爆炸傷動物模型建立與觀察的研究進展

王宏坤 郭樹忠 韓巖

爆炸傷動物模型建立與觀察的研究進展

王宏坤 郭樹忠 韓巖

隨著地區(qū)局部戰(zhàn)爭的不斷爆發(fā)以及戰(zhàn)爭樣式和作戰(zhàn)武器的變化，爆炸傷在戰(zhàn)傷中的比例不斷提高[1]。據最新的統(tǒng)計顯示，伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭中78%的傷員為爆炸傷所致[2]。為研究爆炸傷機理，探索爆炸傷治療方法。國內外學者建立了多種爆炸傷致傷動物模型，并進行了大量的觀察和研究。

1 實驗動物的選擇

以大鼠、兔、犬、豬和羊等為實驗動物的爆炸傷模型研究均有報道。其中，小動物（如大鼠和家兔）大多用于單純的觀察研究。通過對大體、病理以及全身和局部因子的測定反映爆炸傷的致命性和某一局部效應。大鼠、兔等小型哺乳動物價格便宜，飼養(yǎng)方便，便于取得大樣本量實驗數據。其機體能很好的模擬傷后的病理變化。對研究局部致傷的即時病理變化和探索早期死亡原因很有意義[3]。國外學者報道過以果蠅幼蟲來研究肺部爆震傷的方法。以果蠅幼蟲的死亡率和損傷程度推測同種條件下，人體肺部的損傷情況[4]。該實驗的不足是對象個體耐受力低，外加干預因素困難。當研究爆炸傷遠期效應或者如海水浸泡等復合條件致傷時，采用大動物更易成功[5－6]。在爆炸傷救治方法的研究中，豬、羊等大動物具有優(yōu)勢[7]。豬的皮膚及皮下組織與人類相似[8]，其創(chuàng)面愈合過程也與人體相似[9]，在對軟組織損傷和愈合的研究，以及針對局部軟組織的治療方法研究中得到了廣泛應用[10-12]。利用傳感器和計算機建立的爆炸傷模型也有報道，但這種方法目前僅用于模擬體內數據的采集[13-15]。

2 致傷方法

爆炸分為高能爆炸（HE）和低能爆炸（LE）。其中，HE產生典型的超音速過壓沖擊波。產生HE的爆炸物包括TNT、C4、賽姆丁塑料炸藥、硝酸甘油、炸藥、硝銨、汽油和銨油炸藥等；LE產生亞音速沖擊波，沖擊波壓力也較HE明顯下降。產生LE的爆炸物包括雷管、黑火藥、石油基質混合炸藥以及航空燃油[1]。爆炸除了爆炸物的當量，影響爆炸傷傷情的因素還有距離，爆炸傷的能量衰減與距離的立方成反比[16]。建立動物模型所需的爆源數據應具有理想的可靠性和可重復性。在以往的模型中，爆源的使用包括黑火藥鞭炮、雷管、TNT炸藥等。黑火藥燃爆的方法只能提供大概的致傷數據。雷管爆炸產生的沖擊波以射流為主，各個方向不盡相同，不易標準化，可重復性不理想[10]。有學者改進并建立了使用雷管爆破致傷的專用設備，通過特制裝置將雷管產生的沖擊波和破片準確控制在一定距離致傷，取得了比較理想的效果[17]。雷管在產生沖擊波的同時生成破片，而采用TNT炸藥球的致傷方法則基本不產生破片，便于單因素分析沖擊波對實驗動物的影響。雖然TNT致傷爆源不易獲得，但精度和可重復性高。由于距離對爆炸傷的明顯影響，動物通常都采用麻醉固定的方法處理[18]，也有學者為更加準確的記錄沖擊波的具體參數，在動物的致傷部位安置壓阻式傳感器[19]。Jaffin等[20]提出了以機械施加一定強度和一定時間的壓力以模擬爆炸致傷。激光技術在爆炸傷研究中也有應用報道，利用高能激光的瞬時致爆效應模擬爆炸沖擊波對機體的影響，這種方法由于對激光的能量可以方便準確的控制，使得實驗參數更為客觀穩(wěn)定[21]。最近報道的一種微型球形TNT炸藥爆源，其當量易于控制，爆炸基本不形成破片，爆炸沖擊波壓強有明確的數學公式計算，安全性和可重復性高，實驗效果良好，適用于單因素分析爆炸沖擊波致傷的研究。

