TimothyJ.Roberts,AndrewT.Burns,AndrewI.MacIsaac,DavidL.Prior,RichardJ.MacIsaac,andAndre?LaGerche
本刊负责人：医院
审校：杨 医院
翻译：李 医院
摘要
目的：明确一种新的量化指标即超声心动图检测的PTAC（超声对比造影剂微气泡通过肺部通的数量）是否能够在糖尿病人群中检测微血管病，以及该指标是否与运动能力下降相关。
研究设计和方法：60名受试者（40名糖尿病患者，20名对照组）在一周内进行心肺[最大耗氧量（VO2峰值）]和半卧位自行车超声心动图运动试验。应用PTAC评估肺微血管疾病（根据通过肺循环到达左心室的微气泡数量，分为低PTAC和高PTAC）。超声心动图测量运动时心输出量、肺血管压力和双心室功能。
结果：糖尿病组和对照组年龄相似(44±13vs.43±13岁，P=0.87)，性别构成(70%vs.65%男性，P=0.7)相似。在运动峰值，糖尿病患者低PTAC比例更高（41%vs.12.5%,Ｘ2P=0.），尤其是那些本身存在微血管病变的糖尿病患者（55%vs.26%vs.13%,Ｘ2P=0.02）。低PTAC与高PTAC比较，低PTAC与氧峰值下降24%(P=0.)，运动时右室功能下降(P=0.)和肺动脉高压增加相关(P=0.02)。
结论：糖尿病患者，尤其存在其它微血管病变的患者PTAC下降，提示PTAC可能是评估肺微血管病变、心血管功能和运动能力的一个有意义的指标。
以最大耗氧量（VO2峰值）评估的运动能力是寿命和生活质量的一个主要决定因素［1］。与健康人比较，VO2峰值在糖尿病人群下降约20%［2,3］，这种功能损害的机制尚不完全清楚。亚临床左室功能不全［3,4］、外周血管系统改变［5］、骨骼肌微循环异常［6］与糖尿病运动损伤相关。最近有学者提出右心室（RV）和肺循环在运动时血流动力学压力比例失调，也是运动能力的主要决定因素［7，8］。近年来，肺逐渐被认为是糖尿病的一个靶器官［9.10］，肺循环拥有全身最丰富的毛细血管网［11］，并且负责调节全心输出来看这一观点并不奇怪。解剖研究已经描述过肺微血管的病理结构，包括肺泡上皮细胞和肺毛细血管基底膜增厚［12，13］，这与糖尿病肾脏和视网膜中观察到的结构异常相似［11］。尽管已经有这些研究结果，但直接将肺微血管疾病和心血管表现关联起来的观点仍存在挑战。
针对肺微血管功能的一种非常有希望的无创检测方法是运动时应用超声心动图测量微气泡造影剂在肺部通过的情况（PTAC）［14］。这包括注射微气泡胶体造影剂和半定量梯度造影剂，在运动时穿过肺血管到达左心。既往研究中我们证明了高PTAC与高肺血管顺应性，低肺血管阻力和右心功能改善、心输出量增加和最大耗氧量增加有关［14］。我们因此推断，PTAC可能是健康的肺血管舒张性的一个标志。这一设想得到Lalande等［15］的支持，其研究证实了PTAC和肺循环扩张系数之间相关。因此通过肺的造影剂越少，肺微循环舒张性越差。
我们提出一个推测，糖尿病患者尤其是那些有并发其它部位微血管病变的糖尿病患者PTAC会下降。本研究同时评估PTAC对右心功能、心输出量和运动能力的影响。
研究设计和研究方法
受试者招募
通过宣传资医院糖尿病门诊的1型糖尿病和2型糖尿病患者参加此研究，并经过患者的治疗医生同意。纳入标准为年龄18-70岁，能够进行中等强度运动。其中，一半受试者按照目前指南诊断过糖尿病肾病和糖尿病视网膜病变这些微血管病变［16］。
年龄和性别匹配的无糖尿病对照组以2:1比例纳入，一半与1型糖尿病匹配，一半与2型糖尿病匹配。对于糖尿病和对照组受试者，排除标准包括慢性阻塞性肺病、冠状动脉疾病、左室收缩功能不全（定义为左心室射血分数小于40%），或者明显的糖尿病肾病（估计的肾小球滤过率30mL/min/1.73m2）。如果超声心动图图像无法诊断，受试者在完成运动研究后进一步被排除。
入组后，对所有受试者进行微血管、心脏血管和肺血管详细的基线评估，包括血清肌酐、尿液分析、视网膜病变分级、24小时血压监测、超声心动图和呼吸功能试验。进入研究当月受试者预估平均每周运动参与情况和运动强度（低、中或高）计算代谢当量小时数（MET）。
