量和動靜脈氧差計算VO2

由于當時測定技術(shù)有限，純氧濃度超出質(zhì)譜儀測定范圍，無法測出及PET O2，因此，按CO2法計算。人體心輸出量(cardiac output，CO)是一定的，通常用(每分攝氧量)計算CO，即式中C(a-v)O2為動-靜脈氧含量差[14,15]。也可用V·CO2計算CO，即由此可得出O2。

式中：Hb指血紅蛋白濃度，SO2指血氧飽和度(%)，PO2指血中氧分壓(mmHg)。

血漿中CO2含量(CplCO2)的計算使用Henderson-Hasselbach公式推導出的標準公式計算[15,17-20]：CplCO2=2.226×s×PCO2×(1+10pH-pK′)

式中：2.226是CO2在標準溫度、壓力及干濕度條件下由 mmol/L換算為ml/dl的轉(zhuǎn)換系數(shù)；s是CO2在mmol/L/mmHg下的等離子體溶解度系數(shù)，pK′是CO2-[HCO3-]緩沖系統(tǒng)的pK[15,17,21]。在37℃、pH7.4的正常人血漿中，s和pK’變量值為0.0307和6.0907，這兩個常數(shù)取決于血液的溫度和pH值，可由下式推導：

上式中T為血液溫度(單位℃)。

血液中總CO2含量(CbCO2，ml/dl)可由道格拉斯等的公式[15,17]計算得出，該公式考慮到了運動中溫度及pH值對s和pK′的影響：

本試驗過程中測了動脈血氣及混合靜脈血氣，可從以上公式計算動脈血和混合靜脈血O2含量及CO2含量，由此得出動脈血與混合靜脈血中O2含量的差值[C(a-v)O2]以及混合靜脈血與動脈血中CO2含量的差值[C(v-a)CO2]。

根據(jù)以上所有公式以及試驗中所測得的血氣和氣體交換數(shù)值，從而可以計算出CO（CO2）和CO(O2)及SV(每搏心輸出量，SV=CO/HR)。

1.12 統(tǒng)計學分析

應(yīng)用統(tǒng)計軟件SPSS 20.0進行統(tǒng)計學處理。采用雙側(cè)檢驗。計量資料以均值±標準差（）表示。對各種連續(xù)動態(tài)測定的通氣指標及動脈血氣指標等參數(shù)，進行不同時間之間的單因素方差分析，兩兩比較；并與非堿化血液以及堿化血液呼吸室內(nèi)空氣狀態(tài)下所測得的各參數(shù)進行方差分析。

2 結(jié)果

2.1 部分志愿者極限運動時間延長和功率增高

全部志愿者在堿化血液后按預計方案行CPET檢查，達到的無氧閾功率、峰值功率和時間信息見表1（表1見彩圖頁IX）。在堿化血液基礎(chǔ)上吸入100% O2，與非堿化血液吸入100% O2和堿化血液呼吸室內(nèi)空氣相比，5人中有3人的無氧閾功率和最大功率發(fā)生了不同程度的遞增(25～40 W)以及運動時間延長30～60 s。

志愿者在遞增功率運動第4～5分鐘時達到無氧閾，在第8.5～9.5分鐘時達到峰值。志愿者達到無氧閾時的功率是125～160 W，峰值功率負荷是250～360 W（表1，表1見彩圖頁IX）。

2.2 CPET通氣及動脈血氣指標的連續(xù)動態(tài)變化

從圖1和圖2（圖1見彩圖頁X，圖2見彩圖頁XI）中可以看出，運動試驗中隨著功率的遞增，潮氣量(VT)和每分通氣量(V·E)、均呈現(xiàn)近線性漸進性遞增(P＜0.05)；呼吸頻率在低強度運動時增快不顯著(P＞0.05)，超過無氧閾水平后顯著增快(P＜0.05)。急性堿化血液吸純氧運動中的呼吸反應(yīng)模式與非堿化及堿化血液吸入室內(nèi)空氣運動時基本一致。動脈血氧濃度一直維持高水平不變(P＞0.05)，動脈血PaCO2逐步提高到無氧閾后開始顯著下降(P＜0.05)，動脈血pH值逐漸降低；[HCO3-]在無負荷運動時最高，隨后逐漸下降，超過無氧閾水平后迅速降低(P＜0.05)；運動過程中乳酸水平逐漸升高，達到無氧閾水平后迅速增高(P＜0.05)；運動過程中血紅蛋白水平逐漸增高，處于峰值狀態(tài)時明顯增高(P＜0.05)。