3 動物模型的觀察與應用

爆炸傷致傷的主要因素包括沖擊波、破片和高溫，區(qū)別于其他損傷的特征性部分是沖擊波的超壓和負壓引起原發(fā)損傷，亦稱“純沖擊傷”，即臨床上的爆震傷[22]，對肺和胸腔的影響最為顯著，因此引起的急性呼吸功能不全或急性呼吸功能衰竭以及心臟、大血管的損傷和失血性休克是引起早期死亡的重要原因[23]。

肺部爆炸傷模型提供的半數致死量和風險評估曲線顯示，爆炸瞬時 （0.46 ms）實驗動物肺部承受的超壓如達到（25.4±3.1）bar，即可造成動物死亡[24]。在大動物和小動物的區(qū)別上，有學者認為可以通過對單位體積標準化的方法進行推測和換算[25]。故而可用成本更低的小動物甚至果蠅幼蟲[4]進行肺部、腦部等爆炸傷的實驗研究。有報道通過對胸部爆炸傷后，實驗動物血漿、支氣管肺泡灌洗液及肺組織的測定發(fā)現(xiàn)，傷后血漿NO水平顯著升高，TNFα和IL 8等炎性因子水平隨NO而升高。肺組織主要表現(xiàn)為出血、水腫、炎細胞浸潤、內皮和上皮細胞變性及內皮細胞通透性增強[26]。由此可見，胸部爆炸傷導致肺原發(fā)損傷，同時促進炎性介質IL 8、TNF α等的生成，加重了胸部爆炸傷后繼發(fā)性的肺功能損害[27]。Gorbunov等[28]的研究表明，在肺部遭受廣泛爆震損傷時，血漿中Fe3+的濃度明顯下降，可視為反應肺部爆震傷發(fā)生的依據。

對頭部爆炸傷的研究顯示，致死率與爆源、頭部間的距離呈明顯負相關，而與頭部姿勢無明顯關聯(lián)[29]。腦水腫導致腦疝，進而引起呼吸抑制是顱腦爆炸傷后動物早期死亡的主要原因，這種顱內高壓出現(xiàn)早且明顯，顱內血腫發(fā)生率也很高[30]。由腦血管反應導致的其他并發(fā)癥還包括腦出血、血腦屏障破壞、神經膠質反應和神經膠質變性等[31]。在爆炸傷早期，血管源性腦水腫是主要癥狀，繼發(fā)性細胞毒性腦水腫可能是爆炸傷后期腦水腫的主要原因[32－33]。光鏡下可見，顱腦爆炸傷后的腦組織損傷以神經元和膠質細胞的變性、水腫為主[34]；同時存在明顯的毛細血管內皮的損傷、神經纖維的斷裂和腦實質間隙的擴大[35]。動態(tài)CT掃描可追蹤顯示腦挫裂傷病灶的低密度范圍呈現(xiàn)擴大趨勢，可反應顱內血腫、腦挫裂傷病灶的動態(tài)變化[40]。

在身體其他部位的爆炸傷，其產生的血流動力學改變可引起遠隔器官（如腦）的損傷。腹部爆炸傷后，腦血流迅速進入了伴有相對低灌注的充血期，其血流速度改變的形態(tài)學原因是以內皮、內膜損傷和動脈平滑肌構筑紊亂為主的[36]，大腦表面出現(xiàn)點、片狀出血灶；傷后即刻可出現(xiàn)小血管出血改變及部分神經髓鞘分層，但無明顯神經元損傷；神經元及神經膠質細胞的水腫一般在傷后 6 h逐漸出現(xiàn)；傷后 24 h時，出現(xiàn)部分水腫組織溶解變性、神經微絲凝固性改變。可見腹部爆炸傷造成了嚴重的腦間接損傷，且傷后導致的腦部病理改變進展迅速[37]。另有文獻報道，腹部爆炸傷后，感覺、運動和/或聽覺通路都可受到不同程度的損傷[38]；同樣，在頭部爆炸傷的模型中，也可見到心臟內膜下出血及內皮細胞脫落等的發(fā)生[39]。

