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去負(fù)荷比目魚肌高頻強(qiáng)直收縮疲勞性的動(dòng)態(tài)變化
【關(guān)鍵詞】 失重模擬【Abstract】 AIM: To explore the effects of unloaded hindlimb on tetanic contraction fatigability of soleus. METHODS: Isometric twitch and highfrequency tetanic contraction were examined by perfusion technique of isolated skeletal muscle strip. The contractile functions of soleus were observed in 1week, 2week, or 4week tailsuspended rats. RESULTS: The threshold voltage induced isometric twitch contraction significantly increased in 1 week of unloaded soleus (P<0.01) as compared with that of control. There was no difference in the threshold voltage between control and 2week unloaded soleus (P>0.05). But the threshold voltage increased again in 4week unloaded soleus (P<0.05). In highfrequency tetanic contraction, the maximal tension (Po) of soleus was reduced respectively by 32.8%, 60.1% and 77.6 % after one (P<0.05), two and four weeks of (P<0.01) tailsuspension (SUS). The tension at the thirtythird second of tetanic contraction (P33) in control decreased 18.0%26.0%, while the P33/Po in the SUS group decreased 40.9% after one week of unloading (P<0.05), 51.1% after two weeks and 73.1% after four weeks of SUS, respectively. CONCLUSION: These results suggest that the excitability of unloaded soleus is decreased and the fatigability of unloaded soleus is increased. The changes in sarcolemma ion channels in unloaded soleus may be one of the underlying mechanisms of increasing the fatigability.
【Keywords】 weightlessness simulation; muscle, skeletal; muscle fatigue
【摘要】 目的： 探討肌纖維膜離子通道變化對(duì)骨骼肌強(qiáng)直收縮疲勞性產(chǎn)生的可能影響. 方法： 采用離體骨骼肌條灌流技術(shù)，觀測(cè)模擬失重1, 2和4 wk大鼠比目魚肌(SOL)等長收縮的閾刺激電壓與高頻強(qiáng)直收縮功能的動(dòng)態(tài)變化. 結(jié)果： 與同步對(duì)照組相比，模擬失重1 wk組引起SOL等長收縮的閾刺激電壓呈非常顯著性增高(P<0.01)；2 wk組無差別(P>0.05)；4 wk組又出現(xiàn)明顯增高(P<0.05). 與對(duì)照組比較，懸吊1 wk大鼠SOL高頻強(qiáng)直收縮的最大張力(Po)降低32.8%，但統(tǒng)計(jì)學(xué)無差異(P>0.05)；懸吊2 wk組降低60.1% (P<0.01)；4 wk進(jìn)一步降低至77.6% (P<0.01). 對(duì)照組大鼠SOL的強(qiáng)直收縮張力在第33 s處衰退18.0%~26.0%，而懸吊1 wk組衰退40.9% (P<0.05)；2 wk組衰退51.1% (P<0.01)；4 wk組則衰退73.1% (P<0.01). 結(jié)論： 短期模擬失重即可引起比目魚肌肌纖維的興奮性降低，同時(shí)導(dǎo)致高頻強(qiáng)直收縮疲勞性增加. 而去負(fù)荷SOL膜離子通道的變化可能是其高頻強(qiáng)直收縮疲勞性增加的內(nèi)在機(jī)制之一.
【關(guān)鍵詞】 失重模擬；肌，骨骼；肌疲勞
0引言
失重或模擬失重導(dǎo)致下肢抗重力肌如比目魚肌(soleus, SOL)明顯萎縮與強(qiáng)直收縮功能降低［1］，而且模擬失重或大鼠后肢廢用，可引起SOL肌纖維細(xì)胞膜多種離子通道的改變. 如尾部懸吊28 d大鼠SOL電壓依賴性Ca2+通道的mRNA表達(dá)明顯升高［2］；地面模擬失重3 d即可導(dǎo)致SOL氯離子電導(dǎo)增加，7 d使氯離子通道m(xù)RNA表達(dá)增加［3］，模擬失重21 d則可引起SOL鈉離子電流密度增加［4］；大鼠后肢去負(fù)荷35 d引起SOL電壓門控鈉通道與內(nèi)向整流鉀通道的基因表達(dá)上調(diào)［5］. 迄今為止，萎縮SOL這些膜離子通道變化對(duì)其強(qiáng)直收縮功能的影響尚不清楚. 骨骼肌高頻強(qiáng)直收縮功能主要受細(xì)胞膜離子通道特性的調(diào)節(jié)［6］，因此，我們通過模擬大鼠失重1，2和4 wk，觀測(cè)其SOL高頻強(qiáng)直收縮功能的動(dòng)態(tài)變化，以及引起骨骼肌等長收縮閾刺激電壓的變化，以分析肌纖維膜離子通道變化對(duì)骨骼肌強(qiáng)直收縮疲勞性產(chǎn)生的可能影響.
