高原不同海拔暴露對肺通氣功能及代償能力的影響

胡明冬 李琦 賀斌峰 王丹 劉剛 徐靜 劉雙林 王關嵩 黃嵐 徐劍鋮

·論著·

高原不同海拔暴露對肺通氣功能及代償能力的影響

胡明冬 李琦 賀斌峰 王丹 劉剛 徐靜 劉雙林 王關嵩 黃嵐 徐劍鋮

目的探討急性暴露不同海拔的平原人群肺通氣功能的變化情況以及潛在的機制。 方法從急進高原的某部官兵中篩選出100例未出現急性高原病的受試者，對其在平原(300 m)、海拔3 700 m和4 100 m的高原地區分別進行肺通氣功能檢測、6 min步行試驗和采集空腹血，利用ELISA檢測血漿低氧誘導因子-1α(HIF-1α)和內皮素-1(ET-1)的水平，連續監測法檢測血漿血管緊張素轉換酶(ACE)的活性。對不同海拔高度受試者用力肺活量(FVC)和6 min行走距離進行相關性分析。結果海拔3 700 m和4 200 m時受試者的FVC、6 min行走的距離顯著低于在平原時(P<0.05)，并且在4 200 m時受試者的FVC和6 min行走的距離較在3 700 m也顯著降低(P<0.05)；在4 200 m時受試者的FEV1、6 min步行試驗后呼吸頻顯著高于在平原(300 m)時(P<0.05)。受試者在海拔300 m和3 700 m之間以及在海拔300 m和4 200 m之間FVC的改變量和6 min行走距離的該變量呈正相關。海拔3 700 m和4 200 m時受試者的ET-1顯著高于在平原(300 m)時(P<0.05)，并且在4 200 m時受試者的血漿ET-1水平較在3 700 m也顯著升高(P<0.05)；在4 200 m和3 700 m時受試者的HIF-1α水平和ACE活性著高于在平原(300 m)時(P<0.05)。結論急性暴露高海拔的環境使肺通氣功能下降，并伴隨心肺代償能力的下降，其可能是由于肺間質少量的液體儲留所致。

急性低氧暴露； 肺通氣功能； 6 min步行試驗

高原環境對肺通氣功能的影響，過去也有研究。但是這些研究要么基于低壓氧艙的模擬環境，要么用登山者的數據或受試者在承擔體力勞動的情況下采集的數據[1-4]。顯然，模擬的高原環境只能模擬出高原環境下的缺氧和低氣壓，但這二者并不能全面反應出高原環境的真實情況。用登山者作的研究也不能排除運動對肺通氣功能的影響，運動醫學的研究已經表明運動后肺間質有輕微的液體儲留，這將影響到肺通氣功能，因此用登山運動員的數據可能導致結果的偏差[5-7]。為了更好的理解急性暴露的高原環境下對肺通氣功能的變化，本研究對急進高原的受試者在不同海拔高度的肺通氣功能和心肺代償能力進行監測，以期探明急性低氧暴露對肺功能的影響以及可能的機制。

對象與方法

一、研究對象

篩選某部從低海拔急進拉薩的干部戰士100名，均為男性，年齡18～35歲，平均年齡25.1歲。進高原前行常規體檢正常，在低海拔地區可正常參加強體力勞動。受試者24 h內急進至海拔3 700 m高原，停留1 d后到達海拔4 200 m駐訓地。受試者在急性高原暴露中均未發生急性高原病，如高原肺水腫和高原腦水腫。

二、研究方法

1. 肺通氣功能檢測：利用便攜式肺功能檢測儀S-980A Ⅲ按照操作要求檢測肺通氣功能指標FVC、FEV1、FEV1%和FEV1/FVC。受試者按照要求進行3次通氣功能檢測，記錄最佳值。

2. 6 min步行試驗(6 minute walking test, 6MWT)：在平坦的地面劃出一段長達30.5 m的直線距離，兩端各置一椅作為標志。受試者在其間往返走動，步履緩急由患者根據自己的體能決定。在旁監測的人員每 2 min報時一次。6 min步行完成后計算受試者的移動距離，并評估呼吸頻率和經皮檢測SaO2。

3. 受試者血漿的采集和保存:采集受試者在不同海拔高度時空腹靜脈血(肝素抗凝)，以離心半徑8 cm 4 000 r/min離心10 min，吸出上層血漿，標記后保存于-80°冰箱，統一進行檢測。