腹部爆炸傷的原位損傷包括腸漿膜出血、腹腔積血等[41]。雖然理論上認為爆炸傷對空腔臟器的影響要遠大于實質臟器，但實驗發(fā)現(xiàn)腹腔實質臟器也受到明顯損傷。腹部爆炸傷后，肝臟損傷主要是血竇淤血、出血明顯，匯管區(qū)有不同程度淤血、出血，枯否細胞增生，炎性細胞浸潤及膽管上皮細胞壞死脫落；未即刻死亡動物可出現(xiàn)中性粒細胞浸潤[43]。電鏡觀察可見肝細胞呈空泡樣變性、溶酶體增生，髓鞘樣膜結構形成，線粒體腫脹、畸形、嵴模糊不清，內質網擴張[42]。爆炸傷除造成胃、腸等空腔臟器破裂、漿膜出血，還可導致黏膜上皮細胞凋亡。爆炸傷后3 h可見腸道黏膜上皮凋亡細胞顯著增多[44]。

對體表和肢體等爆炸傷開放創(chuàng)面的研究發(fā)現(xiàn)，四肢長骨爆炸傷的發(fā)生率高，骨折多為粉碎性骨折，且多合并其他部位和臟器的嚴重損傷[45]。爆炸傷導致的局部體表軟組織創(chuàng)面，組織毀損嚴重、細胞崩解、小血管栓塞、血管內膜損傷嚴重，創(chuàng)傷邊緣呈現(xiàn)漸變過渡現(xiàn)象[46]。爆炸傷病灶邊緣肌肉組織在傷后3 h出現(xiàn)凋亡細胞，6 h達到高峰，之后逐漸減少[47]。爆炸傷創(chuàng)面在傷后1 h，IL-1、IL-6、TNF-α、CRP的表達增強[48]。這些炎性介質相互作用，促進了炎性細胞的外滲浸潤和抗感染免疫反應的發(fā)生。同時，爆炸傷創(chuàng)面中VEGF和 bFGF也呈現(xiàn)高表達，bFGF促進了創(chuàng)面的血管化和VEGF的生成，后者進一步促進血管化的發(fā)生[49]。在爆炸傷創(chuàng)面中，VEGF的表達與普通創(chuàng)傷愈合過程相似[50]。有學者觀察到，在創(chuàng)面愈合過程中，金屬蛋白酶-9（MMP-9）和轉化生長因子-β（TGF-β）表達水平上升，促進了創(chuàng)面的細胞遷移，有利于創(chuàng)面炎性壞死組織的清除，可能系創(chuàng)面愈合的機制之一；而MMP-9表達水平的過度升高，不利于創(chuàng)面愈合[51]。觀察發(fā)現(xiàn)，傷后局部炎癥反應逐漸加重，創(chuàng)面中細菌數量增加，雖然軟組織中增加不顯著，但是游離的骨塊中細菌數量增加明顯，且耐藥菌所占的比例較高[52－53]。創(chuàng)面早期與環(huán)境感染細菌譜有交叉重疊[56]。創(chuàng)面感染可加重和誘發(fā)爆炸傷后的繼發(fā)性壞死。實驗表明，感染能造成豬皮膚軟組織爆炸傷感染創(chuàng)面產生一定深度和范圍的繼發(fā)性壞死[54－55]。

通過對動物模型的研究發(fā)現(xiàn)，爆炸傷創(chuàng)面早期徹底擴創(chuàng)是修復的重要基礎，應在運用外固定架和局部使用抗生素的基礎上，采用游離肌瓣和肌皮瓣以覆蓋、修復創(chuàng)面。爆炸傷早期宜應用喹諾酮類、三代頭孢菌素、氨基苷類等抗生素[56－57]。傷后3 d時，壞死組織已基本清除；傷后3～7 d，可開展軟組織修復[53，58]。近年來，封閉負壓引流技術被應用于爆炸傷創(chuàng)面的治療研究，結果顯示，此方法能有效控制繼發(fā)感染和繼發(fā)壞死的發(fā)生，促進創(chuàng)面血管化，有利于軟組織爆炸傷的愈合和后期修復[59-62]。

[1] Goh SH.Bomb blast mass casualty incidents:initial triage and management of injuries[J].Singapore Med J,2009,50(1):101-106.

