Ⅱ型减压病家兔脊髓神经超微结构的变化研究

耿 明，王翠翠，高光凯，毛蕊琪，曹永成，刘晓红

·论著·

Ⅱ型减压病家兔脊髓神经超微结构的变化研究

耿 明，王翠翠，高光凯，毛蕊琪，曹永成，刘晓红

目的 电镜观察Ⅱ型减压病家兔脊髓神经轴突的超微结构改变，探讨减压病所致脊髓损伤的机制。方法 将15只新西兰大耳白家兔按数字表法随机分为3组:减压病组、安全减压组和正常对照组，每组5只。减压病组行快速减压制作减压病动物模型，安全减压组采用安全减压，正常对照组行常压空气暴露，各组动物出舱后30 min内处死，取脊髓组织进行超微结构观察。结果 减压病组神经细胞水肿，细胞内线粒体轻度肿胀，游离核糖体聚集;轴突水肿，髓鞘松解、褶曲，部分剥离，轴突内线粒体肿胀，微管排列紊乱，并见许多大小不等的空泡形成。安全减压组神经细胞和轴突轻度水肿，胞质和轴索内可见小空泡形成，髓鞘板层结构松散。正常对照组脊髓组织超微结构未见明显改变。结论 神经纤维水肿、轴突脱髓鞘为Ⅱ型减压病家兔脊髓损伤的基本病变，脊髓血管内气泡及“原位气泡”可能同为导致脊髓损伤的直接原因。

Ⅱ型减压病;脊髓;神经轴突;透射电镜

减压病(decompression sickness，DCS)是潜水、航空和航天人员的常见职业病，由于机体外部压力下降过快，导致体内组织中溶解的惰性气体快速溢出，形成气泡在体内游离，引起一系列的病理生理改变，可对机体各个脏器产生影响，造成身体机能的严重障碍引发休克或死亡［1］，严重威胁潜水和航空人员安全。Ⅱ型DCS主要是因为气体气泡充塞于人体的呼吸系统、循环系统或神经系统，造成身体机能的严重障碍，主要症状有头昏、耳鸣、晕眩、视觉模糊、四肢协调障碍等，严重者可引起休克、死亡［2-3］。DSC导致的脊髓损伤已有较多研究，笔者前期通过建立Ⅱ型DSC家兔模型，观察了DSC所致脊髓损伤的组织病理学改变，旨在了解脊髓特别是神经轴突的超微结构变化，进一步探讨脊髓损伤与临床症状的内在关系。

1 材料与方法

1.1 实验动物及分组 健康雄性新西兰大耳白家兔15只，体质量2.0～2.5 kg，购自山东鲁抗集团动物中心(合格证号SCXK，鲁20100005)，按数字表法随机分为DCS组、安全减压组和正常对照组，每组5只。实验前，家兔饲养1周以上以适应环境。环境条件:普通清洁级，室温23～25℃，湿度50.0% ～56.0%，光照时间6:00-18:00。

1.2 DSC动物模型制备及各组处理方法 DCS组按照高光凯等［4］报道的方法制备家兔Ⅱ型DCS模型:动物置于加压舱内，5 min空气加压至800 kPa (绝对压)，停留60 min，3～5 min快速减至常压后出舱。安全减压组加压方法与DCS组一致，但参照海军潜水安全减压方案减到常压［5］。正常对照组置于加压舱内，常压空气暴露，持续通风，暴露60 min结束后出舱。观察各组动物出舱后的行为学表现，出舱后30 min内处死并采集标本。

1.3 标本采集和超微结构观察 各组动物出舱后30 min内，用10 mg/kg盐酸氯胺酮和氟哌利多溶液肌肉注射麻醉、处死，取胸腰段脊髓组织，制作成0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm大小的电镜标本，迅速入2.5%戊二醛预固定，1%锇酸后固定，EPON812包埋，徕卡超薄切片机切片，切片厚度60～70 nm，醋酸双氧铀和枸橼酸铅双重电子染色，用JEOL-1400型电子透射电镜观察超微结构并拍照。

2 结果

2.1 行为学表现 DCS组快速减压出舱后，5只家兔均出现不同程度的DCS症状，主要表现为瘙痒、呼吸频快、躁动不安等，并表现单侧或双侧下肢活动障碍，其中2只病情严重，分别于出舱后30、43 min死亡;安全减压组活动正常，未见明显DCS症状;正常对照组活动正常。

