讨论


据我们所知，这是首次研究确定不同的急性缺氧方案对瘦小鼠和肥胖小鼠组织氧水平的影响。这项研究有几项新发现。首先，频繁的间歇性缺氧会导致肝脏出现大振幅的氧波动，反映了SpO2的波动，而肌肉中氧水平的波动会减弱，脂肪组织中的波动几乎消失。其次，在基线常氧条件下，肥胖导致肝脏中的氧含量降低，主要是在肝静脉周围区域，而肌肉和脂肪中的氧含量在瘦和肥胖状态下没有差异。第三，在缺氧状态下，肥胖小鼠和瘦小鼠肝脏、肌肉和脂肪中的氧含量相似。这项研究还得出了其他一些发现。在瘦小鼠中，所有类型的缺氧都会诱发胰岛素抵抗和循环瘦素水平升高，但只有频繁的间歇性缺氧(60次/小时)会增加脂肪组织的脂质过氧化反应和TNF-a的产生。在肥胖小鼠中，频繁的间歇性缺氧和持续缺氧会增强胰岛素抵抗，但肥胖引起的血浆瘦素水平和TNF-a分泌的增加压倒了急性缺氧的任何影响。在下面的讨论中，我们将进一步阐述这些发现的意义。


间歇性缺氧期间不同组织的缺氧模式。以前曾在人类和一些动物物种(包括猫、豚鼠、狗、兔子和大鼠)中测量过各种组织在基线常氧条件下的氧含量。平均PO2值从大鼠脑桥的1-3托到大鼠肝脏的20-30托不等，从狗肝脏的30-35毫米汞柱到狗肾脏的60-70毫米汞柱不等。我们发现瘦小鼠肝脏的基线PtiO2相对较高，达到71托(表2)。Almendros等人最近使用相同类型的氧电极和相同的技术报告了大鼠骨骼肌的基线氧水平为40-45托，大鼠内脏脂肪的基线氧水平为~50托，比我们的研究低~5托(表2)。因此，目前报告的基线值与之前描述的基线值之间的差异可能是由于过去使用的电极类型不同或种间差异造成的，因为之前的测量都不是在小鼠体内进行的。


本研究的一个重要意义在于，它描述了间歇性缺氧时不同组织的氧气模式。以前，越来越多的临床和实验文献先验地认为，在间歇性缺氧和睡眠呼吸暂停中观察到的血氧波动会转化为不同器官和组织的氧波动。人们普遍认为，间歇性缺氧和睡眠呼吸暂停的发病机制与缺血再灌注损伤相似。最近有人研究了间歇性窒息和间歇性缺氧对大鼠大脑皮层、骨骼肌和内脏脂肪中氧含量的影响。Almendros等人的报告表明，在间歇性窒息和间歇性缺氧期间，血氧水平的波动会导致大脑和骨骼肌中氧含量的显著波动，而内脏脂肪中的波动幅度则会减弱。本研究证实，间歇性缺氧确实会在肝脏和骨骼肌中产生缺氧-复氧，而白色脂肪组织则表现出持续的缺氧模式，尤其是在频繁的间歇性缺氧期间。这种持续模式可能是由于脂肪组织的灌注相对较差。


在过去十年中，发表了大量论文，试图利用细胞培养来研究间歇性缺氧的分子机制。然而，在这些系统中，暴露方案是任意的，因为间歇性缺氧期间体内的PtiO2尚不清楚。根据目前的数据，可以对间歇性缺氧细胞培养中的体内条件进行实际模拟。


不同缺氧暴露方案的影响。与不频繁的间歇性缺氧相比，频繁的间歇性缺氧和持续性缺氧在胰岛素敏感组织、肝脏、骨骼肌和白色脂肪组织中引起更严重的缺氧(图1A)。不频繁的间歇性缺氧诱导的SpO2和PtiO2低点和峰值与频繁的间歇性缺氧相似，但前者的平均SpO2和PtiO2水平远高于后者(表2和表3)。与常氧相比，间歇性缺氧期间PtiO2值出现过冲(图1A)，这可能是由于缺氧发作后立即出现代偿性过度通气以及心输出量代偿性增加所致。在瘦小鼠中，所有类型的缺氧都会引起空腹血糖的相同升高，而血清胰岛素水平没有变化，这表明外周组织对胰岛素作用有抵抗力，胰腺b细胞不能增加胰岛素分泌。本研究的作者曾对小鼠进行过优格血糖高胰岛素血症钳夹，结果表明，急性间歇性缺氧(60次/小时，持续9小时)会诱发胰岛素抵抗。也有报道称，在60次/小时的间歇性缺氧过程中，小鼠的胰岛b细胞会受到缺氧损伤。Louis和Punjabi对健康的人类志愿者进行了静脉葡萄糖耐量试验，并报告了类似的发现，即间歇性缺氧后胰岛素敏感性降低，胰岛素分泌没有充分增加。本研究表明，即使是不频繁的偶发性缺氧(12次/小时)也足以干扰瘦小鼠的胰岛素和葡萄糖调节。


