WKY大鼠與自發(fā)性高血壓模型大鼠( SHR) 大腦中動脈拉伸力學特性的對比分析

許東輝，李東原，黃淑華，李新穎

(1.吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院神經(jīng)外科，長春 130031；2.吉林省人民醫(yī)院眼科，長春 130026；3.吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院超聲科，長春 130031)

1 引 言

高血壓是心腦血管最主要的的危險因素，因此對高血壓的預防和治療是當今醫(yī)學界研究的重要課題。國內(nèi)外學者對的預防、診斷和治療高血壓等進行了大量的研究[1-5]。徐桂中等[6]對維生素 C對自發(fā)性高血壓大鼠血壓和血清一氧化氮血漿內(nèi)皮素Ⅰ和血壓、血漿血管緊張素Ⅱ含量的影響進行了研究，得出了維生素 C抑制了血清一氧化氮的減少及血漿內(nèi)皮素Ⅰ、血漿 AngⅡ的增多， 延緩了自發(fā)性高血壓大鼠的血壓升高的結(jié)論。海峰等[7]對不同劑量的鎮(zhèn)肝熄風湯對自發(fā)性高血壓大鼠( SHR ) 血壓、心血管MAPK mRNA、 MAPK/E和RK 通路中的絲裂原激活蛋白激酶(mitogen - activated protein kinase，MAPK) 蛋白表達的影響進行了研究，結(jié)果表明自發(fā)性高血壓大鼠以鎮(zhèn)肝熄風湯中藥高劑量、中劑量干預組和以復方羅布麻組干預與模型組比較，血壓下降明顯(P<0.01);得出了鎮(zhèn)肝熄風湯具有明顯的促進血管內(nèi)皮細胞的活性和降壓的作用的結(jié)論。

國內(nèi)外學者對動脈血管的力學性質(zhì)進行了一定的研究，Hou xuhui等[8]研究了胎兒臍靜和成人尸體大腦中動脈的縱向拉伸力學特性，得出了大腦中動脈和胎兒臍靜脈的應力應變曲線相似，胎兒臍靜脈的力學特性對移植大腦中動脈損傷的修復有利的結(jié)論。Li dongyuan 等[9]研究了大腦中動脈與胎兒臍靜脈的應力松弛、蠕變特性，得出了胎兒臍靜脈的蠕變和應力松弛特性對胎兒臍靜脈移植大腦中動脈損傷后的血管重建有利的結(jié)論。

近年來，血管拉伸被提出作為制造人工血管和血管再生的一種手段[10-11]。鑒于此，我們對SHR大鼠和正常 WKY 大鼠大腦中動脈進行縱向拉伸實驗，以生物力學的觀點探討動脈粥樣硬化的發(fā)病機理。

2 材料與方法

2.1 材料

實驗動物 5月齡健康雄性 WKY 大鼠20只，體質(zhì)量為290～325 g，5月齡健康雄性SHR 大鼠20只，體質(zhì)量為290～325 g，均由長春高新醫(yī)學動物實驗中心提供(許可證號SCXK(吉)2003-0004)。兩組 大鼠以標準鼠飼料飼養(yǎng)3天。

2.2 方法

2.2.1兩組大鼠血壓的測量 二組大鼠處死前連續(xù)3天通過尾動脈測量血壓1 次，WKY 組大鼠收縮壓為116.0±5.1 mmHg，SHR 組大鼠收縮壓為180.0±4.3 mmHg。

2.2.2大腦中動脈標本取材 各組大鼠飼養(yǎng)3天后，10%水分氯醛( 0.3 ml/100g) 通過腹腔注射麻醉大鼠后開顱，在上海安信光學制造有限公司生產(chǎn)的ASX-1手術(shù)顯微鏡下，找到大腦中動脈，以江蘇省盱眙縣淮安聯(lián)合易康醫(yī)療用品有限公司生產(chǎn)的S-5無菌塑柄手術(shù)刀將大腦中動脈切取，每組各20個標本，將紗布以生理鹽水浸濕后包裹標本，放置在生理鹽水槽中，于4℃環(huán)境下保存。

2.3 試樣切取與分組

實驗前以江蘇省盱眙縣淮安聯(lián)合易康醫(yī)療用品有限公司生產(chǎn)的S-5無菌塑柄手術(shù)刀切取 WKY 大鼠和SHR 大鼠大腦中動脈試樣各20個，試樣長10 mm。