2.3 在各運動狀態(tài)下的通氣及血氣指標與非堿化血液吸入室內(nèi)空氣對照的比較

2.3.1 純氧運動狀態(tài)下的通氣反應(yīng)比較 堿化血液吸入純氧CPET在每個運動狀態(tài)下的肺通氣詳見表2（表2見彩圖頁IX）；而與急性堿化血液前后兩次空氣CPET相比較的每30 s連續(xù)動態(tài)變化（圖1，圖1見彩圖頁X）。 堿化血液吸入純氧CPET時的每分通氣量，除了靜息狀態(tài)較堿化血液吸入空氣運動時增高略顯著外(P＜0.05)；熱身狀態(tài)和恢復2 min似乎略高，而運動中又略低，但均無統(tǒng)計學差異(P＞0.05)；與堿化血液前對照CPET比較靜息、熱身和恢復狀態(tài)均增高(P＞0.05)，而無氧閾和峰值狀態(tài)通氣顯著減低(P＜0.05)。潮氣量峰值狀態(tài)下較非堿化血液及堿化血液呼吸室內(nèi)空氣明顯減低(P＜0.05)，其余各狀態(tài)均無差異(P＞0.05)。在整個堿化血液吸入純氧CPET期間的呼吸頻率與堿化血液前、后空氣CPET的呼吸頻率均沒有顯著不同(P＞0.05)。與堿化血液前、后空氣CPET比較，VCO2各個狀態(tài)下反應(yīng)也均無差異(P＞0.05)。

2.3.2 純氧運動狀態(tài)下的ABG反應(yīng)比較 堿化血液吸入純氧CPET在每個運動狀態(tài)下的ABG相關(guān)指標變化詳見表3（表3見彩圖頁IX）；而與急性堿化血液前后兩次空氣CPET相比較的每狀態(tài)及每分鐘連續(xù)動態(tài)變化趨勢（圖2，圖2見彩圖頁XI）。CPET各運動狀態(tài)血紅蛋白濃度均較堿化血液前和后吸入空氣運動時進一步降低，但僅與堿化血液前差異顯著(P＜0.05)。 動脈血氣分析指標中PaCO2和血氧飽和度均較堿化血液前和后吸入空氣運動時明顯增高(P＜0.001和P＜0.05 )。PaCO2較堿化血液前和后吸空氣CPET時減低，無氧閾時無明顯差異，但峰值狀態(tài)及恢復2min明顯增高(P＜0.05)。pH較堿化血液前明顯增高 (P＜0.05)，與堿化血液后呼吸空氣運動無差異(P＞0.05)。乳酸水平較堿化血液前增高，在熱身狀態(tài)及恢復期有顯著差異(P＜0.05)。

2.4 CPET核心功能指標

堿化血液吸入純氧CPET期間心肺代謝等整體功能核心指標見表4（表4見彩圖頁XI）。堿化血液吸入純氧時的峰值耗氧量為(4.30±1.18)L/ min，無氧閾時的氧耗量為(1.80±0.29)L/min，峰值氧脈搏為(22.66±6.12)ml/beat，攝氧通氣效率（即攝氧效率峰值平臺,OUEP）為75.72±32.24ml/L（P＜0.01）， CO2排出通氣效率（通氣效率最小值）為22.94±2.85，以上各值占預計值的百分比分別為134.14±34.17、104.28±16.48、122.36±18.52、170.31±70.96（P＜0.01）、96.82±11.81。除了OUEP實測值及其百分預計值外（P＜0.01），所有核心指標與服用NaHCO3堿化血液前、后吸入正常空氣狀態(tài)下行CPET檢查所測得數(shù)據(jù)相比，均無統(tǒng)計學差異(P＞0.05)。