4. ELISA檢測血漿低氧誘導因子1α (hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)和內皮素-1(endothelin-1, ET-1)水平，人血漿HIF-1α、ET-1水平ELISA檢測試劑盒購自美國R&D公司。血漿HIF-1α、ET-1檢測簡要步驟如下：將50 μl血漿和100 μl配置好的各個濃度標準液分別加入樣品孔中，室溫孵育1 h；棄去液體后洗滌3次，加入檢測抗體，室溫孵育1 h；洗板后加入酶標抗體，室溫孵育20 min，再加入顯色劑后避光室溫孵育15 min，加入終止劑后，在酶標儀450 nm處檢測各個樣本的吸光度值，并換算成濃度。

5. 連續監測法檢測血漿血管緊張素轉換酶(angiotensin converting enzyme, ACE)的活性，血漿ACE活性檢測試劑盒購自南京建成生物工程研究所。檢測簡要步驟：125 μl血漿、標準品和雙蒸水分別加入1 ml工作液中，37 ℃孵育180 s后，340 nm波長連續測定300 s，計算ΔA/min，以空白孔調零，計算ACE活力。

三、統計學方法

結 果

一、急性高原暴露對肺通氣功能的影響

對100例受試者在不同海拔高度的肺通氣功能進行檢測，發現受試者在300 m、3 700 m和4 200 m時的FVC分別為(4.50±0.31)L、(4.12±0.27)L、(3.89±0.16) L，FEV1分別為(3.56±0.28) L、(3.42±0.32)L、(3.29±0.32)L，FEV1%分別為(75.6±2)%、(77.4±3)%、(76.7±2.4)%，FEV1/ FVC分別為(84.90±3.00)%、(85.2±2.8)%、(84.5±2.6)%。統計分析顯示，FVC隨著海拔高度的升高而逐漸下降，海拔3 700 m和4 200 m時受試者的FVC顯著低于在平原(300 m)時(P<0.05)，并且在4 200 m時受試者的FVC較在3 700 m也顯著降低(P<0.05)；當在4 200 m時受試者的FEV1著低于在平原(300 m)時(P<0.05)，但在4 200 m和3 700 m時的FEV1無顯著差異(P>0.05)；FEV1%和FEV1/FVC在三個海拔間均無顯著差異(P>0.05)，見圖1。

圖1 不同海拔對肺功能的影響；注：*: 與在海拔3 700 m時測量值比較，P<0.05；^：與在海拔300 m時測量值比較，P<0.05

二、急性高原暴露對肺代償能力的影響

對100例受試者在不同海拔高度進行6MWT檢測，見表1，發現受試者在行走距離隨著海拔的升高而顯著下降。受試者在海拔3 700 m和4 200 m時6 min行走的距離顯著低于在平原時(P<0.05)，并且在海拔4 200 m時受試者行走的距離較在海拔3 700 m時明顯縮短(P<0.05)。同樣，受試者在海拔3 700 m和4 200 m時6MWT測試后呼吸頻率、SaO2均顯著低于在平原時(P<0.05)，但受試者在海拔3 700 m和4 200 m時呼吸頻率、SaO2無顯著差異(P>0.05)。

此外，對不同海拔間的行走距離之差和FVC的變化量進行相關性分析，發現在海拔300 m和3 700 m時以及在海拔300 m和4 200 m以及3 700 m和4 200 m之間時FVC間的改變量和6 min行走距離的該變量呈正相關，既隨著海拔升高，FVC的下降可能導致肺代償能力下降，見表2。

三、急性高原暴露對對受試者血漿不同海拔受試者血漿HIF-1α、ET-1和ACE的水平

對100例受試者在不同海拔高度血漿中HIF-1α、ET-1和ACE的水平進行檢測，見圖2，結果顯示，受試者在300 m、3 700 m和4 200 m時的血漿HIF-1α水平分別為(42.12±4.76)pg/L、(103.49±7.34) pg/L、(105.34±3.76) pg/L，血漿ET-1水平分別為(30.34±2.85)ng/L、(51.45±6.45)ng/L、(59.29±5.12) ng/L，血漿ACE活性分別為(34.21±6.34)U/L、(64.54±4.45)U/L、(65.34±5.35) U/L。統計分析發現，血漿ET-1水平隨著海拔的升高而顯著升高：海拔3 700 m和4 200 m時受試者的ET-1顯著高于在平原(300 m)時(P<0.05)，并且在4 200 m時受試者的血漿ET-1水平較在3 700 m也顯著升高(P<0.05)；在4 200 m和3 700 m時受試者的HIF-1α水平和ACE活性著高于在平原(300 m)時(P<0.05)，但在4 200 m和3 700 m時的兩者均無顯著差異(P>0.05)。

