原發(fā)肺沖擊傷病理生理學(xué)變化的實驗研究＊

李懷東，張兆瑞，陳良安

在軍事戰(zhàn)爭中炸藥、炸彈以及平時鍋爐、液化氣罐等爆炸時都可產(chǎn)生沖擊波超壓直接作用于機體造成的損傷，稱為原發(fā)沖擊傷或爆震傷（primary blast injury，BI）［1］。 肺臟因其空腔充氣的特殊結(jié)構(gòu)特點成為沖擊傷中首當(dāng)其沖的靶器官［2］。因此，原發(fā)肺沖擊傷（primary blast lung injury，BLI）是其最有特征的沖擊傷［3］，在單純創(chuàng)傷或創(chuàng)傷復(fù)合傷中發(fā)生率很高［2］，是導(dǎo)致急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）的重要病因。當(dāng)前世界局部戰(zhàn)爭沖突頻仍、恐怖襲擊爆炸頻發(fā)，軍事醫(yī)學(xué)對肺沖擊傷的診治與防護日趨關(guān)注。該實驗采用小型沖擊波發(fā)生器致傷犬，建立原發(fā)肺沖擊傷犬動物模型，觀察BLI犬氧合、血流動力學(xué)、肺組織形態(tài)學(xué)的變化，以期為肺沖擊傷診治提供較深入的基礎(chǔ)研究。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 材料及儀器 小型沖擊波發(fā)生器（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)重點實驗室）；PB7200呼吸機（美 國 Puritan-Bennett 公 司 ）；RADUOMETER ABL800血氣分析儀 （丹麥雷度公司）；PiCCO動脈導(dǎo)管及PiCCOplus容量監(jiān)測儀 （德國PULSION公司）；低溫離心機（德國Eppendorf公司）；光學(xué)顯微鏡（日本尼康公司）；全氟辛烷（上海華捷視醫(yī)療設(shè)備有限公司）。

1.1.2 實驗動物 經(jīng)解放軍總醫(yī)院倫理委員會（解放軍總醫(yī)院福利倫理審查批號：2012-D6-06）審核通過，該實驗采用8~15月齡健康雜種犬18只（購自北京綠源偉業(yè)養(yǎng)殖場），雌雄不限，體重9.0~12.0 kg，平均（10.84±1.60）kg，由解放軍總醫(yī)院動物實驗中心（實驗動物使用許可證號：SYXK（軍）2012-0062）室溫飼養(yǎng)3 d。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗分組 采用隨機數(shù)字表法隨機分為2組，每組9只。實驗前對實驗犬禁食24 h，禁水2 h。兩組都通過頸部動靜脈分別置入PiCCO動脈導(dǎo)管及中心靜脈導(dǎo)管，連接PiCCO監(jiān)測儀，觀察7 h。對照組（C組）：不予沖擊波致傷；單純肺沖擊傷組（B組）：給予激波管［（5±0.3） kPa，15 mm］致傷實驗犬。

1.2.2 動物模型的制備 犬稱重后選取四肢淺靜脈注射3%戊巴比妥鈉（25～30 mg/kg）麻醉后綁縛四肢取仰臥位于手術(shù)臺上固定。于右頸外靜脈置入中心靜脈導(dǎo)管，于左頸動脈置入動脈熱稀釋導(dǎo)管（PiCCO 導(dǎo)管）。

1.2.3 原發(fā)肺沖擊傷模型的制備 采用北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)重點實驗室研制的小型沖擊波發(fā)生器。實驗時將實驗犬移至與激波管管口同水平的實驗臺處，實驗犬右側(cè)臥位固定于實驗臺上，胸骨正中正對激波管管口（剃除胸毛），二者之間的距離為15 mm。打開壓縮空氣瓶壓力閥開關(guān)，達到指定壓力時松開激波管撞針，壓縮空氣形成沖擊波擊中實驗犬胸骨正中位置。實驗犬出現(xiàn)呼吸抑制、全身抽搐等表現(xiàn)（約5~10 s）。隨后實驗犬移到手術(shù)臺上并仰臥位固定四肢。連接PiCCO容量監(jiān)測儀。整個實驗過程中持續(xù)給予靜脈推注戊巴比妥鈉維持麻醉（約0.2 mg/kg·h）。觀察7 h后，實驗犬給予10%氯化鉀1 g靜脈推注處死后立即剖胸觀察肺臟的大體病理改變，并留取肺組織標(biāo)本。

