幾種顱腦爆震傷動物模型建立方法的比較

李彥騰 程崗 劉邦鑫 張劍寧*

(1解放軍醫(yī)學院，北京 100853; 2海軍總醫(yī)院神經(jīng)外科，北京 100048)

·綜述·

*通訊作者：張劍寧，教授、主任醫(yī)師，博士生導師，E-mail:jnzhang2005@163.com

幾種顱腦爆震傷動物模型建立方法的比較

李彥騰1,2程崗2劉邦鑫2張劍寧1,2*

(1解放軍醫(yī)學院，北京 100853;2海軍總醫(yī)院神經(jīng)外科，北京 100048)

爆震傷; 顱腦損傷; 模型

顱腦戰(zhàn)創(chuàng)傷一直是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中致死致殘的主要原因，隨著高速、高爆、高能武器的大量應用和人員防護裝備的改進，顱腦爆震傷(blast-induced traumatic brain injury, bTBI)已成為其中的主要傷型，被稱為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“標志性”傷型。因此，多年來國內外都進行了較多的相關研究，但所使用的動物模型多種多樣，在模擬bTBI時各具長短，本文將對幾種常用的致傷模型進行綜述。

一種好的動物模型，與該疾病在人類患者中的病理、生理變化具有較高的相似性是其基本要求，同時，還應具有良好的可操作性、可重復性和安全性。由于戰(zhàn)場環(huán)境復雜，bTBI傷員常合并其他臟器損傷，且致傷因素有多種，所以很難用一種動物模型來研究其傷后的病理生理變化及損傷機制。一般按致傷因素將顱腦爆震傷分為四級[1]：初級損傷是bTBI的特征性損傷方式，與爆炸產(chǎn)生的沖擊波有關，為研究的主要領域，大多數(shù)動物模型也主要研究此類傷情，二級、三級、四級分別是由飛行碎片，身體跌落碰撞和爆炸產(chǎn)生的高溫、火球、有毒氣體等引起。有兩種假說解釋了沖擊波引起初級腦損傷的作用機制，普遍較為認可的一種[2]是沖擊波穿過頭皮和顱骨等組織，引起腦組織移位變形而產(chǎn)生損傷，稱為直接作用。腦組織損傷的程度與沖擊波的波形、壓力峰值和持續(xù)時間、靶組織的共振頻率有關。另一種說法[3]是沖擊波作用于胸腹部，瞬時擠壓該處的大血管，壓力經(jīng)大血管傳導入顱并阻礙顱內靜脈回流而致傷，亦有學者認為脊柱內腦脊液也起部分傳導作用，此種稱為間接作用。Koliatsos等[4]已用大鼠實驗證實當胸腹部受到保護時，同樣的沖擊波所致的病理和行為學改變較未保護組明顯減小，驗證了間接作用的意義。而Courtney等[5]則認為由沖擊波所導致的頭部直線或旋轉加速運動也是造成初級損傷的一種作用機制。

近幾年的研究已經(jīng)表明，bTBI的病理生理改變主要有[6-8]：程度不等的顱內出血、腦水腫、血管痙攣、神經(jīng)元變性壞死、局部或彌漫性軸索損傷、膠質細胞增生和炎癥反應。其中，彌漫性軸索損傷是較為特征性的組織學變化。但是由于所采用的實驗條件不同，實驗結果多有不同，實驗結論的可比性也大大降低。多年來，該領域學者一直希望建立一種標準化的動物模型[9]，但至今仍未形成結果。最常用的幾種創(chuàng)建bTBI模型的方式為：自由場爆炸(free field blast)、爆炸管(blast tube)、激波管(shock tube)和小型爆炸源。

一、自由場爆炸模型

這種模型是最早使用的研究爆震傷的模型，指在一片開闊的場地上，將爆炸物質置于地面上方某處，實驗對象以此為圓心，按需要的距離放置，并可調節(jié)動物的面向及高度，爆炸形成典型的Friedlander沖擊波致傷動物[10]。它具有其他致傷模型都無可比擬的優(yōu)勢，即最真實的模擬實際戰(zhàn)場環(huán)境所造成的傷情。但是，由于這種實驗一般在戶外進行，受周圍環(huán)境因素影響較大，且爆炸產(chǎn)生的破片及沖擊波吹起的沙石會對實驗動物造成二級損傷。而且，動物一般為多發(fā)傷或復合傷，體內的某項變化很難明確是bTBI還是其他器官損傷所引起。因為傷情復雜和影響因素較多，bTBI造模的可重復性也較低。同時，爆炸性物質的使用具有較高的危險性，需經(jīng)有關部門批準，選取特定的實驗場地，相關人員需進行安全培訓。這些因素造成此類實驗的費用較高。

