缺氧环境下动物更为长寿？低氧环境如何激发身体的潜能与适应力

2024-07-31283

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撼动“燃素学说”的大厦

来自红色粉末的神秘气体

1774年英国化学家约瑟夫·普里斯特利通过一个大凸透镜，把阳光聚焦起来，加热氧化汞，用排水集气法收集产生的气体，并研究了这种气体的性质。他发现蜡烛在这种气体中以极强的火焰燃烧，老鼠在瓶中存活时间为相同容积的普通空气的两倍。

同年，普里斯特利将氧气的制法和性质告诉拉瓦锡。后者重复了这些实验，指出普里斯特利制出的气体不是“脱燃素空气”，而是能够助燃的——氧气。

法国化学家：安托万-洛朗·拉瓦锡

很遗憾，约瑟夫·普里斯特利并没能揭开氧气的真面目，但是后来的科学家们循着前人的足迹继续探索逐渐让氧气不再神秘。

生命活动的根本要素

氧气对机体的重要意义

氧气对于人体来说是必不可少的，代谢和能量产生都需要一定量的氧气，过多或过少的氧气都可能对生命造成一系列的影响，当你出现头晕头痛、困乏、睡眠质量差、记忆力减退、精神萎靡等症状，你有可能是缺氧啦！

通常，氧气通过呼吸进入肺，在肺泡中进行气体交换，再通过肺泡-毛细血管交换系统输送到毛细血管中，95%以上的氧气与红细胞中的血红蛋白结合。氧合血红蛋白（HbO2）携带大量的氧气随着血液运送送到外周组织，满足机体各外周组织的需求。

缺氧对人体的影响

缺氧的危害

氧气对生命的意义至关重要，缺氧对身体的危害是多方面的，大脑和心脏对氧含量极为敏感，因此，缺氧对神经系统和心血管系统的危害尤为明显。

对神经系统的危害：脑组织对缺血缺氧非常敏感，轻度缺氧就可能出现头晕、精神不振、反应迟钝等情况。严重缺氧则可能导致颅内压升高，出现头痛、晕厥、休克等严重表现，损害脑神经。长期缺氧会导致反应迟钝，甚至可能出现肺性脑病。
对心血管系统的危害：人的心脏活动和血管正常运行都需要氧气的参与，如果心血管出现缺氧的情况，可能导致心血管功能受损，心率代偿性加快，心肌收缩与舒张能力下降，引起心动过缓、心律失常、心悸、胸闷等不适，严重者甚至可能发生室颤。

低氧的益处

低氧造成的缺氧症状对机体的危害往往为人所熟知，有趣的是，对低氧的适应可能对机体是有益的。有相关研究表明，缺氧环境下无论实验动物还是野生动物，均表现得更为长寿。西藏地区100岁以上的长寿老人比率也较平原汉族高，且西藏地区老人的相对死亡率要低于平原汉族老人。这与在另一高海拔人群安第斯山土著居民中发现的“长寿村”遥相呼应。

这一高寿特征很可能源自遗传差异：与衰老相关的基因无论是在藏族人群还是青藏高原家养动物中均表现出快速进化，藏族人群长寿的诱因可能是高原低氧。

生命的低氧适应

原来我们的细胞这么“聪明”

在2019年诺贝尔生理学或医学奖授予美国哈佛医学院教授威廉·凯林（William G. Kaelin Jr.）、英国牛津大学教授彼得·拉特克利夫（Peter J. Ratcliffe）和美国约翰斯霍普金斯大学医学院教授格雷格·塞门扎（Gregg L. Semenza）3位科学家，以表彰他们在“细胞如何感知和适应供氧环境变化”中的决定性研究成果和巨大贡献。3位科学家发现了机体通过调节基因的活性以应对不同水平的氧气环境，为了解氧水平如何影响细胞代谢和生理功能奠定了基础。

