介绍一套小动物离体灌流心脏心电信号研究设备 中国心脏起搏与心电生理杂志 2000年第2期第14卷 研制与开发 作者：钮伟真叶刚刘萍高燕丽 单位：首都医科大学心血管研究室，北京 100054 介绍一套小动物离体灌流心脏心电信号研究设备中国心脏起搏与心电生理杂志2000年第2期第14卷研制与开发作者：钮伟真叶刚刘萍高燕丽单位：首都医科大学心血管研究室，北京100054关键词：Langendorff心脏灌流；豚鼠；大鼠；His束电图；单相动作电位摘要作者开发了一套小动物离体心脏电活动研究设备。该设备集心脏灌流、起搏、表面心电图、His束电图、心房和心室单相动作电位记录等多项功能于一体，在国内外尚未见相同报道。充分利用这一设备可对心脏不同部位心肌的电生理特性以及对工作心脏的复极过程进行评估。离体心脏灌流方法在生理、病理生理以及药理学研究中已得到广泛地应用。为便于在研究中多方面地获取心电活动的信息，本研究室研制成功一套适用于研究豚鼠和大鼠离体灌流心脏电活动的设备。该设备集心脏灌流和起搏、表面心电图、His束电图、心房和心室单相动作电位记录等多项功能于一体，可用于对心脏不同部位心肌的兴奋性、传导性、自律性以及工作心脏的复极过程进行全面评估，因而在心脏基础研究中有广泛的用途。1材料与方法本设备是在Langendorff心脏灌流系统的基础上发展而来，如图1所示，增加的部分包括记录心脏表面电图、His束电图、心房和心室单相动作电位的电极以及心脏起搏电极。所有电极均合理地集成在心脏灌流装置上，灌流装置还配备恒温、恒压灌流及收集冠脉流出液的功能，维护和使用均很方便。1.1电极的制作His束电图记录电极被安置在Langendorff心脏灌流系统的主动脉插管（图1，p）上。主动脉插管取材于一段聚乙烯管（图1，o），长3cm。对于豚鼠（体重250～300g）心脏，插管内径为2.5mm、外径为3mm；对于大鼠（体重250～350g）心脏，内径2mm、外径2.5mm。插管的心脏端加工成斜面形状。取长20cm、直径为100μm的不锈钢丝两根，将钢丝一端分别在插管斜面尖端的管壁上，绕制成两个环行电极（图中仅示出一个），每个电极绕2～3圈（图1，p），电极间距1mm。不锈钢丝其余部分先经绝缘处理，然后穿行于管内2.5cm，最后经管壁侧孔（图1，b）引出，接放大器。侧孔b以环氧树脂密封。图1离体灌流心脏心电信号记录装置示意图a：His束电图记录电极引线，接放大器；b：主动脉插管管壁的侧孔，His束电图记录电极引线由该孔引出；c：单相动作电位参考电极及记录系统接地电极；d：心脏起搏电极；e：心房表面电极；f：右心房；g：吸附电极导管通过三通与一个注射器（未示出）连接；h：位于吸附电极导管管内的记录电极引线从导管管壁侧孔穿出；i：右心室；j：冠脉流出液收集器；k：心室表面电极；l：左心室；m：左心房；n：主动脉；o：主动脉插管；p：用不锈钢丝在主动脉插管尖端管壁绕成的His束电图记录电极（图中仅画出一个），引线经插管管腔从管壁上的侧孔（b）穿出心脏起搏及表面电图记录电极均为由不锈钢丝制成的小型钩形电极，区别在于前者是一个间距为1.5mm，并行固定在一起的双极电极（图1，d），后者为两个分立的单极电极（图1，e，k）。电极取材为直径0.4mm、长5mm的不锈钢丝，钢丝端磨尖后，弯成鱼钩形，另一端与轻质绝缘软导线焊接，焊接点以一小滴环氧树脂包裹固定。心肌单相动作电位记录电极为一种吸附电极。电极导管取材为内径1.5mm、外径2.3mm、长25～30cm的聚乙烯管（图1，g），一端经适当加热拉细至外径为0.8mm并使导管成圆弧形，细端为记录端。取直径50μm、长20cm的银丝一根（图1，h），银丝从距导管细端15cm处管壁的侧孔穿入，经导管管腔，从细端引出，剪除多余的银丝。侧孔以环氧树脂密封。导管粗端（图1，g）通过三通与一个容积为10ml的注射器相连。注射器提供负压，以保证电极导管细端能牢固地吸附在心房或心室壁上，整个管道系统的密封性是保证长时间记录的关键。1.2信号放大及处理本文介绍的装置可同时记录4路信号，即：心脏表面电图、His束电图、心房和心室单相动作电位。4路信号分别经前置放大器（输入电阻1M，NSA-Ⅲ，南京隆海科技实业公司）及滤波后输入计算机，由专用的A/D转换板及具有采集、显示、记录、测量等功能的软件（NSA-Ⅲ，南京隆海科技实业公司）完成信号处理功能，A/D转换板对每一路信号的电压输入范围为±2.5V、采样率为5kHz、采样精度10bit。各路信号的总放大倍数及频带见附表。为更好地记录心房和心室单相动作电位，作者将放大器的时间常数由1s分别增加到8.3s和25s，这样的变动一方面可消除因电极电位及电极极化过程对放大器工作的不良影响；另一方面又可尽量减少单相动作电位中低频成分的损失。为起搏心脏，可采用能输出各种复杂脉冲序列且带有隔离器的刺激器（如SEN-7103，NIHONKOHDEN）。