研究获医院人体研究伦理委员会批准。所有受试者均签署知情同意书。
研究方案
研究者在1周内进行2项试验：心肺运动试验（VO2峰值）和半卧位自行车运动超声心动图研究。2项试验之间至少间隔24小时恢复期。
最大耗氧量检测应用直立自行车(ExcaliburSport;Lode,Groningen,荷兰)采取个体化连续增量模式在10分钟内达到峰值功率。以同步心电图和血压检测方式分析5次呼吸中平均氧耗和二氧化碳产生。应用标准方法检测呼吸交换率（RER）,通气阈值和通气效率（分钟通气量／二氧化碳流量［VE/VCO2］）[17]。
运动超声心动图应用侧向倾斜半卧位自行车测力计(Lode)进行。获取休息时和根据个人最大耗氧量决定的四个递增强度运动的系列图像。过去我们的研究显示直立位测力计最大强度66%与半卧位测力计最大强度几乎相当[18]，因此低、中、高、最大强度运动被描述为最大耗氧量的15%、25%、50%和66%。琥珀酰明胶（Gelofusine；Braun）造影剂和空气（95:5比例）通过2个注射器应用三通管搅拌混匀，用2毫升注射器从上臂静脉在1秒内注射。每个运动阶段注射2剂，第一剂用来增强多普勒信号以测量三尖瓣返流峰值速度和肺动脉收缩压（PASP），第二剂用于检测PTAC。在右心室出现造影剂后通过对于20次心动周期评估PTAC。如果基线检测或运动时发现有卵圆孔未闭者（PFO），PTAC结果不计入最终分析。PFO定义为小于6个心动周期在左心发现造影剂。超声心动图由一个经验丰富的心脏超声医师使用VividE9心脏超声机（GE医疗）检测。一个有解析超声心动图经验的心脏病专家应用EchoPAC软件（版本；GE医疗）脱机分析超声心动图图像。PTAC如前所述进行半定量分级为四个等级［14］。
统计
数据使用IBMSPSS22版（SPSS公司，芝加哥）分析。Shapiro-Wilk法进行正态性检验。连续变量以均值±标准差表示。组间差异采用非配对Studentt检验或卡方检验。Spearman相关评价单变量关系，前向二项回归模型确定PTAC显著性预测因素。双向重复方差分析评估糖尿病和运动阶段对超声心动图的影响，结果表示为平均值±标准差。p值0.05具有统计学意义。根据以往的观察，我们预测高PTAC在糖尿病组减少一半，与存在微血管病变人群相似。每组20例对发现高PTAC比例检验效力为86%。
结果
研究纳入64名受试者，3人由于超声心动图图像质量不佳剔除（2个糖尿病患者，1个对照个体），1个受试者在进行运动试验前退出。总计40名糖尿病患者（1型糖尿病20人，2型糖尿病20人，每组一半存在微血管病变）和20名年龄、性别匹配对照组纳入最终分析（表1）。糖尿病患者为中年(44±13岁),男性为主，超重。血糖控制中等，病程16±10年。与没有微血管病变的糖尿病患者比较，有并发症患者体重指数（BMI）更高（29±4vs.26±3kg/m2,P=0.）,血糖控制更差（HbA1c66±18vs.56±8mmol/mol,P=0.），糖尿病病程更长(21±8vs.10±7年,P0.)。20名患者合并糖尿病微血管并发症，包括糖尿病肾病(n=9,占45%)、微量白蛋白尿(n=5,占25%)、视网膜病变及微量白蛋白尿(n=3,占15%)、视网膜病变及微量白蛋白尿及糖尿病神经病变(n=3,占15%)。各组间每周运动预估MET小时数没有显著差异。
静息心肺功能
左室和右室收缩功能在糖尿病患者和对照组均正常（表1）。静息血液动力学参数，包括心脏指数（CI）和PASP，均在正常范围内，两组间相似。但在糖尿病组中有并发症患者PASP较无并发症患者高(29±6vs.24±6mmHg,P=0.)。研究中发现5位受试者存在PFO（糖尿病组1人，对照组4人）。
糖尿病组第1秒用力呼气容积（FEV1）和用力肺活量（FVC）较对照组低，而FEV1/FVC相似（表1）。与预估相反，无论是否校正与肺泡容量比值（DLCO/VA），肺一氧化碳弥散容量（DLCO）均没有差异。