机体面对低氧环境的自我调节

当携带氧气的含量发生变化时，细胞必须对此做出反应，过低或过高的氧含量都会给生物体带来重大挑战。过量的氧气会形成活性氧而具有毒性，在生理条件下，细胞更多时候遇到的是低氧状态，通过对氧气的生物感应，细胞的新陈代谢会随着氧气含量改变以适应低氧环境。例如，剧烈运动时，肌肉中的适应性过程包括新血管的产生和红细胞的生成，红细胞通过氧依赖性代谢调节来响应体外低氧，该适应过程保证了剧烈运动中肌肉的氧气供应。

缺氧也能保护机体？什么是低氧预适应

“低氧预适应”（hypoxic preconditioning，HPC）是指通过预先暴露短时间的、亚致死性的低氧刺激，或短时间的低温以及其他中度压力效应，可以增加机体对随后严重低氧的抵抗。它是一种内源性细胞保护机制，这种现象可发生于心脏、大脑、肾和肝脏等器官。

早期观察与探索

1950年代：前苏联中长跑运动员在高加索1800m高原训练基地进行训练，随后在墨尔本奥运会上取得了优异成绩。这一观察结果初步显示了高原训练（即低氧环境训练）对运动员体能提升的潜在益处。

在医学领域，科学家们开始观察机体在低氧环境下的生理反应。他们发现，当机体处于低氧状态时，会触发一系列的保护机制来应对缺氧的挑战。这些机制包括增加红细胞数量、提高血红蛋白浓度、增强心肺功能等，旨在提高机体对氧气的利用效率和耐受能力。

理论提出与科学研究

1927年，霍尔丹认为“组织细胞对缺氧的获得性耐受性”是在进化过程中形成的。

1963年，中国低氧预适应创始人吕国蔚提出其为“组织细胞对缺氧的适应”。由于大脑本身的高耗氧率，对氧气浓度的变化最为敏感。因此，在低氧期间，大脑利用关键的适应性机制得以生存并保持体内平衡。

动物实验的证据

HPC的神经保护作用研究始于1986年，自发现以来便备受重视。有报道称，缺氧预处理可抑制新生儿脑损伤中的神经胶质活化和神经炎症。研究者使用新生儿的缺氧缺血性脑损伤模型，在7日龄大鼠和体外缺氧模型评估低氧和低氧预处理对胶质细胞激活的影响，发现缺氧预处理可显著减弱神经胶质的激活，并产生强大的神经保护作用。

同样，体外实验表明，暴露于0.5%的氧气4 h会引起神经胶质炎性反应。在低氧损伤之前24 h暴露于短暂的（0.5 h）缺氧可明显缓解这种反应。另有研究表明，缺氧预处理可显著减轻低氧伤（hypoxia- injury），并显著改善H/I后35 d的感觉运动和认知功能。

随后，科学家们开始在其他器官和组织中探索预适应现象。他们发现，预适应不仅存在于神经系统，还广泛存在于肝、肾、脑等组织和细胞中。这些研究进一步扩展了低氧预适应的应用范围和研究领域。

实践应用与发展

现有的科研工作者在前人的基础上进一步评估动物对缺氧的耐受性。有研究者将小鼠放在一个密封的低氧舱中，创造缺氧的环境。通过控制舱体的氧气浓度和低氧暴露时间来创建一个低氧预适应过程，这导致了机体的“自动缺氧”，通过多次短时间的缺氧暴露来研究缺氧预适应对生理的影响。

同时，多项国际顶级期刊的研究结果支持了低氧预适应在心脑血管疾病防治中的有效性。例如，对于缺血性脑卒中患者，联合双上肢远隔缺血适应训练能显著降低脑卒中复发率并改善脑组织血流灌注和代谢。

低氧预适应机制的研究将为低氧预适应成为临床治疗手段和高原、航天、航海等极端条件下作业的细胞保护提供新思路和新策略。

低氧预适应模型怎么造？

氧浓度控制系统

那么，常规实验室如何模拟缺氧环境，如何创建合适的动物低氧预适应模型？

玉研仪器通过自主研发的氧浓度控制系统，可提供专业的一体化模型构建方案。专业工程师以及售后服务团队可协助解决实验中遇到的问题，为您的实验保驾护航。

产品介绍

Product introduction

氧浓度控制系统主要由气体浓度控制主机、暴露箱体、氧气传感器等组成。通过精确控制氧气气体的输入，长时间维持暴露箱内设定的氧气浓度，产品可用于大鼠、小鼠等实验动物的缺氧或富氧等各种实验。常量氧浓度控制系统可以根据用户需求将实验动物环境氧气浓度在0-100%内调节。