1.2.4 標(biāo)本采集 PiCCO容量監(jiān)測儀連接后［標(biāo)記為 BL（Baseline）］，致傷后 30 min［標(biāo)記為 BI（Blast Injury）］，此后每隔1 h監(jiān)測1次（分別標(biāo)記為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、7 h）。 記錄氧分壓（PaO2）、血管外肺水指數(shù)（ELWI）、肺血管通透性指數(shù)（PVPI）。 將各組樣本組織按照文獻［4］處理，光學(xué)顯微鏡觀察并顯微照相。每張病理切片按照文獻標(biāo)準(zhǔn)進行評分［4］。肺含水量（RLW）=［肺葉濕重（g）/肺葉干重（g）］×100%、肺濕干重比（W/D）=［肺葉濕重（g）-肺葉干重（g）］/肺葉濕重（g）］×100%、肺通透指數(shù)（LPI）=［肺泡灌洗液上清液蛋白含量（μg）/血清蛋白含量（μg）］×100%。實驗結(jié)束處死實驗犬后立即開胸解剖。于該側(cè)致傷之肺葉取100~200 g肺組織，置于錫紙上用電子天平稱濕重，置入80℃烘箱內(nèi)烘72 h達恒重量時取出稱干重。于致傷肺葉瘀斑邊緣取大約1.5 cm×1.5 cm×0.5 cm肺組織1塊，鹽水浸洗，經(jīng)10%中性福爾馬林固定，留取待光鏡觀察肺組織損傷情況。在該側(cè)肺葉同一部位眼科剪剪取 0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm肺組織2塊，切成2 mm3大小若干塊，鹽水浸洗，4%戊二醛固定后留取待電鏡觀察。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析 運用SPSS 17.0計算機統(tǒng)計分析軟件處理實驗數(shù)據(jù)，同一實驗點每兩組比較應(yīng)用t檢驗。P<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 肺含水量（RLW）、肺濕干重比（W/D）和肺通透指數(shù)（LPI）的變化 與C組比較，B組肺組織RLW、W/D、LPI明顯升高（P<0.05）。 見表 1。

表1 各組肺含水量（RLW）、肺濕干重比（W/D）和肺通透指數(shù)（LPI）的變化

2.2 血氣分析 沖擊波致傷犬后，氧合指數(shù)（氧分壓/吸氧濃度，PaO2/FiO2）迅速下降至300 mmHg以下，之后持續(xù)下降，觀察期內(nèi)各時間點氧合指數(shù)明顯低于C組（P<0.05）。見圖1。

圖1 沖擊波致傷犬氧合指數(shù)的變化

2.3 血流動力學(xué)指標(biāo) 沖擊波致傷犬后，血管外肺水指數(shù)（ELWI）較致傷前明顯升高，在觀察2時間點后趨向平緩，各時間點明顯高于C組 （P<0.05）（圖 2）。同樣，肺血管通透性指數(shù)（PVPI）較致傷前明顯升高，在觀察2時間點后達最高峰，之后下降，各時間點明顯高于 C 組（P<0.05）（圖 3）。

圖2 沖擊波致傷犬ELWI的變化

圖3 沖擊波致傷犬PVPI的變化

2.4 各組肺組織病理表現(xiàn) 光鏡下可見C組各級支氣管、肺泡管和肺泡，支氣管周圍間質(zhì)有肺動脈、肺靜脈、淋巴組織和疏松結(jié)締組織（圖4）；可見B組肺泡結(jié)構(gòu)破壞，肺萎陷彌漫性分布整個視野，部分肺泡壁緊密排列，肺泡呈裂隙狀，兩端呈銳角，肺泡內(nèi)充滿炎性細胞（圖5）。

電鏡下可見C組氣血屏障結(jié)構(gòu)清晰，毛細血管充盈狀（圖6）。B組可見以上皮細胞腫脹，空泡變?yōu)橹鳎蛐蜕掀ぜ毎髅黠@減少，板層小體特征性結(jié)構(gòu)消失排空，Ⅰ型上皮表面絨毛消失，有時可見炎癥細胞浸潤和出血，并可見脫落入肺泡腔內(nèi)（圖7）。（N：細胞核；*：胞質(zhì)空泡；R：紅細胞；I：I型上皮；O：細胞間連接；Cap：肺毛細血管腔；箭頭：板層小體）。