附表各种心电信号的放大倍数及频带心电类型电压放大倍数*频带（Hz）心脏表面电图250～5000.16～1000His束电图1000～400016～1000心房单相动作电位50～1000.02～1000心室单相动作电位50～1000.006～10000注：*电压放大倍数取决于信号的大小和A/D转换所需的电压1.3各种心电信号的记录及心脏起搏1.3.1His束电信号与心脏表面电图主动脉起始部位的右心房侧靠近His束，是记录His束电位的较好部位。本文用于记录His束电位的电极安置在主动脉插管尖端上，在插入主动脉插管进行Langendorff心脏灌流时，将电极徐徐插至主动脉根部，即可记录到His束电活动。为确认His束电活动，应同时记录一路心脏表面电图。可将两个不锈钢丝钩形电极分别钩在右心房及左室心尖部（图1）。对应于PR间期水平段，在QRS波群前10～13ms处，可见一双向波即His电位H波（图2，3）。图2大鼠离体心脏的心电活动ECG：心脏表面电图；HBE：His束电图；RVMAP和RAMAP：右心室和右心房单相动作电位图3起搏豚鼠心房时出现的房室结传导阻滞LAMAP：左心房单相动作电位，心房起搏率为429ppm时出现，2∶1房室结传导阻滞、三个标记为S的刺激仅使心房兴奋，兴奋未通过房室结。刺激停止后，恢复窦性心律1.3.2起搏电极的安放依据研究目的的不同，可将不锈钢丝起搏电极安放在右心房上部（图1）或心室壁，并采用相应的刺激程序。1.3.3心肌单相动作电位的记录记录心肌单相动作电位的参考电极为一根直径1mm银丝，绕在主动脉上，兼作为整个心脏的接地电极。记录时将吸附电极垂直贴在心房或心室外膜，施加负压，使电极牢固吸附于心脏表面即可记录到心房或心室单相动作电位。记录单相动作电位的目的主要在于获取心肌复极过程的信息，其次0期上升速率的变化也有意义，但其具体数值远小于跨膜动作电位。2结果按照上述方法，在大鼠和豚鼠离体心脏可顺利地记录到His束电图（图2，3），在绝大多数情况下，His束电位的形状可维持数小时不变。根据研究目的不同，可同时或选择记录心房和心室的单相动作电位。如图2，3所示，大鼠心房和心室以及豚鼠心房单相动作电位的复极过程均很快，而豚鼠心室单相动作电位的时程较长，这些特点与用微电极方法记录的跨膜动作电位相同。用吸附电极记录的MAP幅值最初可达30mV，一般随时间推移下降到数毫伏，但MAP的形状特别是复极相变化不大。图3显示应用心房起搏方法研究豚鼠房室传导的记录，在心房率为429ppm时，出现2∶1房室结传导阻滞；而心房率为400ppm时，表现为3∶2文氏传导（结果未示）。利用本装置也适用于研究药物作用。图4中应用奎尼丁使心脏HV延长、QRS波群变宽、MAP上升变缓，这些都与奎尼丁阻断钠通道有关。图4奎尼丁对豚鼠心肌传导和单相动作电位的影响图中三段记录分别表示对照（零时刻）以及在灌流系统近心脏处一次性加入0.5μmol（0.1ml）奎尼丁后第5min和8min时的心电活动。第5min时，HV延长、QRS变宽、MAP上升相变缓，第8min时已有所恢复。整个过程中，MAP幅值的变化与奎尼丁无关3讨论本文详细介绍了一套自制的用于采集和研究小动物离体心脏电活动的设备。图2和图3分别显示用这一设备在豚鼠和大鼠离体心脏记录到的几种具代表性的心电信号。迄今为止，文献中尚未见到记录大鼠离体心脏His束电图的报道，而国内外学者在记录家兔和豚鼠离体心脏His束电图时，或将电极置于心外膜靠His束附近［1］，或是切开心脏暴露房室结-His束区域［2～4］，这些方法共同的缺点是难于在快速搏动的小心脏选择记录位置及固定电极，操作中极易损伤房室结-His束组织。据作者所知，本研究室是首次采用一种新式电极和方法在豚鼠和大鼠离体心脏记录到His束电图。作者认为，本文中的记录方法在操作的简单性、对组织的损伤性、记录过程的稳定性等方面均较上述几种经典方法更为优越，因而是本设备最主要的特色之一。关于记录心肌单相动作电位，除采用吸附电极外，近年来有较多对接触电极的报道［5］。一般认为应对电极进行不极化处理（即镀银-氯化银），其目的在于减轻电极极化程度、防止基线漂移和直流放大器饱和。作者基于以下几种考虑未对电极进行不极化处理：单相动作电位记录中的基线的电位水平不是检测指标，含义上不同于静息电位；即使对电极进行不极化处理，在长时间记录过程（1小时以上）中，由于心肌的收缩活动，电极极化及基线漂移仍难以避免；只要充分增加放大器的时间常数（即降低其下限频率）就能作到既消除基线漂移、保证放大器正常工作，又大大减少单相动作电位中低频成分的损失。本文在记录心房和心室单相动作电位时，放大器的下限频率分别为0.02和0.006Hz，实际上已接近直流（即0Hz），取得良好效果。总之，本设备设计合理、结构简单、功能较全、使用方便，且易于研究人员自制。这一设备的突出优点是宜于同时收集多方面心电信息。在记录豚鼠和大鼠离体心脏His束电图的方法和电极的设计方面，国内外尚未见相同报道。充分利用这一设备可对心脏不同部位心肌的兴奋性、传导性、自律性以及工作心脏的复极过程进行全面评估，因而在心脏基础研究中有广泛的用途。此外，配合对冠脉流量的测定以及对流出液生化成分的分析，可进行综合性研究。本室将继续改进设计，增加心脏力学指标的测量，使这一设备的功能更为完备。