表1 受試者在不同海拔6MWT后的生理參數

注:a與在海拔300 m時測量值比較，P<0.05；b：與在海拔300 m米時測量值比較，P<0.05

討 論

本研究發現受試者急性暴露于高原，其肺功能和6 min行走的距離隨著海拔的升高和顯著降低，并且兩者的降低程度呈正相關，提示肺功能降低直接影響了受試者的活動能力。此外，本研究發現急性暴露于高原的受試者血漿中HIF-1α、ET-1和ACE顯著升高，說明肺上皮和血管功能有一定的損傷。因此，推測肺上皮和血管功能的紊亂，導致FVC的降低，進而影響了受試者的活動能力。

表2 不同海拔6 min步行試驗行走距離和FVC改變量的相關性分析

注：變化1：受試者在海拔300 m和3 700 m測量值的改變量；變化2：受試者在海拔3 700 m和4 200 m測量值的改變量；變化3：受試者在海拔300 m和4 200 m測量值的改變量；a: 試驗行走距離和FVC改變量有顯著相關性，P<0.05

圖2 不同海拔對受試者血漿不同海拔受試者血漿HIF-1α、ET-1和ACE的水平；注：*: 與在海拔3 700 m米時測量值比較，P<0.05；^：與在海拔300 m米時測量值比較，P<0.05

研究表明在急性暴露于高高海拔地區，肺通氣功能FVC顯著下降，可能是由肺間質液體潴留所造成。1974年，Hales和Kazemi等[8]發現輕微的甚至連臨床也不能檢測到的肺水腫也會導致肺通氣功能的下降。隨后1979， Maron等[9]在研究長跑運動員肺通氣功能的變化時發現經過長跑運動后肺通氣功能也在下降，并且這種下降是伴隨閉合氣量的增加，閉合氣量的增加就是由于肺間質液體儲留導致的小氣道過早閉合而產生的。對于高原暴露是否會導致肺間質液體的潴留，這一問題一直吸引了很多學者的關注，并且進行了很多的探索。Kronenberg等[10]發現了高原暴露能提高肺動脈的壓力并引起肺泡的血氣交換功能障礙，因為后者的發現，他首次提出了高原暴露可能引起肺間質液體潴留的。Grissom等[11]也發現了高原暴露后導致肺泡—動脈氧分壓差增大的現象，他也把這一現象歸結于肺間質液體潴留的發生。Welsh等[12]在一個模擬的高原環境下首次觀察到了肺間質液體潴留的現象，并且也發現了通氣血流比值失調的現象，這一發現后來被很多的學者所觀察到。George等[13]發現在一群高原旅游的人群中，有17%的人發生了肺部X線能夠檢測到的液體潴留。Marlowe等[14]用肺泡灌洗的方法也發現了高原暴露導致肺間質液體潴留的證據。Pratali等[15]用胸部超聲的方法同樣也發現了液體在肺間質潴留的證據。

此外，除了肺間質液體儲留外呼吸肌疲勞也可能是肺通氣功能下降的原因之一。Deboeck等[16]觀察到能代表呼吸肌功能的MIP等指標的下降，并且它們的下降與FVC的下降存在明顯的相關關系。Sharma等[17]也觀察到了這一現象。但是如果呼吸肌功能的下降是導致肺通氣功能下降的主要原因的話，那么在高原環境下就可以觀察到剩余氣量的增加，二氧化碳的潴留等現象，但是包括Welsh等[12]的研究都沒有觀察到以上的現象，并且就算在運動的過程中也沒有觀察到以上的現象。因此呼吸肌功能的變化是否是肺通氣功能變化的主要原因還有待進一步研究。