圖4 C組肺組織病理變化光鏡觀察

圖5 B組肺組織病理變化光鏡觀察

圖7 B組肺組織病理變化的電鏡觀察（×8000）

3 討論

近幾十年來，全球范圍局部地區(qū)摩擦頻發(fā)，而恐怖襲擊、液化氣及煤礦瓦斯爆炸等生活突發(fā)事件不斷發(fā)生［5，6］，使得沖擊傷已成為軍事醫(yī)學(xué)、急救醫(yī)學(xué)和災(zāi)害醫(yī)學(xué)的研究關(guān)注點。其中胸部爆震傷傷情復(fù)雜，致傷致殘率高，是戰(zhàn)創(chuàng)傷救治的重點和難點［7］。為有效早期干預(yù)和治療沖擊傷，建立并使用穩(wěn)定可靠的沖擊傷動物模型是研究沖擊傷的基礎(chǔ)和前提。自第一次世界大戰(zhàn)以來至今，國內(nèi)外對沖擊傷的研究方興未艾。20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)軍事醫(yī)學(xué)部門通過從基礎(chǔ)及實驗研究［8-10］，到結(jié)合對越自衛(wèi)反擊戰(zhàn)等戰(zhàn)傷調(diào)研，獲得了肺沖擊傷的病理生理機制和生物力學(xué)等機制的深刻認(rèn)識［11］。目前國內(nèi)外沖擊傷實驗多采用沖擊波發(fā)生器致傷的方法。沖擊波致傷模擬實驗是使用特制的裝置將壓縮氣體釋放產(chǎn)生沖擊波致傷動物造模，模擬較簡單，致傷條件易控。國內(nèi)以第三軍醫(yī)大學(xué)野戰(zhàn)外科研究所研制的大、中、小型系列生物激波管為代表［12］。

該實驗使用北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)重點實驗室研制的小型沖擊波發(fā)生器。在預(yù)實驗中，參考文獻［13-15］及對犬致傷后的肺臟解剖大體病理觀察，在小型沖擊波發(fā)生器參數(shù)設(shè)定為充氣壓力50 kg（5000kPa），距離 15mm，輸出壓力為 3.0kg（300kPa），正壓力持續(xù)時間約10 ms時，沖擊傷犬肺組織出現(xiàn)不同程度的充血、水腫、出血斑或破裂，沖擊波致傷肺葉表面可見局限的點狀、塊狀、灶狀出血，依據(jù)肺出血程度符合輕、中度肺沖擊傷［16］。該沖擊波發(fā)生器能模擬產(chǎn)生沖擊波，具有參數(shù)量化，可控性強，重復(fù)性好等優(yōu)點，通過預(yù)實驗表明該儀器產(chǎn)生的致傷源符合沖擊波的特征。該研究選用沖擊波致雜種犬肺沖擊傷的大體病理、光鏡和電鏡病理與其他研究［13-15］相似，符合肺沖擊傷的病理改變特點，顯示該小型沖擊波發(fā)生器致傷雜種犬胸部能產(chǎn)生理想的肺沖擊傷模型。

該實驗結(jié)果顯示，犬肺沖擊傷模型建立后較正常對照組氧合指數(shù)迅速下降并持續(xù)降低，提示氧氣在肺組織內(nèi)交換障礙。反映急性肺水腫的指標(biāo)肺含水量、肺通透指數(shù)、肺W/D值［17］顯著增高，提示沖擊傷后出現(xiàn)嚴(yán)重的肺組織水腫。BLI模型建立后，肺組織病理出現(xiàn)肺出血、肺水腫；肺泡結(jié)構(gòu)破壞，肺萎陷彌漫性分布，肺泡內(nèi)充滿炎細胞；Ⅰ型、Ⅱ型上皮腫脹，胞漿內(nèi)大量空泡，線粒體嵴斷裂，板層小體排空等改變。符合肺沖擊傷的病理改變［18］。B組ELWI、PVPI明顯升高，證實肺沖擊傷肺水腫是炎癥反應(yīng)和毛細血管滲漏導(dǎo)致。綜上所述，該實驗采用小型沖擊波發(fā)生器成功建立了肺沖擊傷動物模型，為肺沖擊傷實驗研究（肺沖擊傷評估生物標(biāo)志物的發(fā)掘和驗證、沖擊傷致傷預(yù)警參數(shù)的捕獲）提供了一個理想實用的研究平臺，為應(yīng)對未來局部軍事戰(zhàn)爭沖突、恐怖襲擊風(fēng)險中沖擊波致傷研究奠定實驗基礎(chǔ)［11］。