胰岛素敏感性脂肪因子脂肪连通素的抑制被认为可能是导致OSA和间歇性缺氧引起的胰岛素抵抗的原因之一。本研究没有发现证据表明脂肪连通素参与了间歇性低氧诱导的胰岛素抵抗，但没有测定生物活性高分子量脂肪连通素的水平。间歇性缺氧导致胰腺内分泌不足的机制尚不清楚，但一种可能是瘦素抑制了胰岛素分泌。在瘦小鼠中，所有类型的缺氧都会导致血清瘦素显著增加，在不频繁的间歇性缺氧中增加17倍，在频繁的间歇性缺氧中增加9倍，在持续缺氧中增加44倍。本研究的作者曾指出，间歇性缺氧会增加瘦素水平。值得注意的是，人类OSA与高水平的循环瘦素有关，而持续气道正压治疗可降低瘦素水平。总之，本研究表明，不频繁的偶发性缺氧足以诱发瘦小鼠的高瘦素血症，与间歇性缺氧相比，持续性缺氧会诱发更严重的组织缺氧和更高的瘦素水平。


频繁的慢性间歇性缺氧会诱发不同器官和系统的氧化应激。在大鼠体内，慢性间歇性缺氧会导致心肌氧化应激，与心功能不全有关。与大鼠相反，小鼠在间歇性缺氧期间相对不会受到心肌氧化应激的影响，但肝脏会出现氧化应激。在本研究中，频繁的间歇性缺氧是唯一能引起瘦小鼠肝组织脂质过氧化反应小幅(20%)增加的暴露类型，而肌肉和脂肪则不受影响。频繁的间歇性缺氧对小鼠肝脏的独特影响可归因于在PtiO2水平大幅频繁波动时活性氧的产生更为旺盛，而肌肉和脂肪中的活性氧产生则有所减弱。肝脏的PtiO2波动在持续缺氧时不会发生，在不频繁的间歇性缺氧时发生的频率较低。值得注意的是，肥胖小鼠的肝脏脂质过氧化反应没有增加，这可能与氧气波动幅度较低有关。因此，本研究结果表明，瘦小鼠肝脏脂质过氧化的增加可能与PtiO2频繁的高振幅波动有关。


频繁间歇缺氧的另一个独特特征是炎症反应，表现为脂肪组织分泌的TNF-a增加。尽管两组间歇缺氧组的平均脂肪PtiO2均低于PtiO2的最低点，但持续缺氧时却没有出现这种增加(表2和表3)。炎症反应不能归因于缺氧-复氧，因为脂肪中的PtiO2水平几乎没有波动。本研究结果表明，频繁间歇缺氧时TNF-a分泌过多可能是全身炎症反应所致，而非脂肪组织缺氧本身。


肥胖的影响。以前没有比较过瘦小鼠和肥胖小鼠肝脏基线时的PtiO2水平。本研究表明，在常氧条件下，肥胖肝脏的PtiO2水平平均比瘦小肝脏低10托(表2)。双硝唑染色显示，缺氧区域位于肝静脉周围的肝小叶中心(3区)。以前的研究表明，肝组织并不是均匀的，肝静脉周围的肝细胞明显比肝脏周围的肝细胞更缺氧。本研究结果的新颖之处在于肥胖小鼠的第3区缺氧更为突出。与瘦小鼠相比，肥胖小鼠的基线空腹血糖水平更高，这表明肝脏葡萄糖输出量更高。缺氧会上调肝脏葡萄糖生成的一种关键酶--磷酸烯醇丙酮酸羧激酶，但组织缺氧在肥胖诱导的葡萄糖生成过程中的作用尚未得到探讨。因此，肥胖与肝组织缺氧有关。


