微重力与模拟微重力条件下的肺循环变化航天医学与医学工程 2000年第4期第13卷 文献综述作者：孙磊　向求鲁　汪德生　任维单位：航天医学工程研究所，北京 100094关键词：微重力；失重模拟；肺循环；血容量；血管　　摘要：微重力或模拟微重力时体液头向转移，首先波及肺循环。肺部血液和体液增加，并在肺各部之间存在差异。肺血管充盈、扩张，并在模拟微重力动物模型中观察到肺微血管损伤。对肺循环调节功能变化的研究较少，作者认为对肺血管反应性的观察将有助于了解肺循环变化的机制。　　中图分类号：R852.22　　文献标识码：A　　文章编号：1002-0837(2000)04-0305-05Change of Pulmonary Circulation in Microgravity and Simulated MicrogravitySUN Lei　XIANG Qiu-lu　WANG De-sheng　REN Wei　　（SUN Lei.Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China）　　Abstract:Fluid is transferred cephalad in microgravity and simulated microgravity,and the pulmonary circulation is the first to be affected.Blood and fluid contents in the lungs increase,but unevenly distributed among various zones of the lungs.Blood vessels in the lungs are filled and distend.Capillary changes have been observed in the animal model of simulated microgravity.Studies about the changes of regulative function of pulmonary circulation are relatively rare.Observations of the reactivity of pulmonary vessels may help to understand the mechanisms of the changes in pulmonary circulation during microgravity.　　Key words:microgravity;weightlessness simulation;pulmonary circulation;blood volume;blood vessels　　微重力时体液头向转移，首先波及的是肺循环。如果体液的再分配是经静脉发生的，它会很快通过右心，潴留于肺循环，再经数小时释放到体循环。在这一过程中，肺循环构成对抗体液再分布的第一道防线〔1〕。微重力或模拟微重力后肺循环变化比下肢容量变化更为敏感。以下就微重力与模拟微重力条件下肺循环的变化及其机理的探讨作一综述。　　微重力及模拟微重力对肺血容量的影响　　静脉的静水压零点（HIP）又称流体静压参考点，位于下腔静脉较膈肌稍下的水平。姿势的变化通常伴有血管内压的升高或下降，HIP也发生改变。利用染料球注射技术测量肺血容量（PBV），平卧位转坐位时下降具有显著性。从立位、坐位转为平卧位或头低位时，体液向头胸部转移，其中大部分潴留于肺循环。重力不论是在肺通气还是在灌流分配中，主要产生垂直的梯度，使通气－血流比值和气体交换产生局部差异。人体在水平位时，从肺尖到肺底血流量趋于均匀，肺的血液充盈在平卧位时比立位时增加20%～25％。然而有学者认为，血液的均匀分布不能看作是有利因素，因为在这种情况下，肺中上部区域，特别是上部区域的血流可能增加至类似地面二尖瓣狭窄病人的状况。推测在微重力时，肺上部区域跨壁压明显升高，可以导致反射和结构的变化，某些细胞成分可能滤过到血液中，增加小血栓形成。肺局部血流量的再分配通常是以极小的效应在数量上累积，形成局部和区域性显著的再分配。从肺进行气体交换功能的角度出发，这是一种生理学的适应。　　浸水对肺血容量的影响　Gauer等〔2〕最先推测，浸水可引起人体血管腔的静水压梯度改变，中心血容量相对增加，体液重新分配。Lange等〔3〕用X线动态摄影技术及Arborelius等〔4〕的血液动力学研究证实了Gauer等的假说。浸水期间，流体静压以1　cmH2O/cm 水深的静水压梯度作用于身体，使下肢容量血管的血液转移到胸内的血管床。胸部额外容量约为700　ml，引起中心血管跨壁压增加，平均肺动脉压升高15　 mmHg。这些中心循环的变化可能反射性引起心输出量、每搏量的变化。坐位浸水期间，作用于胸部的平均静水压约为20 cmH2O，类似于负压呼吸的情况。应用正压呼吸能完全逆转坐位浸水时的肺血容量变化。