从微血管并发症状态来看，存在并发症的受试者DLCO/VA矛盾性升高，但没有显著临床意义（5.0vs.4.5mL/mmHg/min/L,P=0.）。其它呼吸功能测量值均没有差异。
心肺运动试验
所有受试者测验最大耗氧量时均运动到高强度，RER1.1(表1)。糖尿病组功率峰值和最大耗氧量明显低于对照组。两组通气效率均正常(VE/VCO2=24.3±3.3vs.22.5±3.8,P=0.06)，但糖尿病组低于对照组。
糖尿病对运动时双通气收缩功能、血流动力学参数和肺循环的影响
两组在运动强度增加期间均观察到双通气收缩功能和血流动力学参数的相应增长（附件表1）。运动诱发PASP增加，这在糖尿病组和对照组之间表现相似。与对照组比较，糖尿病组CI增加幅度小（交互作用，P=0.）,运动期间每搏量更低（主效应，P=0.），心律增加幅度更小（交互作用，P=0.01）。糖尿病组左室收缩期峰值速率增加（LVs’）幅度在运动期间较对照组减小，而其它功能参数相似（附件表1）。
按照PTAC分组
共55个受试者测量了PTAC。18个受试者PTAC较低（33%，糖尿病组16人，对照组2人），剩余37人（67%）PTAC较高（糖尿病组23人，对照组14人）（表2）。低PTAC受试者年龄、体重高于高PTAC受试折。糖尿病组中低PTAC比例更高（39人中有16人，占41%;对照组16人中有2人,X2,P=0.）。合并糖尿病微血管病变受试者中低PTAC更多（20人中有11人，55%;非微血管病变19人中5人,26%;对照组16人中2人13%；X2,P=0.02）（图1）。
几项静息时左室、右室收缩功能超声心动图测量指标在低PTAC受试者中较高PTAC受试者轻微下降。静息CI和PASP相似（表2）。与高PTAC相比较，低PTAC人群DLCO下降更明显，FEV1更低。
PTAC对运动能力、肺气流和通气功能影响
低PTAC组最大耗氧量和最大功率较高PTAC组分别低24%和17%（P0.05）(图2和表2)。与高PTAC组比较，低PTAC与运动期间高PASP相关（60±10vs.52±8mmHg;与运动相互作用P=0.）（表2），而低PTAC组超声心动图测量右室收缩功能也下降（右室壁收缩速率峰值［RVs］的主效应，P0.;右室面积变化分数（RVFAC）主效应（P=0.）。LVs’、LVEF和CI在运动期间没有显著差异(相互作用,分别为P=0.38,P=0.49,P=0.42)。
PTAC的相关因素和预测因素
人口学指标显示年龄(r=-0.52,P0.)和体重指数(r=-0.39,P=0.),与PTAC呈单因素显著相关，性别无显著相关(r=0.19,P=0.16).糖尿病组血糖控制(HbA1c)、糖尿病病程与PTAC没有显著单因素相关关系。微血管病变肾功能不全与PTAC轻度相关（eGFRr=0.48,P=0.;微量白蛋白尿r=-0.40,P=0.）,视网膜病变无相关性。
运动能力(最大耗氧量)与PTAC轻度相关(r=0.40,P=0.),静息左室和右室收缩功能也与之轻度相关(LVs’r=0.40,P=0.;LV[GLS]整体纵向应力r=20.36,P=0.;LVEFr=0.28,P=0.04;RVs’r=0.42,P=0.)。静息心输出量与PASP没有显著相关性。与之相似，DLCO(r=0.18,P=0.20)和其它呼吸功能参数也与PTAC不相关。
应用二项回归评估糖尿病预测低PTAC的显著性。在校正年龄、是否存在糖尿病后仍然显著相关。联合模型解释了46%的变异(P0.)，能准确分类78%的病例。
结论
本研究应用一个新的能够代表肺微血管功能的指标，证实糖尿病人群较对照组存在肺血管和右心功能更为普遍的损害。这个指标与增龄、运动能力下降和最大耗氧量降低相关。这一发现提出了糖尿病患者肺微血管病理生理和导致的心血管受限的新机制。
糖尿病和微血管并发症导致的PTAC差异提示其可以作为肺微血管病变的指标
