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全身体积描记系统在睡眠呼吸暂停(OSA)方面的应用

更新时间:2023-05-06      点击次数:531
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上篇公众号文章介绍了昆士兰大学脑研究所Elizabeth Coulson 教授关于睡眠时大脑缺氧和阿尔茨海默病之间的因果关系的研究。该研究团队采用注射UII- SAP诱导胆碱能( cMPT)病变,开发了一种小鼠SDB模型。研究中利用了全身体积描记技术(whole-body plethysmograph,WBP)对模型动物的睡眠呼吸的情况进行了详细的分析。




实验方法

将C57BL/6小鼠麻醉后,注射UII- SAP诱导胆碱能( cMPT)病变。为了测量睡眠状态,采用无线遥测技术测量脑电图(EEG)、肌电图(EMG)和活动节律。


实验时,小鼠被放置在一个全身体积描记器中。使用全身体积描记系统对小鼠进行连续4小时的评估,期间记录呼吸,同时记录其他不受限制、自由运动的小鼠的脑电图。这种方法提供了一种间接的潮气量测量,它与密封腔室呼吸过程中产生的循环腔室压力信号成正比。

首先让小鼠30 min适应环境,然后持续记录3小时数据。每2秒记录一次的呼吸测量数据与脑电图预测的睡眠状态关联。只有确定的睡眠/觉醒状态的数据点被纳入分析,没有应用其他数据排除标准。然而,脑电图标准偏差>3的小鼠被排除在分析之外。一只损伤的小鼠在睡眠中呼吸频率降低了10倍(与所有其他小鼠相比)被排除在分析之外。

对每只小鼠,对睡眠期间的每个呼吸测量值(REM+NREM)和清醒期的值取平均值。数据通过两种方式(性别、损伤)的方差分析对每只小鼠的睡眠和觉醒状态进行分析。每只小鼠的每个参数的可变性也使用Levene的方差相等检验的方法计算,对于每只小鼠,从所有的值中减去每个参数的平均值,并通过单因素方差分析对 cMPT损伤组或对照组之间的结果数据进行比较。




实验结果

cMPT损伤导致睡眠呼吸中断

在光照期间使用无约束的全身体积描记技术,通过脑电图(EEG)测定 cMPT损伤和非损伤小鼠在睡眠和清醒期间的呼吸模式的影响。假设,损伤小鼠在睡眠时由于上呼吸道阻力而减少气流,吸气峰值流速(PIF)将会减少,吸气时间(EIP)将会增加,呼吸间隔时间将会增加,就像阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)患者发生的情况一样。由于性别、睡眠-觉醒和损伤的可能影响,以及构成呼吸周期的体积描记术变量的数量,我们总结了合并数据(图2A-D),其中使用雄性(图2E)和雌性(图2B)小鼠的平均测量值来绘制典型的呼吸。重要的是,在清醒状态下,我们发现对照组和 cMPT损伤小鼠之间的任何呼吸参数的平均值都没有显著差异(图2A、C、E)。相比之下,损伤鼠在睡眠期间对上述呼吸测量参数有显著影响。

与预期的一样,与对照组动物相比,睡眠期间的平均呼吸频率(f)下降(图2C-E)。然而,呼吸频率在雄性和雌性之间也有显著性差异。令人惊讶的是,受损小鼠在睡眠期间的呼吸频率平均低于对照组,并且与清醒时的呼吸频率没有显著差异(图2A-E)。然而,两个性别的损伤小鼠中,睡眠期间的呼吸时间,无论平均频率如何,显著大于睡眠对照小鼠(图2C)。

对人类来说,呼吸暂停(Apnea)是指气流停止10秒,这是一个人通常进行三次呼吸的时间(睡觉时的频率为12-20次/分钟)。在睡眠期间,对照组小鼠平均每2秒呼吸5次(150次/分钟)。然而, cMPT损伤小鼠明显更有可能出现呼吸频率降低的相邻周期(<100次呼吸/分钟),在 cMPT损伤小鼠和对照组小鼠中,分别有54%和17%的低频率呼吸周期持续时间超过4s。有趣的是,在损伤小鼠中,有一种在长低频呼吸期之后是清醒期的趋势,而在对照组小鼠中,低频呼吸期和睡眠/觉醒转变之间没有明显的关联。