實際戰(zhàn)場環(huán)境多變，爆炸時很難形成典型的Friedlander沖擊波，凹凸不平的地面、附近的墻壁、戰(zhàn)車或艦船的艙室等都會影響沖擊波的傳播，甚至產(chǎn)生增強效應。為了充分再現(xiàn)實戰(zhàn)情境，很多研究機構將這一研究方法進行改進，他們將動物置于戰(zhàn)車、碉堡、民房等的內部或外部的不同位置，并在此處安裝沖擊波壓力傳感器，制造特定工況下的bTBI模型[11-12]。但工況條件的進一步細化又使得這些研究的結果與其他研究的可比性受到限制。

二、爆炸管模型

為了減少混雜因素的影響，明確單純沖擊波的致傷機制，在上世紀50年代，Clemedson等[13]就開始用爆炸管研究沖擊波的致傷機制。爆炸管為一圓柱形金屬管，一端封閉，另一端開放，于其封閉一端放置炸藥，后續(xù)部分為測試區(qū)，該區(qū)根據(jù)實驗需要而長短不同，動物距爆心一定距離安置于此。炸藥一般選用裸藥，爆炸時不產(chǎn)生彈片，以防造成二級損傷。爆前先將動物麻醉后用金屬網(wǎng)固定，避免爆炸時發(fā)生位移，造成三級損害。爆炸管內僅需較小當量的炸藥就可產(chǎn)生與自由場爆炸同等大小的沖擊波，爆炸產(chǎn)生的火球、毒氣等致傷因素減少，而且沖擊波的損傷半徑大于爆炸產(chǎn)生火球的損傷半徑，所以發(fā)生四級損傷的概率也下降。由此可見，爆炸管所建造的動物模型基本只受到?jīng)_擊波這一損傷因素，雖可伴有胸腹臟器和鼓膜受損，傷情較自由場簡化，造模的可重復性顯著提高。此種實驗也需在戶外進行，會部分受到氣候因素的影響。同樣，也要遵循使用爆炸性物質的相關規(guī)定。

筆者所了解到的用此種方法造模的研究[11,13-16]不多，有S?lj?和Risling等參照Clemedson所用的小型爆炸管模型，約1.5 m長，用于大鼠bTBI的研究，還有Parks等所改進的大型爆炸管，長達21.3 m，用于創(chuàng)建豬或者其他大動物模型。爆炸管大小不同，所產(chǎn)生沖擊波的強度和持續(xù)時間也有所差異。之所以這類模型用的比較少，可能與激波管模型的建立有關。

三、激波管模型

這是現(xiàn)在爆震傷研究領域中用的最多的模型。激波管不需使用炸藥，而是以壓縮氣體作為動力，其結構為一圓柱形管，中間隔一層薄膜，分割為兩個室，即加壓部分和測試部分，加壓部分一端封閉，首先將氣體輸入該處，當氣壓上升到一定程度，隔膜被穿破產(chǎn)生沖擊波，氣流隨即進入測試部分，此端開口，實驗動物可放在此部分管內或管口處。選用不同材料或厚度的隔膜可以產(chǎn)生不同峰值的沖擊波。此類裝置產(chǎn)生的沖擊波超壓持續(xù)時間較爆炸管長，但峰值相對較低。隔膜破裂時產(chǎn)生的碎片有可能對實驗動物造成二級損傷；因同樣是將動物麻醉后固定，故不會產(chǎn)生三級損傷；因未使用爆炸物質，故不會產(chǎn)生火球、毒氣等造成四級損傷。這種裝置安全性較高，可在室內進行，干擾因素相對減少?？刹僮餍愿?，可調整隔膜的大小、厚度、材料以產(chǎn)生不同的壓力值，可調整實驗動物的方向、位置、管內或管外，造成全身或局部的損傷，以滿足不同的實驗目的。較好的可操作性也大大提升了造模的可重復性，節(jié)約了費用。