在基线条件下，肥胖不会引起附睾脂肪和骨骼肌缺氧。虽然以前没有研究过肥胖对骨骼肌中PtiO2的影响，但目前在脂肪中的数据与以前在小鼠中的报告有所不同。然而，Ye等人测量了肥胖/ob小鼠的PtiO2，这种小鼠比饮食诱发肥胖的小鼠更肥胖。由于缺乏瘦素，ob/ob小鼠的脂肪组织灌注较差，因为缺乏瘦素可诱导血管生成。值得注意的是，人类研究也一致表明，肥胖会诱发脂肪组织缺氧。可以想象，如果在本研究中测量其他脂肪组织部位(网膜、腹膜后或皮下)的PtiO2，可能会发现缺氧现象。


肥胖对缺氧暴露期间PtiO2的影响以前一直不清楚。在间歇性缺氧期间，肥胖小鼠比瘦小鼠表现出更严重的氧合血红蛋白不饱和(表2)。在这一发现的背景下，令人惊讶的是，肥胖小鼠和瘦小鼠在所有类型的缺氧暴露中表现出相同的肝脏、肌肉和脂肪氧含量。可以想象，在肥胖的情况下，组织氧合是通过一种尚未确定的机制来保持的。


这项研究的另一个重要发现是，尽管对肥胖小鼠和瘦小鼠组织氧含量的影响相似，但缺氧对肥胖动物代谢的影响不大。我们认为，急性缺氧的影响很可能被肥胖所压倒。事实上，肥胖会引起脂肪因子分泌的显著变化和全身炎症的增加。与瘦小鼠相比，肥胖小鼠的血浆瘦素增加了170倍，脂肪TNF-a的分泌增加了11.5倍，肝脏中TNF-a的表达增加了4到6倍，血浆脂肪连素减少了2倍。值得注意的是，肥胖的影响程度大大超过了缺氧的影响。急性缺氧对代谢的唯一影响是胰岛素抵抗。与瘦小鼠不同，肥胖小鼠在频繁间歇缺氧和持续缺氧的情况下，血清胰岛素水平几乎增加了一倍，这表明胰腺b细胞的分泌得到了保留。肥胖小鼠在间歇性和持续性缺氧期间瘦素水平没有增加，瘦素缺乏抑制作用可能是胰岛素分泌得以保留的原因。总之，在间歇性和持续性缺氧期间，肥胖并没有增加代谢活跃组织的缺氧水平，肥胖的影响压倒并掩盖了急性缺氧的大多数促炎和代谢影响，但胰岛素抵抗除外。


局限性。本研究存在一些局限性。首先，我们是在急性缺氧时测量PtiO2的。可以想象，慢性间歇性缺氧会导致不同的PtiO2组织特征。慢性间歇性缺氧是OSA的特征之一，其代谢和促炎症反应也可能不同于急性缺氧。其次，持续缺氧方案比两种间歇性缺氧方案更严重。然而，尽管平均吸入氧气分数、SpO2和组织PtiO2最低，但与间歇性缺氧相比，持续性缺氧诱导了类似的胰岛素抵抗增加，而炎症和氧化应激反应则不那么突出。第三，PtiO2的测量是在全身麻醉的情况下进行的。然而，在这两种间歇性缺氧方案中，SpO2在两次缺氧事件之间回升到正常缺氧值，这表明观察结果可能与未麻醉动物有关。第四，探针测量的是一小块随机区域内的氧张力，但每个器官和组织内的PtiO2都各不相同。例如，在肝脏中，肝静脉周围区域的氧张力最低。使用Hypoxyprobe进行免疫组化是一种补充方法。第五，使用Hypoxyprobe进行免疫染色的灵敏度较低，只能检测到PtiO2为10托的严重缺氧。最后，OSA会导致夜间高碳酸血症，而在本模型中，小鼠要么处于低碳酸血症状态，要么处于正常碳酸血症状态。


结论和影响。频繁的急性间歇性缺氧会导致肝脏和骨骼肌中氧的相互波动，而脂肪组织中则没有PtiO2的波动。间歇性和持续性缺氧导致瘦小鼠和肥胖小鼠的组织缺氧和胰岛素抵抗水平相似。在瘦小鼠中，所有类型的缺氧都会提高血清瘦素水平，而只有频繁的间歇性缺氧会增加氧化应激和脂肪炎症。肥胖会诱发肝脏基线缺氧，并对脂肪因子和TNF-a的产生产生深远的影响，这种影响压倒了间歇性缺氧的影响。目前的数据表明，不频繁和频繁的间歇性缺氧对胰岛素抵抗和脂肪因子分泌的影响相似。由于培养基中气体灌流速度有限，细胞培养中不可能出现高频率的氧气波动，因此本研究表明，细胞培养中可实现的低频氧气波动对OSA具有生物学意义。