2.4 各組大腦中動脈縱向拉伸實驗

各組大腦中動脈縱向拉伸實驗設備為長春試驗機研究所生產(chǎn)的電子萬能試驗機(長春，吉林省，中國)，試驗機配有溫控儀，可根據(jù)實驗需要進行設定。按文獻[12-13]的方法以長春市第三光學儀器廠生產(chǎn)的ccs-3型讀數(shù)顯微鏡(長春，吉林省，中國)測量各組大腦中動脈試樣的長度和直徑，WKY 組大鼠大腦中動脈試樣直徑0.98～1.02 mm，SHR組 大鼠大腦中動脈試樣直徑0.96～0.99 mm，。按文獻[12-14]的方法對各組大腦中動脈試樣進行預處理。在36.5℃±0.5 ℃的條件下進行實驗。分別將每個大腦中動脈試樣裝夾于試驗機的夾具內(nèi)，以0.5 mm/min的速度對試樣施加拉伸載荷。為保持試樣濕度，實驗中不斷的向試樣淋生理鹽水。.實驗結(jié)束后,計算機自動輸出大腦中動脈的拉伸彈性限度應變、彈性模量、最大應力、最大應變等和應力-應變曲線。

2.5 統(tǒng)計學分析

計量資料以mean ± SD表示，用SPSS16.0 軟件包(SPSS, Chicago, IL, USA)進行數(shù)據(jù)分析，組間數(shù)據(jù)差異的比較采用單因素方差分析法和Sceffe法，P< 0.05 為差異有顯著性意義。以回歸分析的方法分別建立 SHR 大鼠組和WKY大鼠組大腦中動脈的應力-應變關系表達式。

3 結(jié)果

3.1 大腦中動脈樣本數(shù)量分析

大腦中動脈樣本數(shù)量分析：WKY大鼠組大腦中動脈試樣20個、SHR 大鼠組大腦中動脈試樣20個，納入拉伸實驗樣本40個，無脫落，40個樣本全部納入結(jié)果分析。

3.2 WKY大鼠和SHR大鼠大腦中動脈力學性質(zhì)對比分析

各大鼠大腦中動脈試樣的縱向拉伸實驗結(jié)果見表1。

表1 各組大鼠大腦中動脈試樣拉伸實驗結(jié)果

注：SHR組和 WKY 組大腦中動脈試樣最大應變、最大應力、彈性限度應變、應力為10.7 kpa、16.0 kpa、22.5 kpa對應的彈性模量值分別配對t檢驗差異顯著(P<0.05)。

實驗結(jié)果表明, WKY 大鼠組大腦中動脈彈性限度應變、最大應力、最大應變大于SHR大鼠組大腦中動脈(P<0.05)，有統(tǒng)計學意義，SHR大鼠組大腦中動脈應力為10.7 kpa、16.0kpa、18.7kpa，對應的彈性模量值大于WKY 大鼠組大腦中動脈(P<0.05)，有統(tǒng)計學意義。

3.3 各組大鼠大腦中動脈應力-應變曲線

WKY 大鼠和SHR大鼠大腦中動脈的應力-應變曲線見圖1。

圖1 兩組大鼠大腦中動脈應力-應變曲線

由圖1可知，對于WKY 大鼠大腦中動脈當應變由0%～5.9%時，應力-應變曲線基本呈指數(shù)關系變化，應變由5.9%～34.7%時，應力-應變曲線基本為線性關系變化，當應變由34.7%～48.7%時應力-應變曲線又呈指數(shù)關系變化，當應變由48.7%～66.2%，試樣產(chǎn)生較大變形，載荷變化緩慢。SHR大鼠大腦中動脈當應變由0～3.2%時，應力-應變曲線基本呈指數(shù)關系變化，應變由3.2%～24.1%時，應力-應變曲線基本呈正比關系變化，當應變由24.1%～39.6%時，應力-應變曲線又呈指數(shù)關系變化，當應變由39.6%～55.2%時，試樣產(chǎn)生較大變形，載荷變化緩慢。

3.4 各組大鼠大腦中動脈應力-應變關系表達式的建立

應用回歸分析的方法，由各組大腦中動脈拉伸實驗得出的應力、應變數(shù)據(jù)，分別建立各組大腦中動脈試樣的應力-應變函數(shù)關系表達式，結(jié)果如下：