[2] Owens BD,Kragh JF Jr,Wenke JC,et al.Combat wounds in operation Iraqi Freedom and operation Enduring Freedom[J].J Trauma,2008, 64(2):295-299.

[3] 劉震,李兵倉,王大田,等.家兔胸部爆炸傷模型的建立及早期死亡原因分析[J].第三軍醫(yī)大學學報,2000,22(4):328-330.

[4] Bass CR,Meyerhoff KP,Damon AM,et al.Drosophila melanogaster larvae as a model for blast lung injury[J].J Trauma,2010 69(1): 179-184.

[5] 倪云志,郭樹忠,王巖,等.海水浸泡爆炸傷延期植皮最佳時機的研究[J].中華航海醫(yī)學與高氣壓醫(yī)學雜志,2006,13(3):143-146.

[6] 王大鵬,王育紅,李輝,等.犬腹部爆炸傷后海水浸泡的實驗模型建立及早期死亡原因探討[J].中國實驗動物學報,2003,11(3):44-46.

[7] Garner JP,Watts S,Parry C，et al.Development of a large animal model for investigating resuscitation after blast and hemorrhage [J].World J Surg,2009,33(10):2194-2202.

[8] 李學擁,李金清,陳紹宗,等.豬皮膚軟組織爆炸傷動物模型的建立[J].中華實驗外科雜志,2006,23(12):1551-1552.

[9] 李金清,付小兵,都義日,等.豬全層皮膚缺損創(chuàng)面bax和bax mRNA的表達[J].中華實驗外科雜志,2005,22(8):1007-1008.

[10] 李金清,陳紹宗,付小兵,等.封閉負壓引流對豬皮膚軟組織爆炸傷感染創(chuàng)面肉芽組織生成的影響[J].解放軍醫(yī)學雜志,2004,29 (8):690-693

[11] 李金清,陳紹宗,李學擁,等.封閉負壓引流技術對促進豬皮膚軟組織創(chuàng)面愈合的影響[J].中國臨床康復,2005,9(10):110-111.

[12] 李望舟,李金清,陳紹宗,等.封閉負壓引流促進豬皮膚軟組織爆炸傷感染創(chuàng)面的血管生成[J].第四軍醫(yī)大學學報,2004,25(10): 906-908.

[13] Stuhmiller JH,Chuong CJ,Phillips YY,et al.Computer modeling of thoracic response to blast[J].J Trauma,1988,28(1):132-139.

[14] 張良潮,李曙光,凌烽,等.一種爆炸傷致傷實驗模型[J].第三軍醫(yī)大學學報,1999,21(7):534-535.

[15] Moore DF,Jérusalem A,Nyein M,et al.Computational biologymodeling of primary blast effects on the central nervous system [J].Neuroimage,2009,47(2):10-20.

[16] Wightman JM,Gladish JL.Explosions and blast injuries[J].Ann Emerg Med,2001,37(6):664-678.

[17] 張旭東,郭樹忠,盧丙侖,等.可控性四肢爆炸沖擊波致傷的試驗研究[J].中國臨床康復,2004,13(5):171-173.

[18] 高波,賀世明,王占江,等.新型犬顱腦爆炸傷模型的建立[J].解放軍醫(yī)學雜志,2007,32(2):164-166.

[19] 王昭領,劉桂才,白振西,等.頜面部爆炸傷并發(fā)心腦損傷的實驗研究[J].中華急診醫(yī)學雜志,2005,14(11):30-32.

[20] Jaffin JH,McKinney L,Kinney RC,et al.A laboratory model for studying blast overpressure injury[J].J Trauma-Injury Infection& Critical Care,1987,27(4):349-356.

[21] Satoh Y,Sato S,Saitoh D,et al.Pulmonary blast injury in mice: a novel model for studying blast injury in the laboratory using laser-induced stress waves[J].Lasers in Surg&Med,2010,42(4): 313-318.

[22] 王正國.沖擊傷的診斷和治療[J].普外臨床,1989,4（4）:205-208.