2.2 解剖结果 DCS组脊髓呈灰白色，剖开可见较多出血点和淤血，质软;正常对照组脊髓呈灰白色，质地柔软;安全减压组基本同正常对照组。

2.3 超微结构观察结果 见图1。正常对照组轴索被髓鞘包绕，髓鞘呈及其规则的同心圆状排列，神经细胞内细胞器结构正常(图1A);安全减压组轴索被髓鞘包绕，髓鞘呈同心圆状排列，偶见部分区域松懈、分离(图1B);神经细胞内个别线粒体和内质网轻度肿胀，偶可见多泡体结构。DCS组病变较轻部位可见轴索与髓鞘板层最内层部分分离，髓鞘扭曲、折叠、皱起;轴突内线粒体轻度肿胀，滑面内质网和微管轻度扩张。病变较重部位可见轴突萎缩，失去与髓鞘的正常比例;线粒体肿胀，髓鞘板层结构大部分松懈扭曲、折叠甚至断裂崩解(图1C、D);严重者可见脱髓鞘改变，线粒体高度肿胀，扩张的微管和滑面内质网深入轴索内与神经丝形成蜂窝状结构(图1E);神经细胞胞质透明，部分细胞内可见核周体为空泡形式，线粒体轻度肿胀，核糖体减少、聚集(图1F)。

图1 各组兔胸腰段脊髓超微结构图

3 讨论

3.1 Ⅱ型DCS家兔脊髓神经轴突改变特点 DCS是一类在特定环境下发生的疾病，脊髓损伤为急性DCS的主要特征之一。本研究显示，透射电镜下可见Ⅱ型DCS家兔脊髓的损伤主要在神经轴突，包绕轴突的髓鞘板层轻者松解扭曲，重者折叠起皱，严重部位可见髓鞘崩解;轴索水肿变性，失去与髓鞘的正常比例，出现脱髓鞘现象，轴索内线粒体、微管和滑面内质网等肿胀，神经细胞损伤主要表现为细胞肿胀和线粒体、滑面内质网扩张，游离核糖体部分聚集。这与Francis等［6］对DCS狗模型的观察结果基本吻合。本研究发现Ⅱ型DCS家兔的中枢神经系统改变最严重表现为轴突的脱髓鞘改变。

笔者的前期的研究发现，DCS家兔脊髓脊膜血管扩张，少数有充血，大多数为单纯性的扩张，脊髓白质及灰质内血管扩张，推断血管内曾有气泡的产生，气泡体积逐渐增大或气泡被运送到直径较小的血管时使血管扩张，气泡直接或间接作用于血管内皮细胞，引发一系列损伤反应。还观察到在脊髓白质也出现了大量的气泡(原位气泡)。因此推断，由于脊髓白质的脂肪含量很高，当快速减压时，饱和的惰性气体从溶解状态逐渐溢出，形成气泡并增大，使神经纤维受到直接机械性损伤或启动级联反应。而脊髓灰质区气泡不明显，神经细胞受损较轻。

脊髓神经属于混合性神经，包括躯体传入、传出神经纤维和内脏传入、传出神经纤维。因此，脊髓神经纤维的损伤极易导致所支配范围躯体和内脏的感觉和运动等功能障碍。本实验中，Ⅱ型DCS家兔的主要症状表现为瘙痒、呼吸频快、躁动不安等，并出现单侧或双侧下肢活动障碍，这些表现均与脊神经受损有关，

3.2 Ⅱ型减压病脊髓损伤的机制 对于DCS脊髓损伤的机制，有观点认为是因为气泡在动脉系统形成栓子，栓塞血管，随后造成毛细血管和前毛细血管的阻塞，组织缺血，使轴索受到损伤［7］;也有人提出当减压非常迅速、剧烈时，静脉系统内产生的大量气体栓子，超过了肺毛细血管的滤过能力，所以气泡进入体循环血管内，气泡激活了机体补体系统，产生趋化因子及血管活性因子使得白细胞黏附性增强、血管通透性增高，直接或间接激活炎症反应，导致局部组织供血不足受损［8］。动物脑及脊髓组织病理学检查结果表明，脊髓白质有大量血管周围的出血，而灰质中并不多见，也表明在造成脊髓损伤的DCS中出现了椎静脉的梗塞，椎静脉回流受阻。

Ozdoba等［9］认为DCS所致脊髓损伤是由于组织内“原位气泡”形成造成的，他们在实验中发现，因DCS致瘫痪的狗的脊髓中有小气泡出现。Francis等人［6，10］的研究发现，在DCS的脊髓白质中有大量空泡区域，电镜下这些区域显示出非常有趣的特征: (1)这些区域都位于血管外、髓磷脂内，尤其是大的轴突的髓磷脂;(2)低倍镜下观察，周围组织明显被挤压;(3)许多较大的病变区域含有髓磷脂样物及受压的轴突。他们均认为存在“原位气泡”直接导致机械性损伤的可能。

上述理论可部分解释DCS所致脊髓损伤的发生，但是不能完全、彻底解释DCS的各种表现。笔者在光镜下观察到，Ⅱ型DSC家兔的脊膜、脊髓白质和灰质血管内均有大量扩张的血管和空泡区，表明快速减压过程中产生了血管内气泡;同时观察到在脊髓白质内也出现了大量气泡［11-12］。根据电镜下脊髓神经改变特点，结合家兔症状综合分析，笔者推断脊髓血管内气泡和血管外气泡即“原位气泡”，两者均对脊髓造成损伤，同为造成神经轴突受损的直接原因;而脊髓白质出血水肿、神经纤维脱髓鞘等，可能为Ⅱ型DCS家兔脊髓损伤后超微结构改变的基础。

［1］ Bert P.Barometric pressure.Researches in experimental physiology［M］.Bethesda:Undersea Medical Society，1978:886.