3 討論

3.1 相似的呼吸反應(yīng)模式

堿化血液吸入純氧CPET期間，隨著運動功率逐步遞增，潮氣量、每分通氣量、每分肺泡通氣量和肺泡通氣量均呈現(xiàn)直線性漸進性遞增(P＜0.05)；呼吸頻率在低強度運動時增快不顯著(P＞0.05)，超過無氧閾水平呼吸頻率才顯著增快(P＜0.05)；在吸入100% O2運動過程中的呼吸反應(yīng)模式與非堿化及堿化血液吸入室內(nèi)空氣時運動中呼吸模式一致。堿化血液后改變吸入的O2濃度只改變了血液中的PaCO2、pHa（[H+]a）、CO2含量、PaO2、SaO2及O2含量的平均值，并未改變呼吸基本模式和CPET運動中的反應(yīng)模式。血液中的PaCO2、pHa（[H+]a）、CO2含量，PaO2、SaO2及O2含量調(diào)控呼吸并不僅取決于其平均值的高低，其隨著呼吸轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的“W”形波浪式信號的升降才是生命調(diào)控實現(xiàn)呼吸切換所必需[1-7]。

3.2 吸純氧后運動耐力提高

本研究堿化血液后純氧吸入CPET，5名受試者中3人的最大功率出現(xiàn)不同程度的遞增25～40 W、運動時間延長30～60 s；而其中2人同時表現(xiàn)出AT延后。表明吸入純氧提高了肺泡氧分壓和動脈血氧含量，相對地減少了呼吸作功。已經(jīng)有不少實驗研究提高氧的補充，通過提高了動脈血氧含量而且減少相應(yīng)的呼吸作功[11,22-26]，提高峰值作功能力同時，也改善腿部肌肉血流峰值和氧運送能力[22,26]；吸純氧還可能通過降低所謂的呼吸肌代謝反射弧的作用，減少呼吸作功功率，進而減少運動中腿部肌肉交感神經(jīng)血管收縮流出量[22,26]。Maltais等[26]研究發(fā)現(xiàn)，COPD患者在增量運動中，急性補氧可改善腿部肌肉血流峰值，使患者能完成超過峰值20%的額外工作。

3.3 不同運動狀態(tài)的比較

在堿化血液吸入純氧時的靜息狀態(tài)下，每分通氣量較堿化血液增高(P＜0.05)，運動過程中每分通氣量減低，恢復2 min時每分通氣量增高(P＞0.05)；與非堿化血液吸入空氣時比較，靜息、熱身、恢復狀態(tài)每分通氣量增高(P＞0.05)，無氧閾、峰值狀態(tài)每分通氣量減低(P＞0.05)。堿化血液吸入純氧時，峰值狀態(tài)下的潮氣量較非堿化血液及堿化血液呼吸室內(nèi)空氣時明顯減低(P＜0.05)，其余各狀態(tài)均無明顯差異(P＞0.05)。體內(nèi)血O2含量增高，組織有足夠的O2利用，因此不需更多的呼吸代償，所以潮氣量和每分通氣量減低。Scanco等[27]研究發(fā)現(xiàn)，慢性阻塞性肺疾病患者吸入100% O2運動期間，每分通氣量、心率、呼吸頻率均減低，與本研究結(jié)果相似。

3.4 本實驗的局限性

由于試驗時設(shè)備條件所限，在吸入純氧運動時不能直接測定攝氧量及呼氣末氧分壓，通過測定每分二氧化碳排出量和動靜脈二氧化碳濃度差計算出二氧化碳方法每分輸出量，特別是在正常情況下以二氧化碳方法測定每分輸出量明顯會比氧氣測定方法誤差大一些[14,15]，我們再通過每分輸出量除以動靜脈氧差推算出每分攝氧量的結(jié)果可能會產(chǎn)生些許誤差；本研究樣本量小，存在統(tǒng)計偏倚，因此本試驗研究有其局限性。