1材料和方法
1.1動(dòng)物模型與分組選用健康雄性SD大鼠(由第四軍醫(yī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供)80只, 12 wk齡，體質(zhì)量180～210 g,并按體質(zhì)量將32只大鼠配成8個(gè)區(qū)組，再分別將各區(qū)組隨機(jī)分為尾部懸吊1, 2和4 wk與對(duì)照組，每組8只，用于觀測(cè)SOL閾刺激電壓. 再按體質(zhì)量將48只大鼠配成8個(gè)區(qū)組，再分別將各區(qū)組隨機(jī)分為尾部懸吊1, 2和4 wk與3個(gè)同步對(duì)照組，每組8只，用于觀測(cè)SOL收縮功能. 按本實(shí)驗(yàn)室已建立的方法進(jìn)行動(dòng)物飼養(yǎng)與尾部懸吊［7］，定期稱大鼠體質(zhì)量. 分別在7, 14和28 d后取尾部懸吊大鼠及數(shù)目相等的配對(duì)飼養(yǎng)對(duì)照大鼠, 在相同條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn).
1.2離體SOL閾刺激電壓的測(cè)量戊巴比妥鈉（40 mg/kg,ip）麻醉大鼠, 迅速剪開后肢小腿皮膚，輕輕游離SOL. 按本實(shí)驗(yàn)室建立的方法行離體肌條的灌流［8］. 電刺激器( SEN3301, 日本光電)輸出脈寬20 ms、間隔 20 s與電壓為6 V的方波脈沖刺激. 先平衡約60 min，然后以0.1 mm增量, 逐步拉伸SOL至等長收縮張力為最大時(shí)的肌肉最適初長Lmax位置，平衡10 min，記錄肌肉長度與張力. 以0.5 V的步幅降低刺激電壓至2.5 V，然后改以0.1 V的步幅降低刺激電壓，記錄剛剛能引起肌肉收縮的刺激電壓即為閾刺激電壓.
1.3離體SOL高頻強(qiáng)直收縮功能的測(cè)量上述實(shí)驗(yàn)完成后，以脈寬5 ms、間隔 40 ms與電壓為6 V的方波脈沖刺激45 s，使肌肉產(chǎn)生高頻強(qiáng)直收縮. 強(qiáng)直收縮最大張力用Po表示，以高頻刺激第33 s處的強(qiáng)直收縮張力與Po之比(P33/Po)作為判斷骨骼肌強(qiáng)直收縮疲勞性的指標(biāo). P33/Po值降低表明疲勞性增加. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用濾紙吸干肌肉表面附著的水分并稱質(zhì)量. 再按文獻(xiàn)［8］公式計(jì)算每一肌肉的橫截面積(CSA). 張力數(shù)據(jù)用CSA作歸一化處理. 每組大鼠只成功觀測(cè)6例肌條的功能.
統(tǒng)計(jì)學(xué)處理： 各實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)以x±s表示. 使用SPSS10.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)資料進(jìn)行方差分析(閾刺激電壓觀測(cè)資料)，或配對(duì)t檢驗(yàn)分析組間差別(收縮功能觀測(cè)資料). 以P<0.05為檢驗(yàn)顯著性水平.
2結(jié)果
2.1去負(fù)荷SOL等長收縮閾刺激電壓的變化對(duì)照組SOL等長收縮的閾刺激電壓為(1.10±0.06) V. 與對(duì)照組相比，懸吊1 wk組引起SOL等長收縮的閾刺激電壓呈非常顯著性增加，達(dá)(1.80±0.21) V (P<0.01)；2 wk組為(1.22±0.17) V，無顯著差別(P>0.05)；4 wk組又呈顯著性增高，為(1.50±0.13) V (P<0.05).
2.2懸吊大鼠SOL高頻強(qiáng)直收縮最大張力的動(dòng)態(tài)變化懸吊1 wk大鼠SOL強(qiáng)直收縮的Po較對(duì)照組降低32.8%，但沒有顯著差別(P>0.05, Fig 1A). 懸吊2 wk組Po較對(duì)照組降低60.1%，呈非常顯著性差異(P<0.01). 懸吊4 wk組進(jìn)一步降低至77.6%，兩組均值具有非常顯著性差別(P<0.01). Fig 1B為SOL高頻強(qiáng)直收縮的典型記錄曲線. 與對(duì)照相比，懸吊大鼠SOL的Po除幅值逐步降低外，在持續(xù)刺激條件下，張力下降的速度也增快.
