摘要


目的：在再现窒息定义性全身缺氧和高碳酸血症的啮齿动物模型中，研究脑保留生理反应。


方法：在麻醉的出生后第6天和第11天的大鼠及新生豚鼠中，使用含5%或9%O₂加20%CO₂（以N₂平衡）的气体诱导持续或间歇性窒息15–45分钟。分别用低O₂和高CO₂诱导缺氧和高碳酸血症。使用微传感器测量脑内和皮下（"体"）组织中的氧分压（PO₂）和pH。窒息后测量血乳酸。


结果：在5%O₂窒息和5%或9%O₂缺氧期间，脑和体PO₂降至接近零，恢复甚微；在20%CO₂高碳酸血症期间，PO₂增加超过两倍。与体PO₂不同，脑PO₂在短暂下降后迅速恢复至对照水平（大鼠），或在9%O₂窒息期间略高于对照水平（豚鼠）。窒息（5%O₂）引起呼吸性酸中毒，同时伴有进行性代谢性（乳酸）酸中毒，但脑内酸中毒远小于脑外。缺氧（5%O₂）产生脑局限性碱中毒。持续超过窒息期的高碳酸血症抑制pH恢复并延长窒息后PO₂过冲。所有pH变化均伴有血脑屏障的一致偏移。


结论：无论脑成熟阶段如何，高碳酸血症可在窒息期间氧可利用性受损的情况下恢复脑PO₂并保护脑免受代谢性酸中毒。如果正常碳酸血症缓慢恢复，这种效应可延伸至恢复期；而在缺氧期间该效应不存在，表明暴露于缺氧不能模拟


引言


严重出生窒息（BA；也称为围产期窒息）是全球新生儿残疾和死亡的主要原因，每年造成超过100万casualties。存活的患病个体数量尚不清楚，但有理由相信这一数字要高得多。因此，基于器官（尤其是大脑）的异常发育和功能障碍，BA对人类人群的疾病总负担做出了重大贡献，这些器官高度依赖氧化能量代谢。BA对脑的即时病理效应表现为缺氧缺血性脑病（HIE），而HIE的终身后果包括广泛的精神和神经系统疾病及障碍，包括认知缺陷。


治疗性低温是目前唯一被广泛接受的用于足月或近足月中度或重度BA新生儿的治疗方法，但它提供的不完全神经保护。除HIE外，BA还导致广泛的（通常因果相关的）功能障碍，包括肾上腺和心脏功能障碍。显然，深入理解BA的基本生理学和病理生理学以及导致HIE和不良终身后果的机制，将促进更有效治疗方法的开发。


根据定义，BA意味着全身O₂降低（缺氧）和CO₂增加（高碳酸血症）。在正常无并发症分娩期间也会发生一段窒息期，这在触发内源性机制以将血流集中到关键依赖氧气的器官方面发挥重要作用。增强内源性神经保护机制或补充其效应物已被频繁建议作为新型治疗干预的基础。


关于动物模型的转化价值，通过大型动物模型（如绵羊和猪）中病理生理学和内在保护机制的出色工作，对BA和相关疾病涉及的系统生理学机制的理解已显著提高。然而，这些机制在标准实验啮齿动物中仍未得到充分探索。将BA的系统水平工作从大型动物模型扩展到实验啮齿动物，将提供使用当今大量神经生物学研究方法（从分子到系统）研究BA的机制方面及其后果的潜力，这些方法在很大程度上


我们目前的实验主要基于出生后第6天（P6）和第11天（P11）的大鼠幼崽，就神经发育（尤其是皮层）里程碑而言，分别大致对应于早产和足月人类新生儿。窒息通过应用含5%O₂和20%CO₂（以N₂平衡）的环境气体混合物来诱导，使用两种范式：单相窒息（"持续窒息"），对应于急性并发症如胎盘早剥或持续的脐带压迫；以及间歇性窒息，其中缺氧以重复步骤在5%O₂和9%O₂（恒定20%CO₂）下应用，以大致模拟延长分娩期间反复宫缩的效果。我们在此使用两个年龄的大鼠，因为即使给定insult具有相似的即时效应，脑功能和行为的长期后果（目前未研究）将取决于insult发生时脑的发育阶段。我们还纳入了对P0-2豚鼠的实验，为本研究提供更全面的转化基础，也因为早期生命障碍的实验工作近期有所增加。


我们目前工作的主要目的是检查BA对脑pH和氧分压（PO₂）水平的复杂且相互关联的影响。这两个基本生理变量在窒息发作期间、期间和之后受到强烈影响。值得注意的是，全身性酸中毒（通常血pH<7.0）被用作BA的标准诊断标准之一。pH和PO₂均已知是实际上所有器官和器官系统功能的强大调节剂，包括心肺调节和未成熟脑的兴奋性。关于后者，大量参与神经元信号传导的关键分子显示对pH的功能协同（很可能是进化偶联的）敏感性，脑酸中毒抑制神经元兴奋性而碱中毒具有相反效应。这一概念在BA背景下从以下观察中获得进一步影响：实验性缺氧本身（即不作为窒息的组成部分）导致神经元网络兴奋性的显著增加，这已在体内和体外条件下得到证实。"纯"缺氧，即无同时高碳酸血症的缺氧——这在自然条件下从不发生——不仅在缺氧缺血性脑损伤的转化研究中占主导地位，而且在临床实践中也占主导地位，特别是关于复苏方法。纯缺氧与窒息之间的差异因CO₂对脑血流（CBF）的深刻影响而进一步凸显。因此，理解BA的生理学和病理生理学后果，包括随后HIE表现的倾向，需要关于（a）脑组织中酸碱调节和氧合扰动的幅度和时间进程，以及（b）以"脑保留"保护方式作用的适应性机制的信息。


使用植入脑和皮下组织（"体"）的pH和O₂选择性微传感器，我们在此表明实验性BA产生快速且大的CO₂介导的（呼吸性）酸中毒，同时伴有缓慢的代谢性酸中毒，后者在脑组织内远小于脑组织外。


在脑实质和体PO₂的同时测量中观察到脑保留机制的显著作用，该测量显示在20%CO₂存在下对9%O₂的持续和间歇暴露的脑PO₂完全恢复。


这种适应性机制在纯9%缺氧条件下不存在。此外，结合我们在纯缺氧后立即观察到的意外脑碱中毒，这些数据表明将幼鼠暴露于缺氧不能再现对窒息的生理反应。最后，我们证明窒息后分级恢复正常碳酸血症（GRN）——一种潜在的治疗策略——减缓了脑pH的促兴奋性恢复并延长了窒息后PO₂过冲的持续时间。因此，在新生儿重症监护室中，审慎调整GRN方案将提供阻断BA后频繁且有害的低碳酸血症的可能性。通过减缓正常碳酸血症的恢复，还应有可能设定窒息后PO₂过冲的持续时间，以在出生后立即增强脑氧合。