正常和STZ诱导糖尿病大鼠食管的应力软化及其恢复特性研究

发布时间：2020-08-05 11:43

【摘要】：长久以来,学界普遍认为由反复循环加载导致的生物软组织的应力软化(Mullins效应)是不可恢复的。但近年来针对兔逼尿肌的一项研究对该观点提出了挑战,该研究揭示了氯化钾(KCl)激发的组织收缩可以显著恢复由应力软化引起的兔逼尿肌被动硬度损失和储存能量损失,并由此提出了生物软组织“可调整被动生物力学特性”的概念。食管位于消化道的起始段,是一个具有运动能力的管状器官。由于食管的蠕动及食团的运动过程都会不断地改变食管壁的几何特征以及应力和应变在食管上的分布,因此食管的生物力学特性是决定其正常生理功能的重要因素。虽然前人已经对食管的生物力学特性和生长、老化及疾病所致的食管生物力学特性重构进行了较为广泛的研究,但目前针对正常食管和糖尿病状态下的食管应力软化及其恢复特性的研究尚属空白。食团在吞咽过程中行经食管时,食管的蠕动和食管壁的扩张-收缩运动一方面可驱动食团的运动,另一方面也使得食管组织在反复的变形过程中趋于应力软化,而在此过程中,食管在外力刺激下产生的收缩很可能恢复了由之前的应力软化引起的食管组织的储存能量和被动硬度损失,从而起到一种“自我保护机制”,以维持食管正常的生理功能。此外,之前已有大量研究表明,糖尿病可导致食管的生物力学特性发生明显重构。由此亦可推测,糖尿病所致食管生物力学特性的重构很有可能对食管的应力软化及其恢复特性产生显著影响,从而引发食管的生理功能障碍。基于以上的研究现状和假设,本文的研究工作综合应用了生物力学实验、数值计算、组织学观察和免疫组化染色分析方法对正常大鼠和STZ诱导糖尿病大鼠的全层食管、食管粘膜-粘膜下层和肌层的应力软化及其恢复特性进行了较为系统的研究。主要研究内容和结论如下:1.正常大鼠全层食管的应力软化及其恢复特性的研究本部分研究以大鼠全层食管为研究对象,通过实验方法来揭示大鼠全层食管的应力软化特性并验证KCl刺激引起的组织收缩是否能恢复由应力软化引起的食管被动硬度损失和储存能量损失,并探讨大鼠食管可能存在的可调整被动生物力学特性。研究结果表明:1)在反复充压-泄压循环加载过程中,正常大鼠全层食管组织的储存能量损失和被动硬度损失主要由各最大充压压力水平下的第1次循环加载所导致;2)由应力软化导致的大鼠全层食管的储存能量和被动硬度损失在Krebs+溶液(含有Ca~(2+))中静置后无法得到恢复,但由粘弹性软化引起的储存能量损失可以得到恢复;3)在Krebs+溶液中经KCl活化后,由应力软化引起的大鼠全层食管组织的储存能量损失和被动硬度损失均可以得到显著恢复。2.正常大鼠分层食管的应力软化及其恢复特性的研究大鼠食管是一个典型的多层组织模型。通过细致的显微操作,可以把大鼠食管分为完整的肌层和粘膜-粘膜下层并且可以保证两个分离的结构层不会发生明显的损伤。因此,基于第1部分的研究结果,本部分研究通过对正常大鼠食管进行分层操作以及对两层分层组织的同步循环加载测试,进一步探讨了大鼠食管的粘膜-粘膜下层及肌层的应力软化特性以及KCl活化过程对两层组织的应力软化恢复的影响。研究结果表明:1)在分层状态下,正常大鼠食管肌层的硬度明显小于粘膜-粘膜下层,但具有比粘膜-粘膜下层更大的迟滞回线面积;2)KCl可激发大鼠食管肌层产生高振幅的剧烈收缩以及粘膜-粘膜下层产生低振幅强直性收缩;3)正常大鼠食管粘膜-粘膜下层及肌层在KCl活化过程中的收缩特征的差异可能与平滑肌组织在这两个结构层中的含量和分布具有明显差异相关;4)正常大鼠食管粘膜-粘膜下层和肌层在Krebs+溶液中经KCl活化后,由之前加载过程的应力软化引起的组织被动硬度以及储存能量损失都可获得不同程度的恢复。3.糖尿病对大鼠食管应力软化及其恢复特性的影响研究基于第1和第2部分的研究结果,本部分研究采用生物力学实验方法,同时结合免疫组化染色分析方法来探讨链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病对大鼠全层食管、粘膜-粘膜下层和肌层的应力软化以及其恢复特性的影响。研究结果表明:1)糖尿病大鼠的全层食管、食管粘膜-粘膜下层和肌层在KCl刺激下产生的收缩强度显著弱于正常大鼠的食管组织;2)KCl活化过程无法恢复糖尿病大鼠的全层食管、食管粘膜-粘膜下层和肌层由应力软化所致的储存能量损失和被动硬度损失;3)糖尿病导致的大鼠食管组织硬度的改变主要发生在食管肌层;4)糖尿病会提高大鼠食管肌层由应力软化引起的被动硬度损失的程度,同时显著削弱KCl活化对大鼠全层食管以及食管肌层被动硬度的恢复程度;5)在糖尿病大鼠食管组织中,AGE、RAGE、TGF-β1和TGF-β1R的表达显著上调,而BDNF和TRKB的表达显著下调,这些蛋白和因子可能与糖尿病抑制大鼠食管应力软化的恢复有一定关联。本文的研究是第一例关于正常和糖尿病大鼠全层食管、食管粘膜-粘膜下层和肌层的应力软化特性及其恢复特性的系统研究。本文的研究揭示了正常大鼠食管组织在KCl活化作用下的可调整被动生物力学特性以及糖尿病对大鼠食管各结构层的应力软化及其恢复特性的影响。本文的研究结果对于更全面地理解食管生物力学特性及生理功能具有一定的参考价值,并为糖尿病引起的消化道功能性障碍的临床诊断和治疗提供了新的思路。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R587.2;R571
【图文】：