在对照组和 cMPT损伤的小鼠中,平均PIF在睡眠期间均降低(图2D)。然而,在损伤小鼠中,睡眠期间的平均EIP比对照组小鼠短,相当于它们在清醒阶段的平均EIP。然而,在睡眠期间, cMPT损伤小鼠的PIF和EIP比对照组小鼠的变化更大。这表明,虽然平均吸气流量较慢,花费的时间较长,但 cMPT损伤小鼠在睡眠期间同时有非常大和非常小的峰值流量测量和吸气时间。

至于睡眠时的对照组小鼠,两个性别的损伤小鼠的PEF都降低了,这表明呼气期较慢。然而,雄性(图2E)和雌性(补充图2)小鼠呼气时的呼吸模式与睡眠无关,特别是在对呼气总时间的平均测量方面(EEP;睡眠-觉醒配对,双向方差分析)和呼气时峰值流量占总呼气时间的一部分(Rpef);对照组雄性小鼠在睡眠期间的平均测量值明显大于雌性,由于损伤组中雄性而非雌性的值显著降低,在EEP中观察到与性和睡眠状态的显著交互作用(睡眠-觉醒配对,双向方差分析)。

尽管如此,睡眠损伤小鼠的平均EEP明显低于睡眠对照组小鼠,并且与清醒小鼠相当。然而,在雄性损伤小鼠中,睡眠时EEP的变化明显高于对照组(图2C)。尽管如此,睡眠时雄性和雌性损伤小鼠达到65%的呼气时间的变化小于对照组小鼠(图2C)。EEP包括任何呼吸之间的暂停,这些结果占损伤老鼠平均更频繁的呼吸,也表明损伤老鼠,尤其是雄性,表现出一个高度可变的时间长度之间的65%的呼气和下一个吸入的开始。

我们还注意到,除Rt外,病变组小鼠在睡眠期间的呼吸测量均有显著差异。此外,不同的小鼠在呼吸测量中变化不同,平均对照组和损伤动物在潮气量或及其衍生物方面没有显著差异,并不是所有小鼠都显示出延长的低频呼吸周期。这表明,不同的动物可能通过不同的生理机制补偿了 cMPT损伤诱导的上呼吸道气流的减少。

总之,这些数据表明, cMPT损伤的小鼠在睡眠期间具有高度可变的呼吸模式,平均而言,这与由于上呼吸道阻力而发生的吸入和呼气措施的预测改变相一致,呼吸对呼吸的变化表明了由缺氧引发的恢复反应。大多数受损小鼠在睡眠中也表现出几秒钟的呼吸频率下降,随后是觉醒,这可以被解释为呼吸暂停事件。此外,与最常见的SDB形式一致,在休息时,当 cMPT损伤小鼠在睡眠期间血氧测量30 min,发现血氧饱和度在80-90%左右,显著低于空白小鼠的>95%(图2F,G)。该结果表明, cMPT损伤影响呼吸模式,导致睡眠期间的轻度缺氧,这与气道阻塞相一致。

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在清醒(A、B)或睡眠(C、D)期间注射对照空白SAP(A、C)或UII-SAP(B、D),采用全身体积描记记录和对应的EEG记录下进行静态呼吸测量。统计数据是指对雄性和雌性小鼠的睡眠-觉醒配对双向方差分析和Levene方差检验。

E UII-SAP组或对照组空白-SAP组雄性小鼠的平均多导睡眠测量(睡眠-觉醒配对双向方差分析)f频率,PIF峰值吸气流量,PEF峰值呼气流量,EIP吸气时间,EEP呼气时间,RT。


参考资料


Qian, L., Rawashdeh, O., Kasas, L. et al. Cholinergic basal forebrain degeneration due to sleep-disordered breathing exacerbates pathology in a mouse model of Alzheimer’s disease. Nat Commun 13, 6543 (2022).



塔望方案

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