原发肺冲击伤病理生理学变化的实验研究＊

李怀东，张兆瑞，陈良安

在军事战争中炸药、炸弹以及平时锅炉、液化气罐等爆炸时都可产生冲击波超压直接作用于机体造成的损伤，称为原发冲击伤或爆震伤（primary blast injury，BI）［1］。 肺脏因其空腔充气的特殊结构特点成为冲击伤中首当其冲的靶器官［2］。因此，原发肺冲击伤（primary blast lung injury，BLI）是其最有特征的冲击伤［3］，在单纯创伤或创伤复合伤中发生率很高［2］，是导致急性呼吸窘迫综合征（ARDS）的重要病因。当前世界局部战争冲突频仍、恐怖袭击爆炸频发，军事医学对肺冲击伤的诊治与防护日趋关注。该实验采用小型冲击波发生器致伤犬，建立原发肺冲击伤犬动物模型，观察BLI犬氧合、血流动力学、肺组织形态学的变化，以期为肺冲击伤诊治提供较深入的基础研究。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 材料及仪器 小型冲击波发生器（北京理工大学爆炸科学与技术重点实验室）；PB7200呼吸机（美 国 Puritan-Bennett 公 司 ）；RADUOMETER ABL800血气分析仪 （丹麦雷度公司）；PiCCO动脉导管及PiCCOplus容量监测仪 （德国PULSION公司）；低温离心机（德国Eppendorf公司）；光学显微镜（日本尼康公司）；全氟辛烷（上海华捷视医疗设备有限公司）。

1.1.2 实验动物 经解放军总医院伦理委员会（解放军总医院福利伦理审查批号：2012-D6-06）审核通过，该实验采用8~15月龄健康杂种犬18只（购自北京绿源伟业养殖场），雌雄不限，体重9.0~12.0 kg，平均（10.84±1.60）kg，由解放军总医院动物实验中心（实验动物使用许可证号：SYXK（军）2012-0062）室温饲养3 d。

1.2 实验方法

1.2.1 实验分组 采用随机数字表法随机分为2组，每组9只。实验前对实验犬禁食24 h，禁水2 h。两组都通过颈部动静脉分别置入PiCCO动脉导管及中心静脉导管，连接PiCCO监测仪，观察7 h。对照组（C组）：不予冲击波致伤；单纯肺冲击伤组（B组）：给予激波管［（5±0.3） kPa，15 mm］致伤实验犬。

1.2.2 动物模型的制备 犬称重后选取四肢浅静脉注射3%戊巴比妥钠（25～30 mg/kg）麻醉后绑缚四肢取仰卧位于手术台上固定。于右颈外静脉置入中心静脉导管，于左颈动脉置入动脉热稀释导管（PiCCO 导管）。

1.2.3 原发肺冲击伤模型的制备 采用北京理工大学爆炸科学与技术重点实验室研制的小型冲击波发生器。实验时将实验犬移至与激波管管口同水平的实验台处，实验犬右侧卧位固定于实验台上，胸骨正中正对激波管管口（剃除胸毛），二者之间的距离为15 mm。打开压缩空气瓶压力阀开关，达到指定压力时松开激波管撞针，压缩空气形成冲击波击中实验犬胸骨正中位置。实验犬出现呼吸抑制、全身抽搐等表现（约5~10 s）。随后实验犬移到手术台上并仰卧位固定四肢。连接PiCCO容量监测仪。整个实验过程中持续给予静脉推注戊巴比妥钠维持麻醉（约0.2 mg/kg·h）。观察7 h后，实验犬给予10%氯化钾1 g静脉推注处死后立即剖胸观察肺脏的大体病理改变，并留取肺组织标本。

1.2.4 标本采集 PiCCO容量监测仪连接后［标记为 BL（Baseline）］，致伤后 30 min［标记为 BI（Blast Injury）］，此后每隔1 h监测1次（分别标记为1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、7 h）。 记录氧分压（PaO2）、血管外肺水指数（ELWI）、肺血管通透性指数（PVPI）。 将各组样本组织按照文献［4］处理，光学显微镜观察并显微照相。每张病理切片按照文献标准进行评分［4］。肺含水量（RLW）=［肺叶湿重（g）/肺叶干重（g）］×100%、肺湿干重比（W/D）=［肺叶湿重（g）-肺叶干重（g）］/肺叶湿重（g）］×100%、肺通透指数（LPI）=［肺泡灌洗液上清液蛋白含量（μg）/血清蛋白含量（μg）］×100%。实验结束处死实验犬后立即开胸解剖。于该侧致伤之肺叶取100~200 g肺组织，置于锡纸上用电子天平称湿重，置入80℃烘箱内烘72 h达恒重量时取出称干重。于致伤肺叶瘀斑边缘取大约1.5 cm×1.5 cm×0.5 cm肺组织1块，盐水浸洗，经10%中性福尔马林固定，留取待光镜观察肺组织损伤情况。在该侧肺叶同一部位眼科剪剪取 0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm肺组织2块，切成2 mm3大小若干块，盐水浸洗，4%戊二醛固定后留取待电镜观察。

1.3 统计学分析 运用SPSS 17.0计算机统计分析软件处理实验数据，同一实验点每两组比较应用t检验。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 肺含水量（RLW）、肺湿干重比（W/D）和肺通透指数（LPI）的变化 与C组比较，B组肺组织RLW、W/D、LPI明显升高（P<0.05）。 见表 1。