肺血管床必须适应运动时血流量增加和心输出量增加而快速调节。狗肺的研究［19，20］提示毛细血管会募集新毛细血管床并且扩张，血管压力每增加1mmHg，毛细血管直径平均增加2%［21，22］。肺微循环增加和舒张在运动期间会减弱肺动脉平均压力的增高，使肺动脉压力和心输出量之间呈现曲线线性关系［23-25］。Malhotra等［26］观察到心衰或者肺动脉高压患者肺血管舒张、右心功能、运动能力与存活之间显著相关。他们通过联合非侵入性肺动脉和毛细血管锲压检测和放射性心室造影评估运动时心输出量。尽管这些结果令人向往，但因为是侵入性操作且过程复杂，故临床应用受限。本研究应用了一种简单方法发现了肺血管舒张、右心功能和运动能力之间相关，这是一种操作容易、成本低、可以整合到日常临床工作的非常有潜力的方法，。
明确肺微血管病变的功能研究存在较多未知因素，糖尿病患者肺微血管病变功能不良的相关研究非常必要。即使考虑到DLCO和静息时呼吸功能试验明确早期肺泡毛细血管损伤的敏感性有相互冲突的结果，DLCO减少仍与肺微血管病变存在相关［10，11，27］。某种程度上，我们目前关于低PTAC受试者DLCO减少的发现与其它检测方法发现肺微血管功能不全的观点一致。另一方面，我们没有观察到整个糖尿病组DLCO异常，但糖尿病组PTAC下降。两者不一致很难解释。这可能因为PTAC较DLCO是更敏感的测量方法，而本研究应用相对保守的功能检测方法（最大耗氧量＝93±预计值20%）和入组患者微血管病变较轻。Wang等建议检测运动时DLCO［28］，这可能能够更好地反应肺的弥散能力，与PTAC观察到的差异相平行。PTAC能够在早期发现肺血管病变的设想令人振奋，但因为没有可以参考的诊断金标准，证实这一设想比较困难。
本研究最为显著的发现是运动能力的改善，无论是最大功率还是最大耗氧量，都与高PTAC有关。启动本研究的理论基础来自于我们既往的发现：低PTAC与运动能力下降有关，原有的肺侵入性检查提示这种相关性是由肺血管阻力增加和顺应性下降调节的。研究假设是这种现象在糖尿病人群中尤其显著而持续，因此我们可以预测肺微血管疾病存在。既往研究的主要观点为左室是运动能力的决定因素。但没有多少发现提示左室功能测量与运动能力有关，对于“糖尿病性心肌病”的心脏特征也一直没有形成共识。“糖尿病性心肌病”诊断是排除性的，当没有冠状动脉硬化和高血压存在而出现心室功能不全才能够诊断［29］，这也说明其缺乏心脏影像的相关诊断指标。目前常规检查心血管病变的手段仍有限。运动时右心负荷不成比例地增加已经证实［30，31］，因此提出右心室是运动状态下的“阿喀琉斯之踵”这一观点［7，32］。这种现象在健康循环中存在，在肺血管功能不全时加重。本研究中，糖尿病患者低PTAC更普遍、肺动脉压力更高支持了这些生理学原理，分别提示肺微血管功能不良和右心后负荷增加。这些调节与右心室功能下降和运动能力受损的结果相关。上述现象为糖尿病人群运动不耐受提供了全新的解释（图3）。
PTAC的完整生理机制仍然是推测性的。一些研究者建议PTAC反应了通过动静脉通路的肺内转换［33-35］。但过去没有发现糖尿病患者存在动静脉畸形，而微血管病变是一种病理表现。因此，低PTAC与糖尿病之间的关系强化了我们的设想：PTAC反应了肺毛细血管舒张功能。微血管病变很少孤立地存在于糖尿病患者，低PTAC在那些其它部位存在血管病变的个体中更为普遍，支持了低PTAC是肺微血管病变的一个指标。
年龄对PTAC的影响
我们观察到低PTAC与年龄增长之间有明显相关，与其它研究者的发现一致［14，15，24］。Harris等［36］和Mackay等［37］曾经报道过随着年龄增长肺血管壁硬度增加，Mackay等认为这是由于弹性组织随着时间变化导致的。然而，单纯年龄不能全面解释肺微血管顺应性下降。与对照组年龄匹配后，糖尿病组低PTAC更为普遍。而且，回归模型发现年龄和糖尿病是PTAC的独立预测因素。因此能够得出结论：糖尿病加重了年龄相关的肺毛细血管顺应性损害，因此导致了运动能力下降。
PTAC的临床相关性