WKY大鼠組大腦中動脈：σ(ε)=-0.0000e5+0.0002e4+1.847e3+3.676e2。

SHR大鼠組大腦中動脈：σ(ε)=-0.0000e5+0.0001e4+0.0172e3+6.113e2。

4 討 論

WKY 大鼠與SHR大鼠大腦中動脈試樣拉伸實驗結(jié)果表明，WKY 大鼠大腦中動脈拉伸最大應力、彈性限度應變最大應變大于SHR大鼠大腦中動脈組，差異顯著(P<0.05)，SHR大鼠大腦中動脈組應力為10.7、16.0、18.7 kpa時對應的彈性模量值大于 WKY大鼠大腦中動脈組，差異顯著(P<0.05)。有研究表明，血管壁的彈性纖維和膠原纖維的含量和空間構(gòu)型對血管生物力學性能起著重要的作用，動脈的力學特性與管壁的彈性纖維、膠原纖維密切相關[15-16]。膠原纖維使膠原組織在載荷作用下具有一定的剛度和強度，彈性纖維使膠原組織具有在應力作用下的延伸能力[17]。分析認為，由于高血壓后導致 SHR大鼠 動脈血管的膠原纖維，彈性纖維的含量和排列方向發(fā)生改變，使其力學性能指標降低，力學特性發(fā)生了改變。本實驗發(fā)現(xiàn)，應力在16.0 kpa之內(nèi)(相當于正常人舒張壓)，WKY 大鼠大腦中動脈與SHR大鼠大腦中動脈試樣應變變化較快，應力超過16.0 kpa后應變變化較慢，大腦中動脈管壁在應力的作用下，當應力升高，應變不隨之急劇升高，而變化緩慢，這可對在應激情況下，當血壓極劇升高時，大腦中動脈不出現(xiàn)臨床癥狀，可以起到對人或動物的保護作用。分析認為，由于SHR大鼠機體的衰老導致動脈硬化，所以其大腦中動脈的硬度增加，彈性和韌性降低，提高了彈性模量。彈性模量直接反應動脈的彈性特性，SHR大鼠大腦中動脈彈性模量大，說明動脈管壁的硬度高，順應性不好。高血壓時血管在高應力作用下, 血管的應力分布規(guī)律被打亂,增加了應力對血管壁的作用, 血管壁的通透性受到改變, 促進了動脈粥樣硬化的形成。高血壓可引起主動脈結(jié)構(gòu)重建，使血管壁的力學特性發(fā)生改變，從而加速了動脈粥樣硬化的發(fā)展，如不加以干預、控制，將會發(fā)生腦卒中、腦出血等。

本研究發(fā)現(xiàn)，無論是 WKY大鼠大腦中動脈還是SHR大鼠大腦中動脈的彈性模量都隨應力的增加而增大。本研究與Hayashi等[18]對人尸體顱內(nèi)、外動脈的研究結(jié)果，彈性模量隨血壓的增高而增大表現(xiàn)出良好的一致性。

以往大腦中動脈的力學性質(zhì)研究，主要以一維環(huán)向應力-應變關系和測定其壓力-容積關系居多，大腦中動脈縱向拉伸實驗的實驗速度高于0.5 mm/mim，本實驗與以往研究不同的是以0.5 mm/mim的實驗速度測量WKY 大鼠與 SHR 大鼠大腦中動脈的最大應變、彈性限度應變、最大應力和應力為10.7 kpa、16.0 kpa、17.8 kpa時的彈性模量等和應力-應變曲線，以回歸分析的方法建立了 WKY大鼠與SHR大鼠大腦中動脈的應力-應變關系表達式，定量的對比分析WKY大鼠與SHR大鼠大腦中動脈的力學性質(zhì)，以生物力學的觀點探討了動脈粥樣硬化的發(fā)病機理，為了解動脈粥樣硬化的發(fā)病機理提供了生物力學基礎。

本研究WKY大鼠與SHR大鼠大腦中動脈試樣的取樣方法和試樣保存方法一致，試樣預調(diào)處理方法和拉伸實驗速度一致的干預措施，使實驗結(jié)果可靠，但由于大腦中動脈實驗樣本有限和實驗大鼠間的個體差異性的原因，使實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的離散性，但對了解動脈粥樣硬化的發(fā)病機理還是有一定的參考價值的。