　　Hood等的浸水试验，取半卧位，用染料稀释法测量肺毛细血管血流量(Qc)没有变化。Arborelius等用染料稀释法测量坐位浸水1　h Qc增加32％。Kroetz等用乙炔再呼吸法测量坐位浸水1　h Qc增加22％。Rennie等的坐位浸水试验，水温在22～16℃之间，1　h Qc增加20～25％。Begin等用再呼吸法测量坐位热中性齐颈部浸水4　h的肺循环变化，Qc持续显著增加，VTPC（或Vt，肺组织血容量＋肺毛细血管血量，反映轻、中度肺水容量增加的敏感指标）无明显变化，表明坐位热中性齐颈部浸水所诱导的血管充血，不伴随肺间隙液体的渗出。浸水实验总的趋势是引起Qc增加，反映了血液的头向转移。　　头低位卧床（HDT）对肺血容量的影响　由于浸水实验的诸多限制，人们开始更多地采用HDT作为模拟微重力的模型，在动物实验时此模型称为反立位低动力（AOHK）。HDT时，发生了体液的头向转移，肺循环成为第一道屏障〔1〕。　　短期AOHK，肺每搏血液充盈增加〔1〕。与直立位比较，短期AOHK（20　min）时肺血流增加22％〔5〕。肺组织血容量增加，7　h显著（10％），第3天增加8％，到第7天肺组织血容量趋于正常〔6〕。有实验作了10 d HDT，发现肺血流量减少16％，在随后的5　d恢复期仅部分恢复〔5〕，反映了肺内血液淤滞的状态。动物实验表明，短期AOHK时猴的肺容量增加12%～29％，在肺所有区域血液过剩〔1〕。另有短期AOHK实验表明，右肺中、下部区域血液充盈增加，肺上部下降（仅在AOHK－20°时增加）〔1〕。还有的学者用X光测定肺内血液充盈度（RI），10　d HDT期间肺底部RI值明显低于肺中、上部〔7〕。这些结果略有差异，可能与测量方法及模拟微重力的时间有一定关系。　　长期的低动力状态下不采用预防性手段，肺上部充盈稳定升高，因此，低动力期间肺血容量的变化是一个持久的过程，要模拟这种变化可用相对小的角度（AOHK－4.5°～-6°）。肺系统的保护机制似乎出现“分部”，着重保护肺上部区域免受过量血液流入的影响。肺下部区域的功能负荷减弱，与重力作用下直立位时的特点相反。有研究表明，经过60 d的低动力状态，肺上部区域血液充盈指数增加（约1.8倍），而中下部区域有某种程度的下降（约8%～13％），60～120　d期间，肺上部区域的血液充盈指数正常，中下部区域增加（18%～50％）〔1〕。　　抛物线飞行时肺血容量的变化　 抛物线飞行可以产生短暂的微重力，此时肺毛细血管容量可增加71％〔8〕。心源性振荡的幅度可反映每单位肺容量中血流量的地势差异。Michels等在抛物线飞行期间通过测量平静呼吸时呼出气体的Po2、Pco2，发现微重力时心源性振荡的幅度几乎消失，为微重力时血流分布趋于均匀提供了强有力的证据。采用放射线照相术检测，表明0　G和1　Gz时相比，肺密度和血管纹理表现为一致的差异。在后前位和侧位的观察，上部肺区的肺密度在0　G时比1　Gz时大些。相似的，上部肺区的血管阴影在0　G时比1　Gz时要大些，与在0　G时肺灌流向肺上部区域再分配一致。　　航天中肺血容量的变化　SLS-1的9　d飞行期间，4名乘员的肺毛细血管血容量（Vc）在整个飞行期均增加〔9〕，但肺泡膜气体交换和肺毛细血管床的主要变化则发生于刚刚进入微重力时〔8〕。在Spacelab D2的9　d飞行中的研究也表明，在微重力的第1天，肺血流和每搏量显著升高约45％，但在第8天和第9天则与立位对照没有差异〔10〕。肺内血流的分布也有改变，从肺尖到肺底部的灌流不一致性减弱了，但局部的不一致性仍然在很大程度上存在〔10,11〕。在326　d飞行任务中，于第246天对乘员作了检测，发现左右肺组织血液和体液含量均增加，其中肺下部和上部区域增加显著（22%～15％），右肺中部区域增加不显著（9％）〔1,9〕。有报道短期飞行着陆后，2名宇航员右肺中部区域血液充盈中度增加，其中1名左肺上部区域有类似的变化〔1,9〕。　　航天后肺血容量的变化　 长期飞行后，肺组织血液和体液含量的动力学存在较复杂的模式。超声心电图的研究表明，航天员在完成96、140、175　d航天任务后，左室舒张末容积（EDV）显著减小，左心房直径增加，1名航天员室间隔出现矛盾运动，可能是部分血液残留于小循环的表现，也间接反映肺循环血液充盈增加〔1〕。着陆第1天，肺下部区域血液充盈明显增加，左右肺均具统计学意义，左肺增加程度更大，左肺下部区域平均增加13％～42％，右肺下部区域增加16％。相似的适应性变化也在右肺中部区域观察到（6名航天员中4名增加，1名不变，1名减少）。右肺组织血液和体液含量是4名增加，另2名下降。左肺上部区域的变化是3名增加，1名不变，2名下降。从整体来看，肺中、上部区域的血液充盈性变化不具统计学意义〔1,9〕。