PTAC、糖尿病、微血管并发症和运动能力下降的相关性提示这种简单方法是判断微血管功能不良预后和功能的一个敏感指标。更进一步，这提出了糖尿病患者运动受限的一种全新机制，肺循环和右心室可能是受限的主要源头。靶向抗炎和抗纤维化制剂的潜在功效可以应用PTAC检测［38］。另外也提示应用吸入胰岛素可能引起肺微血管结构炎症和损伤［39，40］，可以应用PTAC来替代传统的肺功能检测评估。本研究提示运动能力受损是一种结果，PTAC将是明确早期病理改变的一项敏感手段。
研究不足
像其它非侵入性肺微血管评估研究一样，PTAC的机制探讨是本研究的一个不足。尽管我们曾经展示PTAC在健康人群不影响运动诱发的动脉氧饱和的变化的结果［14］，我们没有进行动脉采样评估PTAC对肺泡/动脉氧弥散梯度的影响。
研究中心肺功能检测和半卧位自行车超声心动图运动试验分别进行，这可能导致不同试验时运动峰值表现的差异。我们既往经验显示这些试验如果合并在一起进行，技术上更具挑战性，图像获得和运动表现均欠佳。本研究在运动试验间的短暂间隔也已经将峰值运动表现的差异出现的可能降到最小。
完全排除气流和压力对微泡的生存和损坏的混杂因素非常困难。但在我们过去的研究中，我们按照左室后负荷侵入性评估发现PTAC无差异［14］。
尽管本研究是关于糖尿病患者复杂的心肺血管测量运动最大的研究，但样本数量和受试者的异质性仍可能限制了本研究的效力。对照组和糖尿病组均有良好的功能储备能力，可以预料这会减小PTAC和心血管测量的差异。更进一步，研究中有1型糖尿病和2型糖尿病患者，微血管病变在这两种亚型间没有区别。作为典型的运动评估研究，筛选更合适的志愿受试者参加更加理想。如果更严重的微血管病变研究人群更大，将更有利于发现低PTAC和微血管病理之间的关联强度。值得注意的是，门诊有轻度糖尿病并发症的人群中已经观察到PTAC和心血管功能之间显著相关。
总结
我们证实了糖尿病患者PTAC较低，尤其存在微血管病变的患者更为明显，低PTAC与右室功能下降、肺动脉压力升高和运动能力下降有关。因此，低PTAC可能是一种简单的肺微血管病变的替代测量方法，对于评估心血管功能和运动能力有重要提示作用。
Acknowledgments
Funding.ThisstudywasfundedbytheNationalHeartFoundationofAustralia(Grant-In-AidG12M).A.L.G.issupportedbyaCareerDevelopmentFellowshipfromtheNationalHealthandMedicalResearchCouncil(NHMRC)andaFutureLeadersFellowshipfromtheNationalHeartFoundationofAustralia(NHF).
DualityofInterest.Nopotentialconflictsofinterestrelevanttothisarticlewerereported.
AuthorContributions.T.J.R.designedthestudy,recruitedsubjects,acquiredandanalyzeddata,andwrotethemanuscript.A.T.B.,A.I.M.,andD.L.P.editedthemanuscript.R.J.M.recruitedsubjectsandeditedthemanuscript.A.L.G.conceivedanddesignedthestudy,recruitedsubjects,analyzeddata,andwroteandeditedthemanuscript.T.J.R.andA.L.G.aretheguarantorsofthisworkand,assuch,hadfullaccesstoallthedatainthestudyandtakeresponsibilityfortheintegrityofthedataandtheaccuracyofthedataanalysis.
REFERENCES
1.KokkinosP,MyersJ.Exerciseandphysicalactivity:clinicalout