表1 各组肺含水量（RLW）、肺湿干重比（W/D）和肺通透指数（LPI）的变化

2.2 血气分析 冲击波致伤犬后，氧合指数（氧分压/吸氧浓度，PaO2/FiO2）迅速下降至300 mmHg以下，之后持续下降，观察期内各时间点氧合指数明显低于C组（P<0.05）。见图1。

图1 冲击波致伤犬氧合指数的变化

2.3 血流动力学指标 冲击波致伤犬后，血管外肺水指数（ELWI）较致伤前明显升高，在观察2时间点后趋向平缓，各时间点明显高于C组 （P<0.05）（图 2）。同样，肺血管通透性指数（PVPI）较致伤前明显升高，在观察2时间点后达最高峰，之后下降，各时间点明显高于 C 组（P<0.05）（图 3）。

图2 冲击波致伤犬ELWI的变化

图3 冲击波致伤犬PVPI的变化

2.4 各组肺组织病理表现 光镜下可见C组各级支气管、肺泡管和肺泡，支气管周围间质有肺动脉、肺静脉、淋巴组织和疏松结缔组织（图4）；可见B组肺泡结构破坏，肺萎陷弥漫性分布整个视野，部分肺泡壁紧密排列，肺泡呈裂隙状，两端呈锐角，肺泡内充满炎性细胞（图5）。

电镜下可见C组气血屏障结构清晰，毛细血管充盈状（图6）。B组可见以上皮细胞肿胀，空泡变为主，Ⅱ型上皮细胞器明显减少，板层小体特征性结构消失排空，Ⅰ型上皮表面绒毛消失，有时可见炎症细胞浸润和出血，并可见脱落入肺泡腔内（图7）。（N：细胞核；*：胞质空泡；R：红细胞；I：I型上皮；O：细胞间连接；Cap：肺毛细血管腔；箭头：板层小体）。

图4 C组肺组织病理变化光镜观察

图5 B组肺组织病理变化光镜观察

图7 B组肺组织病理变化的电镜观察（×8000）

3 讨论

近几十年来，全球范围局部地区摩擦频发，而恐怖袭击、液化气及煤矿瓦斯爆炸等生活突发事件不断发生［5，6］，使得冲击伤已成为军事医学、急救医学和灾害医学的研究关注点。其中胸部爆震伤伤情复杂，致伤致残率高，是战创伤救治的重点和难点［7］。为有效早期干预和治疗冲击伤，建立并使用稳定可靠的冲击伤动物模型是研究冲击伤的基础和前提。自第一次世界大战以来至今，国内外对冲击伤的研究方兴未艾。20世纪70年代以来，国内军事医学部门通过从基础及实验研究［8-10］，到结合对越自卫反击战等战伤调研，获得了肺冲击伤的病理生理机制和生物力学等机制的深刻认识［11］。目前国内外冲击伤实验多采用冲击波发生器致伤的方法。冲击波致伤模拟实验是使用特制的装置将压缩气体释放产生冲击波致伤动物造模，模拟较简单，致伤条件易控。国内以第三军医大学野战外科研究所研制的大、中、小型系列生物激波管为代表［12］。

该实验使用北京理工大学爆炸科学与技术重点实验室研制的小型冲击波发生器。在预实验中，参考文献［13-15］及对犬致伤后的肺脏解剖大体病理观察，在小型冲击波发生器参数设定为充气压力50 kg（5000kPa），距离 15mm，输出压力为 3.0kg（300kPa），正压力持续时间约10 ms时，冲击伤犬肺组织出现不同程度的充血、水肿、出血斑或破裂，冲击波致伤肺叶表面可见局限的点状、块状、灶状出血，依据肺出血程度符合轻、中度肺冲击伤［16］。该冲击波发生器能模拟产生冲击波，具有参数量化，可控性强，重复性好等优点，通过预实验表明该仪器产生的致伤源符合冲击波的特征。该研究选用冲击波致杂种犬肺冲击伤的大体病理、光镜和电镜病理与其他研究［13-15］相似，符合肺冲击伤的病理改变特点，显示该小型冲击波发生器致伤杂种犬胸部能产生理想的肺冲击伤模型。

该实验结果显示，犬肺冲击伤模型建立后较正常对照组氧合指数迅速下降并持续降低，提示氧气在肺组织内交换障碍。反映急性肺水肿的指标肺含水量、肺通透指数、肺W/D值［17］显著增高，提示冲击伤后出现严重的肺组织水肿。BLI模型建立后，肺组织病理出现肺出血、肺水肿；肺泡结构破坏，肺萎陷弥漫性分布，肺泡内充满炎细胞；Ⅰ型、Ⅱ型上皮肿胀，胞浆内大量空泡，线粒体嵴断裂，板层小体排空等改变。符合肺冲击伤的病理改变［18］。B组ELWI、PVPI明显升高，证实肺冲击伤肺水肿是炎症反应和毛细血管渗漏导致。综上所述，该实验采用小型冲击波发生器成功建立了肺冲击伤动物模型，为肺冲击伤实验研究（肺冲击伤评估生物标志物的发掘和验证、冲击伤致伤预警参数的捕获）提供了一个理想实用的研究平台，为应对未来局部军事战争冲突、恐怖袭击风险中冲击波致伤研究奠定实验基础［11］。