[23] 段維勛,易定華,張金洲,等.胸部爆炸傷動物模型的建立及早期死亡原因分析[J].第四軍醫(yī)大學學報,2002,23(20):1857-1860.

[24] Dancewicz R,Barcikowski S,Ceder A,et al,Lung injuries caused by explosion in rabbits[J].Z Exp Chir Transplant Kunstliche Organe, 1988;21(2):85-90.

[25] Stuhmiller JH,Ho KH,Vander Vorst MJ,et al.A model of blast overpressure injury to the lung[J].J Biomech,1996,29(2):227-234.

[26] 李兵倉,劉震,吳國萍,等.胸部爆炸傷后血漿及肺組織中NO, TNF-α和IL-8的變化及L-NAME的作用[J].第三軍醫(yī)大學學報,2001,23(10):1133-1135.

[27] 張金洲,王文,段維勛,等.胸部爆炸傷后原發(fā)和繼發(fā)性肺損傷機制研究[J].創(chuàng)傷外科雜志,2007,9(4):347-350.

[28] Gorbunov NV,McFaul SJ,Januszkiewicz A,et al.Pro-inflammatory alterations and status of blood plasma iron in a model of blastinduced lung trauma[J].Int J Immun Phar,2005,18(3):547-556.

[29] Lockhart P,Cronin D,Williams K,et al.Investigation of head response to blast loading[J].J Trauma,2010,Jul 20,[Epub ahead of print]

[30] 侯立軍,張光霽,盧亦成,等.犬顱腦爆炸傷模型的建立[J].中華創(chuàng)傷雜志,2001,17(12):20-23.

[31] Svetlov SI,Prima V,Kirk DR,et al.Morphologic and biochemical characterization of brain injury in a model of controlled blast overpressure exposure[J].J Trauma,2010,Mar 2,69(4):795-804.

[32] 楚燕飛,李兵倉,陳菁,等.大鼠顱腦爆炸傷后水通道蛋白4的表達變化[J].中華創(chuàng)傷雜志,2006,22(5):377-381.

[33] 楚燕飛,李兵倉,陳菁,等.大鼠爆炸性腦創(chuàng)傷模型建立[J].第三軍醫(yī)大學學報,2006,28(6):606-607.

[34] 侯立軍,張光霽,朱誠,等.犬顱腦爆炸傷后早期腦組織病理改變[J].第二軍醫(yī)大學學報,2001,22(12):1108-1110.

[35] Cheng J,Gu J,Ma Y,et al.Development of a rat model for studying blast-induced traumatic brain injury[J].J Neurolo Sci,2010,294 (1-2):23-28.

[36] 陳向陽,李兵倉,王建民,等.犬腹部爆炸傷致腦間接傷早期血流動力學變化的TCD觀察[J].中華神經外科雜志,2003,19(2):49-52.

[37] 陳向陽,李兵倉,張良潮,等.腹部爆炸傷后早期腦病理學改變的實驗研究[J].第三軍醫(yī)大學學報,2002,24(10):1226-1228.

[38] 陳向陽,李兵倉,張良潮,等.犬腹部爆炸傷后早期SEP、MEP及BAEP的變化[J].中國臨床神經外科雜志,2002,7(6):45-47.

[39] 王昭領,劉桂才,白振西,等.頜面部爆炸傷并發(fā)心腦損傷的實驗研究[J].中華急診醫(yī)學雜志,2005,14(11):910-912.

[40] 高波,賀世明,白建軍,等.犬顱腦爆炸傷后CT診斷價值的實驗研究[J].中華神經外科疾病研究雜志,2007,6(5):411-413.

[41] Irwin RJ,Lerner MR,Bealer JF,et al.Global primary blast injury: a rat model[J].J Oklahoma State Med Associat,1998,91(7):387-392.

[42] 馬曉艷,黃曉峰,任東青,等.爆炸沖擊波致肝組織超微結構改變 [J].醫(yī)學研究生學報,2009,22(5):469-471.

[43] 馬曉艷,黃曉峰,任東青,等.爆炸沖擊波對羊肝形態(tài)的影響[J].西南國防醫(yī)藥,2008,18(5):632-633.