　　长期飞行再适应期的后阶段（7～12　d），所有的指标与着陆第1天相比没有显著变化，只是右肺下部区域有更加显著的血液充盈。着陆后59～128　d，肺组织血液和体液变化的主要趋势是持续增加〔1〕。　　从整体来看，地面模拟微重力实验与真实微重力都引起肺血容量的增加，肺内血流分布趋于均匀，但肺内各部之间的变化存在差异。模拟微重力时肺血流最初增加，随后降低，反映了一种血液淤滞状态。航天时肺血流有类似的变化，惟时程较长，幅度较大。模拟微重力时，肺血容量有随时间恢复正常的趋势，反映了适应的过程，长期航天返回后，肺血容量则表现为持续增加。仅仅模拟体液头向转移还不足以再现真实微重力下的全部变化，有必要考虑微重力对肺组织间相互作用的影响，包括神经、体液因素，及其引起的肺循环变化。　　微重力及模拟微重力时肺血管的变化　　肺动静脉是联系左右心的纽带，在调节肺循环血容量和为左心提供较为平稳的血流的过程中发挥着重要作用。研究微重力和模拟微重力时肺血管反应性与形态学变化，可为体液转移、心血管调节等提供有用信息。　　肺动静脉压力和反应性变化　汪德生等〔12〕做7 　d －6°HDT实验，应用小循环心功能检测法，卧床24　h内，主要反映肺动脉每搏容量变化的z波高度（hz）显著增加（肺动脉充血），在卧床即刻最为显著，后回到卧床前水平，第5～6天又有增加；主要反映肺静脉每搏容量变化的c波高度（hc）在卧床24　h内亦显著增加（肺静脉瘀血）。Gazenko等〔13〕的＋70°立位转－30°头低位实验发现，在HDT 55～60　min，平均肺动脉压升高32％。Lollgen等〔14〕－6°HDT 2　h观察到肺动脉压显著升高。在4～14　d的航天中，15名航天员中有13名显示出相对的肺高血容量伴肺高血压征象；10名航天员有明显的大、中口径血管紧张度增加〔1〕。　　对于模拟微重力条件下各部位血管反应性变化的研究较多，目前已在尾部悬吊大鼠中发现肠系膜动脉、股动脉、腹主动脉收缩反应降低〔15,16,17〕，基底动脉收缩反应增强〔18〕。但对于肺循环血管反应性的研究尚未见到文献报道。　　肺血管的形态学变化　传统的概念认为，已长成的动脉血管系统是一种相对稳定的结构，很少会在较短期的局部血流动力学变化的作用下发生结构重塑。然而Langille等〔19〕的工作表明，只需数日的局部变化即可引起动脉血管重塑。Hargens等〔20〕提出，人体长期处于微重力环境下，足部的厚壁动脉血管将出现萎缩，而头部的薄壁动脉血管将出现肥厚。Herbert等〔21〕的工作至少部分验证了这一假说。他们研究尾悬10～14 wk的SD大鼠，发现其股动脉的内径和外径均变小，但全身动脉的管壁均变厚。肺循环在微重力和模拟微重力时容纳了大量转移的体液，血液动力学发生了明显的变化，推测肺血管可能会发生明显的结构重塑，但这方面的研究尚未见文献报道。　　组织学研究发现，微重力或模拟微重力后肺的静脉和毛细血管扩张、弯曲，肺毛细血管的血容量增加〔22〕。在10　d的微重力期间，尽管肺灌流和肺毛细血管血容量增加了，却未引起肺间质的水肿〔23〕。West等〔24〕则报道，地面尾悬模拟微重力大鼠和航天后大鼠的肺泡内可见红细胞，且背侧重于腹侧，肺脏出现间质性水肿。他认为这是由于微重力导致肺毛细血管过度充盈，跨壁压增加，内皮细胞损伤，肺毛细血管受应力断裂而使血液成分漏出。据West的观点，肺毛细血管跨壁压突然增加时表现为肺出血，并以初期为重，而缓慢增加则表现为肺水肿。Tsukimoto等〔25〕的研究表明，肺毛细血管跨壁压增加至52.5　cmH2O时，毛细血管凸向肺泡腔。背侧出血重于腹侧可能与靠四肢行走的动物背侧长期处于相对缺血状态，当血容量突然增加时更易损伤有关。王承珉等〔26〕－30° 悬吊大鼠，在5.5和6.5　d，大多数鼠肺脏表面有片状出血，出血部位多位于右肺前叶和副叶，背侧重于腹侧。光镜下可见小静脉和毛细血管充盈、扩张，肺泡内可见红细胞，单核细胞增多。电镜下，出血部位的肺泡有成堆的红细胞和纤维蛋白条索，肺泡因受充盈的毛细血管挤压而变狭小，某些内皮细胞发生断裂，肺泡间质无增厚。另一项研究表明45°尾悬大鼠2　h后，肺泡间隔区发生了肺水肿，24　h后水肿转移到肺的气道和动脉，提示发生了微循环血管的损伤〔27〕。

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