颅脑冲击伤动物模型的研究进展

郭运林，张荣伟

爆炸（炸药、炸弹、锅炉、煤气等）是一种极为迅速的伴有巨大能量释放的化学反应过程，瞬间形成高温高压的气体急速膨胀形成多个压缩波，多个压缩波的重叠就形成了冲击波（blast wave）。冲击波超压直接作用于机体所造成的损伤称为原发冲击伤（或爆震伤）（blast injury）［1］。伊拉克和阿富汗战争中78%的伤员为爆炸伤［2］。颅脑爆震伤具有高致残率、高死亡率、救治难度大等特点。现将常用颅脑爆震伤模型综述如下。

1 实验动物

国内外关于爆炸模型做很多不同的尝试，爆震伤实验动物从猴、牛、驴、山羊、绵羊、猪、狗等大动物到猫、兔、大鼠、小鼠等小动物，还有果蝇幼虫（第三龄期） 等昆虫［3，4］。大鼠、兔小型动物实验方便，易于饲养，较容易取得大样本量实验标本。小型动物对研究局部致伤的即时病理变化和探索早期死亡原因很有意义［5］。小型动物难于观测长期致伤因素效应，同时对施加实验干预带来困难。观察实验远期效应，在爆炸伤救治方法的研究中，猪、羊等大动物具有优势［6］。当下爆震装置及参数当量控制较为科学，基于小型动物自身及技术等优点，爆震伤动物模型多偏向于一些小型动物，避免了大型动物驯化以及喂养等不便。

2 实验建模

爆震伤模型分为直接爆震造模和间接爆震造模，国内外多采用自制设备间接爆震造模。爆炸伤模型经历了从原始的黑火药鞭炮、雷管，以至到后期的太安（pentaerythritol tetra－nitrate，PETN）炸药等，爆炸模型在不断地改进，一些爆炸当量数据也不断科学、精细。Bass等［3］用 0．22 口径炮弹（温彻斯特弹药），充电电池引燃导线，5．1 cm直径激光管中爆炸，激光管另一端连接培养皿，培养皿周围安装压力传感器，研究肺部爆震伤，间接推测人体肺部损伤。该类动物模型致伤后死亡率高，制作稳定、可重复爆震模型难度大。侯立军等［7］采用雷管爆炸和高速钢球模拟爆炸现场。爆炸源爆速6726 m／s，中心爆压为 33 700 kPa（1 kPa＝7．5 mmHg），4000 K黑索金产生暴热，交流电电激发起爆，时间为3．5～6．0 ms。7．62 mm 滑膛枪同步发射 0．7 g 钢球，初速度950 ms，射距6 m（第三军医大学附属大坪医院野战外科研究所）。钢球触发爆炸源，爆震波先于钢球到达动物颅脑，惠普（hp）TC－150型激光测速系统，记录冲击波压力，DS－8型智能测速仪记录投射物撞击速度，计算撞击动能及传递给组织的动能。爆震波先于钢球500 ms到达头颅，建立稳定犬（四川成年健康杂种犬）颅脑爆炸伤模型，发现爆震伤后动物短暂呼吸、心率、脑电活动消失，Axelsson 等［8］研究也发现此现象。Lockhart等［9］研究显示致死率与爆源、头部间的距离呈明显负相关，而与头部姿势无明显关联。该模型证明，颅脑爆炸伤有其本身的组织病理学改变，颅脑挫伤范围小，蛛网膜下腔出血、硬膜下血肿及脑室内出血发生率高。模型爆炸环境模拟逼真，但不能明确单纯爆震致伤程度。汤宏等［10］对楚燕飞等［11］爆炸伤模型加以改良，无开颅暴露硬脑膜，600 mg TNT（重庆市八四五工厂定制）电雷管悬吊于 SD（Sprague－Dawley）大鼠（第三军医大学附属大坪医院动物实验中心提供））头部正上方，分别距离8、10、12 cm，木盒子保护大鼠肺及躯干，113A31传感器 （美国pcb公司）和Wavebook／516A数据采集系统采集爆震当量参数，头部正上方12 cm处制作出稳定大鼠颅脑爆震伤模型，模型采用TNT雷管爆炸，证实爆源与颅脑损伤程度存在关联，具体机制尚须进一步研究。TNT雷管爆炸产生的冲击波以射流为主，各个方向不尽相同，不易标准化，重复性欠佳［12］。雷管产生冲击波同时生成破片，采用TNT炸药球致伤方法则不产生破片，便于单因素分析冲击波对实验动物影响。马劼等［13］采用太安（pentaerythritol tetranitrate，PETN）780 mg（与1 g TNT，直径为10 mm效果相当）。压装密度 1．5 g／cm3，爆压 22 GPa，爆速 7．4 km ／s。导爆索线直径为1 mm，装药量为0．5 g／m（西北核技术研究所研制），6 V干电池引爆，通过导爆索起爆爆炸源。选取成年杂种犬（唐都医院实验动物中心提供）颅中线向左（或右）1 cm，眶上缘向上1 cm交界处为爆震中心位置，爆炸源固定距头部皮肤 3．0、3．5、4．0 mm，距头颅3．5 mm处成功制作开放型犬颅脑爆震伤模型，短时间内动物死亡率偏高，给观察、治疗性研究带来不便。张弛等［14］用雄性SD大鼠（第四军医大学动物实验中心提供），内装PETN直径2．5 mm爆炸球（西北核技术研究所提供），压装密度 1．5 g／cm3，当量 15．6 mg TNT，爆速 7 500 m ／s，爆压22 GPa。实验时以交流电引爆，银制柔性导爆索引爆爆炸源。炸药球置于右额叶顶部（人字缝和矢状缝中点右侧3．0 mm），距离头皮 2．0 mm 爆炸。成功制作爆震伤动物模型，该模型首创小当量模型，死亡率低，重复性好，避免了高强度爆震波作用于颅脑脑干生命中枢产生呼吸抑制，降低了实验动物死亡率，爆炸球装药量可控，与爆震源距离容易操控，可制作不同程度爆震伤模型。另外一种模型采用激光模拟爆震装置，目前爆震波模拟装置分为生物激波管装置、激光冲击波发生装置等，目前应用最广、成熟的模拟冲击波装置当属生物激波管技术［15］。Satoh利用高能激光的瞬时致爆效应模拟爆炸冲击波，该方法因较易控制激光的能量，实验参数较其他爆震伤更客观、稳定［16］。但该种模拟装置难以真实达到火器爆震伤环境。