2.3懸吊大鼠SOL強(qiáng)直收縮疲勞性的變化對(duì)照組大鼠SOL的強(qiáng)直收縮張力在第33 s處衰退18.0%～26.0%，而懸吊1 wk組則衰退40.9% (P<0.05)；而懸吊2 wk組則衰退51.1% (P<0.01)；懸吊4 wk組則衰退73.1% (P<0.01, Fig 2). 3討論
尾部懸吊模擬失重1與4 wk引起大鼠SOL等長收縮的閾刺激電壓增高，這表明萎縮SOL的可興奮性降低，并具有出現(xiàn)早并很快就能達(dá)到新的平衡的特點(diǎn). 肌纖維的興奮性受細(xì)胞膜靜息電位、閾電位與Na+通道性特性的影響. 有研究表明,萎縮SOL膜靜息電位明顯降低，從正常的大約-63 mV降至-73 mV［9］. 與此相反，萎縮SOL的閾電位則升高(向正向移動(dòng))［3］. 這樣使得SOL膜靜息電位與閾電位間的“距離”增大，從而導(dǎo)致興奮性降低. 由于萎縮SOL的α2型Na, KATP酶基因表達(dá)增加［5］，可能使Na+K+泵活性增加，使更多的K+被泵入細(xì)胞內(nèi)，最終使膜靜息電位降低. 另外，Desaphy等［4］觀測(cè)了懸吊1～3 wk大鼠SOL細(xì)胞膜Na+通道特性，發(fā)現(xiàn)單通道電導(dǎo)、開放幾率、電壓依賴性激活和快慢失活等特性均未改變，而鈉電流密度卻明顯增加，并同時(shí)伴有Na+通道α亞基表達(dá)的增加. 這提示萎縮SOL Na+通道特性的改變，可能也是引起SOL興奮性降低的潛在原因.
骨骼肌高頻強(qiáng)直收縮導(dǎo)致疲勞的一個(gè)主要因素是減弱了動(dòng)作電位在T管內(nèi)的傳播［6］. 在高頻率刺激條件下，由于強(qiáng)直收縮張力在幾十秒內(nèi)即迅速降低，骨骼肌纖維內(nèi)物質(zhì)與能量代謝的改變，如H+和Pi增加的影響將較小. 以往的研究表明，高頻刺激時(shí)，T管系統(tǒng)局部會(huì)出現(xiàn)K+的堆積和Na+減少，進(jìn)而阻滯動(dòng)作電位在T管內(nèi)由外向細(xì)胞中心部位傳導(dǎo)，動(dòng)作電位期間肌漿網(wǎng)釋放的Ca2+減少，最終導(dǎo)致強(qiáng)直收縮張力下降［6］. 下列因素可能影響T管內(nèi)K+的堆積和Na+耗竭的速度： ① 刺激頻率；② T管中Na+和K+通道的密度；③ T管中Na+和K+通道的電導(dǎo)；④ T管中Na+K+泵的密度與活性；⑤ T管系統(tǒng)的容量. 刺激頻率越高，越容易在T管內(nèi)形成K+的堆積和Na+耗竭. 本實(shí)驗(yàn)中刺激頻率是固定的，不會(huì)在對(duì)照與懸吊組之間形成差別. 當(dāng)骨骼肌萎縮后，從肌細(xì)胞表面到中心部位的距離減小，使T管的長度變短，這有利于T管內(nèi)離子與細(xì)胞外液進(jìn)行交換，應(yīng)使肌肉疲勞性降低. 由于萎縮SOL在高頻強(qiáng)直收縮時(shí)的疲勞性明顯增加，其涉及的機(jī)制可能主要與Na+和K+通道的特性以及T管中Na+K+泵的活性相關(guān). 因萎縮SOL呈現(xiàn)α2型Na, KATP酶基因表達(dá)增加［5］，提示T管中Na+K+泵的活性可能不是引起疲勞性增加的主要因素.
總之，萎縮SOL興奮收縮偶聯(lián)的各個(gè)環(huán)節(jié)均發(fā)生變化，但是，各環(huán)節(jié)對(duì)SOL等長收縮功能的影響可能并不相同. 細(xì)胞膜K+, Na+通道性特性的改變可能主要影響SOL的興奮性，以及高頻強(qiáng)直收縮的疲勞性.
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