示意图,胃肠道,典型结构,管壁

图 1.1 胃肠道管壁典型结构示意图肠道管壁呈分层结构，一般可分为四层，包括粘膜层、粘膜下层、肌肉层和外膜层。些结构层进而构成了不同的组织层：肌肉、结缔组织、神经和上皮。Figure 1.1 The sketch shows typical structure of gastrointestinal (GI) wall.he wall of the GI tract is a laminar structure, typically four layers including mucosa, submucuscle and adventitia layers. These layers constitute layers of tissues of different kinds: muscconnective tissue, nerves, and epithelium.胃肠道结缔组织是粘膜下层和粘膜层的主要成分之一，同时也占据了大肉层的厚度。结缔组织由胶原纤维和弹性蛋白组成，同时还包含成纤维细他细胞成分。在身体的其他部位，根据所在部位对力学特性的不同需求，分具有不同的种类和密度。胃肠道的神经组织在胃肠道管壁内部形成了一个独特而复杂的神经系统肠神经系统（Enteric nervous system，ENS）。该神经系统的运转在很大程度于中枢神经系统。肠神经系统包含了不同种类的神经细胞。这些神经细胞

食管,食管粘膜,环咽肌,咽下缩肌

图 1.2 食管壁的主要形态和结构（a）食管壁组织形态示意图；（b）食管壁横截面典型组织学照片；（c）食管粘膜下层胶原纤维扫描电镜照片；（d）食管粘膜下层胶原排列形态示意图（修改自参考文献[2]和[8]）Figure 1.2 The main morphological structure of esophageal wall(a) Schematic representation of histological configuration of esophagus; (b) Optical microscopepicture of an esophagus section; (c) Distribution of collagen fibres within submucosa: scanningelectron micrograph; (d) Schematic representation of fibre arrangement.(Adapted from Ref. [2] and [8])而根据不同的纤维排列方式，食管肌层还可被划分为内部周向肌层和外部轴向肌层[2]（如图 1.2 b）。食道上括约肌主要由位于颈部食管的肌肉组织和环咽肌以及咽下缩肌组成[3]。紧邻于胃上部的食管部位有轻微增厚的环状肌肉结构层，从而形成了食管的 LES[3]。食管壁两层肌层和上下括约肌的协调收缩对于食管的主动生物力学特性（如内容物输送功能）十分重要[4-6]。

分布情况,残余应变,结构层,食管

8图 1.3 残余应变在猪食管各结构层的分布（a）食管无加载状态及零应力状态的参数测量方法；（b）全层食管（第一列）、粘膜-粘膜下层（第二列）、内肌肉层（第三列）以及外肌肉层（第四列）的无加载状态；（c）以上各食管结构层对应的零应力状态；（d）残余应变在分为三层的食管壁上的分布情况，其中 a 是内层肌

【参考文献】