3 指标检测

颅脑爆震伤生命体征及组织病理不同于其他器官。死亡率高的原因推测与伤及脑干或者脑组织水肿明显形成脑疝。爆震伤后动物生命体征在不同方面反映致伤演变变化，颅脑爆震伤后监测生化参数、组织蛋白参数复杂多样。因此只有通过大量稳定、成功的动物实验模型研究，才能明确具体病理生理机制。爆震伤后脑干损伤及脑疝形成都可出现呼吸、心率等变化，常规生命体征观察指标是必不可少监测内容，呼吸、心率、血压、脉压差等不同程度反映颅脑致伤后变化。及早发现异常不但能及时挽救动物，减少实验误差，而且还能发现一些特异体征变化，生命体征在一定程度上反映着致伤动物转良或者加重等继发性变化。生理指标观测动物之外，还可通过影像学资料来证实爆震伤损伤程度，CT可明确骨质及颅内挫伤、出血情况，同时中线偏移及是否具备脑疝迹象，MRI可较CT更早的发现颅内变化，张永明等［17］通过MRI成像研究爆震伤后致伤灶水肿变化。组织病理变化是所有致伤模型金标准，通过光镜可观察细胞间隙变化、细胞核变化及损伤后神经小体、细胞质染色变化。电子显微镜可显示细胞核、线粒体、内质网等细胞器细致变化。免疫组化可为动物爆震伤后基因、蛋白分子水平提供分子生物学研究基础。张广林等［18］通过爆震伤模型还对谷丙转氨酶（ALT）、淀粉（AMY）、尿素氮（BUN）、肌酸激酶（CK）水平及颅内压（ICP）等指标进行监测，研究爆震伤损伤演变过程。目前国内外学者主张实施动物爆震伤系统检测，通过生命体征、脉压差、平均动脉压、生化电解质、血氧、兴奋性氨基酸、神经递质及小分子蛋白综合指标反映机体病理生理变化，从而深一步阐明损伤机制。Moore等［19］将爆炸模型通过传感器记录体内数据变化。大量实验采用脑干湿重法评定爆震伤后脑水肿程度，证实了爆震后脑水肿时间曲线，制定出不同时期治疗脑水肿方案。霍建等［20］研究兔颅脑爆炸伤水通道蛋白4（AQP4）与垂体ACTH分泌之间联系。初步揭示了爆震伤后脑水肿与肾上腺皮质激素部分相关联系，为进一步深层次内部机制研究奠定了分子基础。爆震伤后血脑屏障变化对伤情的进展较其他影响因素更为明显，Kamei等［21］研究认为 TNF－α 破坏血脑屏障、参与脑水肿的形成，继发细胞凋亡及多器官功能衰竭。Holmin等［22］发现血浆内皮素（endothelin，ET） 和肿瘤坏死因子 （tumor necrosis factor，TNF）均可引起血脑屏障破坏和血管源性脑水肿。颅脑损伤后多继发一些器官功能障碍，ET和TNF可反映爆震伤后应激器官功能状态。这相应解释了脑损伤后起初看似较轻，逐步加重甚至危及生命的现状。Cheng等［23］在小鼠爆炸模型致伤后，颅脑出现毛细血管内皮的损伤、神经纤维断裂和脑实质间隙扩大。张广林等［18］利用犬爆震伤模型研究了脑水肿和感染的早期救治。爆震伤神经元病变机制研究对爆震伤检测和治疗研究同样不容忽视，爆炸冲击波所致中枢神经系统损伤与神经元代谢障碍有关［8］。因爆震伤的特殊性，对于爆震伤的治疗性研究不同于其他类型的颅脑撞击或者打击伤，因此将更加科学的检测、治疗方式引入爆震伤需要稳定、可靠模型来支撑。

总之，根据颅脑爆震伤致伤模型观察时间及实验指标选择合适动物，需要长时间检测或者治疗动物模型多采用大型动物，因小型动物致伤后存活时间短，死亡率高，不适于长程动物实验。小型动物因价格便宜，易于短程、重复率高的实验。稳定的动物模型也是研究爆震伤动物生理、病理及分子生物学变化的基础，爆震伤导致脑组织原发损伤发生、发展同时继发损伤也在影响着动物，通过动物模型生命指标观察、检测与其他颅脑损伤相对比可发现爆震伤特有的部分变化。目前缺乏标准颅脑爆震伤模型，需待进一步研究。

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