［2］ Ljubkovic M，Dujic Z，Mollerlokken A，et al.Venous and arterial bubbles at rest after no-decompression air dives［J］.Med Sci Sports Exerc，2011，43(6):990-995.

［3］ Billinger M，Zbinden R，Mordasini R，et al.Patent foramen ovule closure in recreational divers:effect on decompression illness and ischemic brain lesions during long-term follow-up［J］.Heart，2011，97(23):1932-1937.

［4］ 高光凯，吴镝，石永亮，等.快速减压对家兔脊髓组织学的影响［J］.中华航海医学与高气压医学杂志，2006，13(5): 257-258.

［5］ 陶恒沂，张辉.潜水减压病的防治［M］.上海:第二军医大学出版社，2011:61.

［6］ Francis TJ，Pezeshkpour GH，Dutka AJ，et al.Is there a role for the autochthonous bubble in the pathogenesis of spinal cord decompression sickness［J］.JNeuropathol Exp Neurol，1988，47 (4):475-487.

［7］ Ljubkovic M，Dujic Z，Mollerlokken A，et al.Venousand arterial bubbles at rest after no-decompression air dives［J］.Med Sci Sports Exerc，2011，43(6):990-995.

［8］ Nyquist PA，Dick EJ，Buttolph TB.Detection of leukocyte activation in pigs with neurologic decompression sickness［J］.Aviat Space Environ Med，2004，75(3):211-214.

［9］ Ozdoba C，Weis J，Plattner T，et al.Fatal scuba diving incident with massive gas embolism in cerebral and spinal arteries［J］.Neuroradiology，2005，47(6):411-416.

［10］ Francis TJ.Bubble-induced dysfunction in acute spinal cord decompression sickness［J］.J Appl Physiol，1990，68(4): 1368-1375.

［11］王岩，李学文，姜艳，等.脊髓减压病52例临床特征及其预后分析［J］.中华航海医学与高气压医学杂志，2012，19(4):238.

［12］高光凯，谢立旗.二例脊髓型减压病表现分析［J］.中华航海医学与高气压医学杂志，2011，18(5):312.

Observation under electrom icroscopy on spinal neuraxon of rabbits w ith typeⅡ decompression sickness

GENGMing，WANG Cui-cui，GAO Guang-kai，MAO Rui-qi，CAO Yong-cheng，LIU Xiao-hong

(Department of Pathology，General Hospital of Jinan Military Command，Jinan 250031，China)

Objective To observe changes in the ultra-structure of spinal neuraxon in rabbits with typeⅡ decompression sickness(DCS)and also to investigate themechanism involved in the damage of spinal cord.Methods Fifteen New Zealand white rabbitswere random ly divided into 3 groups:the DCS group，the safe decompression group and the control group.The rabbits in the DCS group were decompressed in rapid pace to develop the DCSanimalmodel，the animals in the safe decompression group were safely decompressed to normal pressure and the animals in the control group were just exposed to normal air pressure.The animals in all groupswere sacrificed within 30 minutes after they were brought out of the chamber.Then，spinal cord samples were collected for the observation of ultra-structure.Results Edema of neurocytes，slight swelling ofmitochondria and aggregation of free ribosomes could be observed in the rabbits of the DCS group.Electron microscopic detection indicated that there were axon edema，myelin sheath relaxiation，partial demyelination，mitochondria swelling in neuraxon，disturbance in microtubule and bubble formation of various sizes.For the animals in the safe decompression group，slightedema of neurocytes and neuraxon，formation of small bubbles in cytoplasm and axon and loose structure ofmyelin sheath could be observed in them.However，for the animals in the normal control group，therewere no significant changes in the ultra-structure of spinal cord tissue.Conclusion Nerve fiber edema and axon demyelination were primary pathological changes in the animalswith spinal cord damage induced by typeⅡdecompression sickness.Air bubbles in spinal cord vessels and"pre-invasive air bubbles"might be the direct cause for spinal cord damage.

TypeⅡdecompression sickness;Spinal cord;Neural axon;Transmission electron microscope

R845.21

A

10.3969/j.issn.1009-0754.2014.05.008

2013-07-16)

(本文编辑:施 莼)

全军医学科研“十二五”面上项目资助课题(CWS11J241)

250031 济南，济南军区总医院病理科(耿明、王翠翠、毛蕊琪、曹永成、刘晓红);解放军第四○一医院高压氧科(高光凯)

刘晓红，电子信箱:liuxh333@126.com