高精度氧浓度传感器实时监测氧浓度，低氧适应，高氧适应，一台仪器全部搞定，高强度亚克力玻璃美观又坚固，保证实验安全的同时让鼠鼠状态一览无余。

主要特点

Main feature

氧浓度控制主机：

模块化设计：主机和暴露箱分离，搭配灵活，使用方便。

指尖交互触摸屏：在触摸屏上设置各种参数，上手简单。

流速快速调节：自动反馈调节氧气流速，氧浓度上升曲线平滑流畅。

多参数可设置：充气时间、充气间隔、充气流量可调可控。

曲线实时显示：实时显示氧气浓度、二氧化碳、温度、湿度的变化曲线。

氧浓度范围大：0% ~ 100%可调可测量，可轻松调节任意所需要的氧气浓度，传感器置于暴露箱体内，可实时显示舱体氧浓度，测量误差小于 0.1%；理论寿命5年以上。

实时报警功能：多种报警参数可调，当气体浓度偏离预设值或者传感器信号脱落，仪器会自动报警，提醒实验人员进行检查。

暴露箱：

均一稳定：稳定暴露箱配备两个回流风扇，保障箱体内各暴露位置的氧气浓度均匀一致。

定制服务：定制暴露箱尺寸，数控型加热器或制冷器，来改变箱体内的温度，温度控制范围：室温±5°C。

独特材质：箱体采用透明加强型亚克力材质，厚度不小于12mm。

散热优化：配备铝合金散热板，加快箱内外温度的传导，有效降低箱体内的温度。

产品应用

Product application

细胞培养：常量氧浓度控制系统能精准调控细胞培养过程中的氧浓度环境。

组织工程：在三维生物材料支架上培养人工组织时,需要精细控制氧浓度,以满足不同组织细胞的氧需求。

生理生化实验：许多生理生化过程对氧浓度变化很敏感如氧化应激反应、代谢过程等。

动物试验：在动物模型实验中模拟特定的氧浓度环境非常重要如缺氧、高氧等条件下的生理病理变化。

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部分发表文献

Partially published literature

1. Wu, Dan-Dan et al. “STING mediates SU5416/hypoxia-induced pulmonary arterial hypertension in rats by regu lating macrophage NLRP3 inflammasome activation.” Immunobiology vol. 228,2 (2023): 152345. doi:10.1016/j.im bio.2023.152345

2. Gu, Hong et al. “Orexin-A Reverse Bone Mass Loss Induced by Chronic Intermittent Hypoxia Through OX 1R-Nrf2/HIF-1α Pathway.” Drug design, development and therapy vol. 16 2145-2160. 5 Jul. 2022, doi:10.2147/DDDT.S363286

3. Huang, Xiuji et al. “Intermittent hypoxia-induced METTL3 downregulation facilitates MGLL-mediated lipolysis of adipocytes in OSAS.” Cell death discovery vol. 8,1 352. 6 Aug. 2022, doi:10.1038/s41420-022-01149-4

4. Cao, Jing, et al. "Effect and mechanism of vascular endothelial growth factor-A on pulmonary vascular remodel ing in neonatal rats with hypoxic pulmonary hypertension." Zhongguo Dang dai er ke za zhi= Chinese Journal of Contemporary Pediatrics 23.1 (2021): 103-110. doi:10.7499/j.issn.1008-8830.2009005

5. Ma, Lijuan et al. “Intermittent hypoxia induces tumor immune escape in murine S180 solid tumors via the upreg ulation of TGF-β1 in mice.” Sleep & breathing = Schlaf & Atmung vol. 25,2 (2021): 719-726. doi:10.1007/s11325-020-02166-2

6. 郭鑫, and 李明霞. "血小板源性生长因子-BB 对缺氧性肺动脉高压新生大鼠肺血管重塑的影响及机制研究." 中国当代儿科杂志 25.4: 407-414.

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