為了實現(xiàn)不同的實驗目的，許多研究者將激波管進行了相應的改進。例如，王正國院士等[17]研制的BST系列生物激波管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型，不但可以模擬出典型的爆炸沖擊波波形，即包含超壓波峰和負壓波峰，而且還能模擬高原、水下、爆炸后負壓和高速氣流等作用下的多種工況。實驗表明，此系列激波管能引起大小動物(如：羊、犬、兔、大鼠)的輕、中、重度和當場死亡的沖擊傷情，滿足不同的實驗目的。Dexter等[18]設計的多模式激波管，則將激波管的動力部分進行了改進，它不但可以輸入空氣、氦氣等常用氣體，還可輸入氫氧混合氣和RDX(三亞甲基三硝胺, C-4炸藥的基本成分)，實驗可比較不同爆炸模式腦損傷的程度，有助于評估不同沖擊波成分對bTBI的作用效果。Cernak等[19]用一種標準化的多室激波管來研究bTBI的病理生理特點，這種激波管可以控制沖擊波的峰值和持續(xù)時間并能模擬出實戰(zhàn)中復雜的沖擊波。

四、小型爆炸源模型

這種模型在國內研究bTBI中應用較多，是將小型炸藥安置于麻醉固定的實驗動物頭部附近，距離一般為幾毫米到數(shù)厘米，將顱骨開窗或不開窗，爆炸造成局部腦損傷。起初多用小型雷管等作為爆炸源，因爆炸性能不穩(wěn)定，沖擊波主要為射流，重復性不好，干擾因素多，致傷方式復雜?，F(xiàn)多選用小球形裸藥，當量在十幾毫克到幾克TNT，爆炸產(chǎn)生超壓沖擊波，燃燒充分不產(chǎn)生碎片，傷情簡單，可重復性好。這種方法在室內即可進行，操作方便，危險性小，費用較低。然而，不足之處是，爆炸只會對實驗動物頭部產(chǎn)生局部作用，作用面積小，較少產(chǎn)生彌漫性軸索損傷這一典型的病理改變，更沒有經(jīng)胸腹大血管傳導的間接作用，所以這種致傷模式可能與實際中的bTBI有一定差別。

相關的實驗研究有第三軍醫(yī)大學大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所創(chuàng)建的大鼠爆炸性腦水腫模型[20]，將大鼠右側額頂部開直徑為1 cm 的骨窗后用 80 mg TNT當量的電雷管在 5 cm垂直距離爆炸，爆炸后腦皮層血管破裂出血，局部腦挫裂傷，腦組織水腫。因為去除了部分顱骨，損傷因素直接作用于硬腦膜，傷情與實際的bTBI差別較大。第四軍醫(yī)大學的于嘉等[21]則是將當量1.0 g TNT的爆炸球分別在距犬右側額頂部頭皮 4、9、13 mm處引爆建立模型，研究發(fā)現(xiàn)致傷后主要的病理改變包括蛛網(wǎng)膜下腔出血、腦挫裂傷、硬膜下血腫、大腦皮層和腦干的廣泛點片狀出血，動物顱腦與爆炸球的距離越近，損傷的程度越重，病理改變越明顯，此類模性具有一定的穩(wěn)定性，但也同樣與實戰(zhàn)中的bTBI在病理改變上具有差異。

除了以動物模型研究bTBI，一些學者也嘗試了其他的研究方法[22-24]，其中包括計算機軟件模擬仿真、生物仿真假人、尸體病理解剖、臨床實驗等，這些研究方法也都有各自的優(yōu)點，為了解和治療bTBI提供了不同的途徑。

綜上所述，國內外學者已創(chuàng)建了多種bTBI動物模型，它們在模擬相似性、可操作性、可重復性和安全性方面都各具特點。這些模型已廣泛應用于bTBI致傷機理、損傷特點和治療康復等方面的研究，然而由于使用的動物模型不同，使得各研究之間的可比性下降，前期的實驗結果對后期研究的借鑒作用也受到限制。另外，動物實驗的結果是否適用于人類并推廣到臨床應用中還需更多研究進行驗證。

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1671-2897(2017)16-087-03

全軍后勤科研重大項目資助項目(AHJ14J001)

李彥騰，碩士研究生，E-mail: yantenglibj@163.com

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2016-03-10；

2016-05-12)