對于高原暴露為什么會引起肺間質的液體潴留，目前的具體機制還不是很清楚，可能和以下的原因有關：肺循環血量的增加、肺毛細血管壓力的升高[25]及基因、缺氧等因素有對肺上皮細胞鈉通道的影響[18]。我們的研究發現，急性高原暴露使血漿中HIF-1α、ET-1顯著升高。ET-1是有效的血管收縮劑[19]。研究表明，在低氧暴露下血管中HIF-1α表達顯著升高，從而上調ET-1的表達[20]。有研究指出急性低氧暴露可導致肺和血漿中ET-1的水平升高，并且其升高水平與肺損傷情況相平行[21]。同樣，本研究還觀察到ACE在急性暴露中明顯升高。ACE屬含鋅金屬蛋白酶類，主要由血管上皮細胞合成，表達局限于肺、腎血管系 統和腦、小腸、胃和肺泡巨噬細胞。其是腎素-血管緊張素-醛固酮系統(rein-angiotensin-aldosterone-system，RAAS)的一個重要部分，是機體中一種強的縮血管活性物質[22]。當機體進行高原，受到低氧刺激后，激活RAAS系統，上調ACE的水平，進而使血管緊張素增多，促進水鈉潴留和血管滲透壓增高，使肺間質的出現液體潴留[23-28]。因此，推測在低氧暴露下機體肺血管功能尚處在代償期時，僅會有少量的肺間質液體潴留，其并引起肺水腫等嚴重高原病的出現，但已經對肺通氣功能產生影響。因此，連續監測肺功能可用于判斷受試者在高原的適應情況，既肺通氣功能改善可視為受試者對高原的適應，而肺通氣功能的顯著降低則可能意味著高原的不適應或不完全適應，應警惕急性高原病的發生。

綜上所述，受試者急進高原可導致肺通氣功能的顯著下降，并且伴隨著受試者行動能力的降低，可能是由于低氧導致肺血管的功能紊亂，出現少量的肺間質液體潴留所致。其確切機制仍需進一步研究。

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(本文編輯：黃紅稷)

胡明冬，李琦，賀斌峰，等. 高原不同海拔暴露對肺通氣功能及代償能力的影響[J/CD]. 中華肺部疾病雜志(電子版)， 2017， 10(1)： 10-14.

Study on pulmonary ventilation function and it′s compensation in different high altitude

HuMingdong,LiQi,HeBinfeng,WangDan,LiuGang,XuJing,LiuShuanglin,WangGuansong,HuangLan,XuJiancheng.

ArmyInstituteofRespiratoryDiseases,DepartmentofRespiratoryMedicine,XinqiaoHospital,ThirdMilitaryMedicalUniversity,Chongqing400037,China

XuJiancheng,Email:xqxjc@163.com

Objective To study the change of pulmonary ventilation function of plainsman in different high altitude and potential mechanism. Method One hundreds subjects was rapidly elevated to high altitude 3 700 m and then 4 200 m from sea level (300 m). They had not suffered with acute mountain illness. The pulmonary ventilation function and 6 minute walking test (6MWT) of subjects were evaluated and their fasting blood samples had been collected in different altitudes. The plasma hypoxia inducible factor-1α(HIF-1α) and endothelin-1(ET-1) levels were detected by ELISA, and the activity of plasma angiotensin converting enzyme(ACE) had been measured by continuous monitoring method. The correlation of the change of forced vital capacity(FVC) and 6 min walk distance(6MWD) among different altitude was analyzed by Pearson analysis. Result The FVC and 6MWD of subjects in 3 700 m and 4 200 m were significant decreased, compared with in sea levels (P<0.05). And the FVC and 6MWD of subjects in 4 200 m was lower than in 3 700 m (P<0.05). The FEV1and respiratory rate was high in 4 200 m than in 300 m (P<0.05). The change of FVC and 6MWD between 300 m and 3 700 m or 4 200 m was notable positive correlation (P<0.05). Compared to plasma ET-1 levels of subjects in sea levels, they were elevated in 3 700 m and 4 200 m (P<0.05) and the levels of ET-1 were higher in 4 200 m than in 3 700 m (P<0.05). The levels of plasma HIF-1α and activity of ACE of subjects was significant higher in 4 200 m and 3 700 m than in sea levels (P<0.05). Conclusions Pulmonary ventilation function and it′s compensation descend when subjects rapidly expose at high altitude, which might due to a small amount of pulmonary interstitial fluid retention.

Acute hypoxia exposure; Pulmonary ventilation function; 6 minute walking test

10.3877/cma.j.issn.1674-6902.2017.01.003

國家衛生部衛生行業科研專項項目(201002012) 軍隊青年培養項目資助(13QNP114)

400037 重慶，第三軍醫大學新橋醫院呼吸內科·全軍呼吸內科研究所

徐劍鋮，Email: xqxjc@163.com

R563

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2016-10-26)