[44] 聶海,賴西南,黃顯凱,等.艙內腹部爆炸傷對大鼠腸道細胞凋亡的影響[J].創(chuàng)傷外科雜志,2009,11(6):529-532.

[45] 張進軍,李兵倉,張良潮,等.四肢長骨爆炸傷的動物實驗[J].第三軍醫(yī)大學學報,2000,22(4):331-333.

[46] 張旭東,郭樹忠,盧丙侖,等.通過四肢爆炸傷動物模型研究局部軟組織損傷特點[J].中國美容醫(yī)學,2004,13(2):171-173.

[47] 崔鎖明,張雪非.爆炸傷創(chuàng)面骨骼肌細胞凋亡的研究[J].東南大學學報(醫(yī)學版),2009,28(5):392-396.

[48] 王瑋,張雪非.爆炸傷創(chuàng)面IL-1、IL-6、TNF-α、CRP的測定[J].中國矯形外科雜志,2007,15(18):1418-1420.

[49] Zhang C,Li H,Zhou S,et al.Study of the changes and effect of VEGF and bFGF in early stage of maxillofacial blast injury in rabbits[J]Hua Xi Kou Qiang Yi Xue Za Zhi,2001,19(2):77-79.

[50] Zhang CJ,Li HZ,Zhou SX,et al.Expression of vascular endothelial growth factor during the early stage of maxillofacial blast injury [J].Chin J Dent Res,2000,3(4):40-43.

[51] 朱新勇,方馳華,張麗蕓,等.爆炸傷創(chuàng)面愈合過程中MMP-9和TGF-β所起的作用和重量的變化[J].第一軍醫(yī)大學學報,2005, 25(7):844-846.

[52] 張旭東,郭樹忠,盧丙侖,等.通過四肢爆炸傷動物模型研究局部軟組織損傷特點[J].中國美容醫(yī)學,2004,13(2):171-173.

[53] 張旭東,郭樹忠,胡蘊玉,等.肢體炸傷后創(chuàng)面病理學和細菌學變化[J].中國美容醫(yī)學,2004,13(4):400-402.

[54] 李金清,李學擁,陳紹宗,等.感染對豬皮膚軟組織爆炸傷繼發(fā)性壞死范圍的影響[J].第四軍醫(yī)大學學報,2007,28(4):324-327.

[55] 李學擁,李金清,陳紹宗,等.豬皮膚軟組織爆炸傷動物模型的建立[J].中華實驗外科雜志,2006,23(12):1551-1552.

[56] 王建,葛寶豐,劉興炎,等.豬肢體軟組織爆炸傷創(chuàng)面感染細菌譜及藥敏分析[J].解放軍預防醫(yī)學雜志,2008,26(2):118-119.

[57] 張旭東,郭樹忠,胡蘊玉,等.犬四肢嚴重爆炸傷早期治療的要點及經驗[J].創(chuàng)傷外科雜志,2004,6(2):126.

[58] 張旭東,郭樹忠,韓巖,等.游離肌皮瓣在肢體爆炸傷創(chuàng)面修復時機的研究[J].中華顯微外科雜志,2006,29(2):121-124

[59] 李望舟,李金清,李學擁,等.VAC對豬爆炸傷感染創(chuàng)面細菌數和G～+/G～-比例的影響[J].第四軍醫(yī)大學學報,2007,28(4):321-323.

[60] 李金清,陳紹宗,李學擁,等.封閉負壓引流技術修復豬皮膚軟組織爆炸傷創(chuàng)面的促愈合作用[J].中國組織工程研究與臨床康復, 2005,9(14):89-91.

[61] 李金清,陳紹宗,李學擁,等.封閉負壓引流技術對豬皮膚軟組織爆炸傷感染創(chuàng)面繼發(fā)性壞死的影響[J].重慶醫(yī)學,2005,34(5):694-696.

[62] 李望舟,李金清,陳紹宗,等.封閉負壓引流促進豬皮膚軟組織爆炸傷感染創(chuàng)面的血管生成[J].第四軍醫(yī)大學學報,2004,25(10): 906-908.

R826.65

B

1673－0364（2010）06－0354－03

2010年7月30日，

2010年8月24日)

10.3969/j.issn.1673-0364.2010.06.017

710032 陜西省西安市 第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院整形外科。