3.5 未來人體呼吸調(diào)控研究方向的建議

對于未來研究，建議加大樣本量對與此有關(guān)的內(nèi)容進行系列研究，特別是關(guān)注在生命任何代謝狀態(tài)下肺泡和動脈的氧氣、二氧化碳和血液中氫離子濃度的動態(tài)波浪式變化在參與呼吸調(diào)控的綜合分析研究，以便探討以氧代謝為核心的呼吸、循環(huán)一體化調(diào)控機制。

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Human experiments of metabolism, blood alkalization and oxygen effect on control and regulation of breathing III: pure oxygen exercise test after blood alkalization

SUN Xing-guo1,2△, STRINGER WW2, YIN Xi1,3, WANG Gui-zhi2,4, LV Jing1,2,5, GE Wan-gang1, LIU Fang1,4, WASSERMAN K2
(1.State Key Laboratory of Cardiovascular Disease, Fuwai Hospital, National Research Center of Clinic Medicine for Cardiovascular Diseases, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100037, China; 2. Los Angeles Biomedical Research Institute at Harbor-UCLA Medical Center, University of California at Los Angeles, St. John’s Cardiovascular Research Center, California 90502; 3. The 4thPeople’s Hospital Affiliated Hebei Medical University, Shijiazhuang 050000; 4. Departments of Anesthesiology and Clinical Medicine, Weifang Medical University, Weifang 261061; 5. Department of Anesthesiology, the 1stPeople’s Hospital of Guangzhou, Guangzhou 510180, China)

Objective: Aer performed symptom-limited maximum cardiopulmonary exercise testing (CPET) before and aer acute alkalized blood, we repeated CPET with pure oxygen. Methods: Five volunteers, 3hr aer alkalizing blood room air CPET, re-performed CPET inhaling from Douglas bag connected with pure oxygen tank. We compared with those of room air CPETs before and after alkalized blood. Results: After alkalized blood oxygen CPET had a similar response pattern as those of CPETs before and aer blood alkalization. During the CPET, all breath frequency, minute ventilation and tidal volume at each stage were similar to those of CPETs before and aer alkalized blood (P＞0.05),except there was a lower peak tidal volume than those of both CPETs and a slightly higher resting minute ventilation only than CPET aer alkalized blood (P＞0.05). Aer alkalized blood, oxygen CPET, all PaO2and SaO2and most Hb were lower than those of both CPETs (P＜0.05).e pHa and [HCO3-]a were higher than those of CPET before alkalized blood (P＜0.05); but were not CPET aer alkalized blood (P＞0.05). PaCO2was similar to that of CPET before alkalized blood (P＞0.05), but was lower than that of CPET aer alkalized blood at resting and warm-up (P＜0.05); then was similar to both CPETs at anaerobic threshold (P＞0.05); but was higher at peak exercise higher than those of both CPETs (P＜0.01). Oxygen increased 2,3 volunteers’ workload and time at AT and peak exercises. Conclusion: Respiratory response pattern to oxygen CPET aer alkalized blood is similar to those of both CPETs before and aer alkalized blood.e CPET response is dominantly depended upon metabolic rate, but not levels of pHa, PaCO2and PaO2.

alkalizing blood; inhale pure oxygen; cardiopulmonary exercise testing；respiratory response pattern；respiratory frequency; tidal volume; minute ventilation

R332.3

A

1000-6834 (2015) 04-349-007

＊ 【基金項目】國家自然科學基金醫(yī)學科學部面上項目（81470204）；國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2012AA021009);中國醫(yī)學科學院國家心血管病中心科研開發(fā)啟動基金（2012-YJR02)

2015- 06-05

2015-07-05

△【通訊作者】Tel： 010-88398300 ；E-mail： xgsun@labiomed.org