爆震性耳鸣及听力损失动物模型研究

吕佳蕙 李智慧王新兰钟翠萍*

1中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院耳鼻咽喉头颈外科（兰州 730050）

2宁夏医科大学临床学院研究生院（银川 750004）

耳鸣是一种发生率较高且被人们重视的症状，是一种听觉感知的错觉，可同时伴有听力下降。患者在耳朵或头部出现不想要的声音，且常常伴随焦虑、烦恼、失眠、易怒和抑郁等情绪问题，对日常生活产生重大影响。最常见的导致耳鸣的病因是声创伤，军人耳鸣的最常见原因是军事噪声暴露，服役超过两年的军人听力损失发病率为23%-48%不等，服役超过两年的高炮兵听力损失的发生率达48.3%[1]。由于目前人们对爆震性耳鸣的潜在机制并不完全了解，还没有有效的治疗措施，因此，建立可靠的动物模型对了解爆震性耳鸣发生的机制及如何预防、治疗声创伤导致的耳鸣都是十分有必要的。本文对爆震性耳鸣模型动物、爆震暴露条件、模型鉴定的检测指标等方面进行综述，为爆震性耳鸣动物模型的建立提供方向。

1 模型动物

根据研究目的、方法及检测指标的不同，在研究耳鸣及听力损伤动物模型中，啮齿类动物是最常用的动物模型。大鼠、小鼠及豚鼠都曾被选为耳鸣及听力损失相关动物模型来研究损失机制与防护。大鼠、小鼠及豚鼠有着不同的优势。大鼠体积大，较小鼠及豚鼠更易进行各种耳蜗手术操作，Wang等[2]为深入了解爆炸超压（BOP）导致的听觉功能障碍相关的病理生理机制，利用耳镜来观察模拟爆炸后大鼠的中内耳结构变化情况。小鼠的遗传信息库完善，常用于基因水平的实验。豚鼠耳蜗较大，听觉耳动反射明显，内耳解剖结构与人类相似。李朝军等[3]采用听觉脑干反应（ABR）评估不同强度冲击波负压（BUP）暴露后豚鼠听力损失特点，发现豚鼠听力损失以低频更明显，且负压强度越高、暴露次数越多听力损失越重。相较啮齿类动物，小型猪有着某些与人类类似的生理结构及特性，如内耳结构和听觉特征，在耳科研究中的作用和地位越来越重要[4]，目前已经建立了完善的小型猪听觉数据库和一系列的小型猪耳聋模型[5]。

目前多采用爆炸管建立动物模型研究爆震性耳鸣及听力损伤。Zhang[6]、MAO等[7]采用爆炸管建立动物模型分别进行爆震性耳鸣及爆震性听力损失的研究。除此之外，冲击波、强噪声也用来建立爆震性耳鸣及听力损伤相关动物模型[8]。

2 爆炸暴露条件

炸药爆炸后产生BOP，BOP是环境空气压力中的一种高强度扰动，它会产生超过170 dB的高强度声音(脉冲)[9]。爆炸波包含了爆炸风和冲击波。当爆炸发生时，爆炸风会产生比音速还快的冲击波。这些冲击波特点是压力的快速增加和高压峰值，被认为是最具侵入性的，可以影响活体组织[10,11]。爆炸冲击波主要在人体内部的空气-组织界面施加压力，因此听觉系统处于高风险状态[12]，鼓膜、耳蜗和中央听觉通路，都是机体最常被爆炸压损伤的部位[13]。鼓膜是检测爆炸影响的主要部位，只要压力比大气压高5PSI，就会使人的鼓膜破裂[12]。除了鼓膜穿孔或破裂外，冲击波对鼓膜组织造成的任何损伤都将影响鼓膜的力学性能，并改变鼓膜用于声音传输的正常性能。相比外耳，中耳损伤在爆震致听力损失患者中发生率更高，130dB或更高的压力即可导致鼓膜破裂、听小骨骨折或脱位，在爆震引起的声创伤中噪声强度常超过140dB[14]。Zhang[6]的动物模型中为 180dB,在 MAO等[7]的实验中爆震噪声强度为194dB。Mrena等[15]发现耳鸣可能在声创伤、强噪声暴露后立即发生。

爆炸暴露效果与爆炸持续时间、爆炸力、爆炸暴露次数等有关。Zhang[6]的实验研究数据显示，大多数慢性耳鸣是在22 PSI、大部分能量集中在5kHz以下的频率、峰值水平约为180dB SPL时引起的。MAO等[7]为了诱导耳鸣、听力损失，将大鼠在无耳部防护的条件下暴露在平均能量在10kHz以下，10毫秒，194dB SPL冲击波下。研究显示爆炸暴露的大鼠在多个频率测试中表现出早发性耳鸣和听力损失的迹象。虽然大部分频率的耳鸣和听力损失在爆炸后第28天已经恢复，但某些高频的听力损失在爆炸后第90天的测试中仍然存在。导致所有频带的早发耳鸣，并随着时间的推移向高频方向移动。爆震后ABR阈值明显比爆震前升高，但在爆震后第14天恢复到基线水平。Luo等[8]把大鼠在单耳防护的条件下暴露在平均能量在10kHz以下，10毫秒，197.5dB SPL冲击波下，在暴露后1天、1个月和3个月测量自发放电率，结果显示：爆炸暴露后1个月内诱发了耳鸣，暴露后3个月的耳鸣发生频率范围为26-28kHz。多次爆炸暴露可以更真实地模拟战争场景。有调查研究显示[16]耳鸣及听力损失这两者的发病率与暴露的时间长短存在正相关，尤其是暴露时间达到5年以上者。Gan等[9]发现在轻度创伤性脑损伤（TBI）水平(15-20 PSI)的多次爆炸暴露下，栗鼠发生了渐进式听力损害。在该研究中，两组动物（2次暴露、3次暴露）暴露在大约103-138 kPa（15-20PSI）的BOP水平，两组动物连续接受爆炸暴露的时间间隔约为10分钟，在暴露后第1、4、7、14天分别测定 ABR、畸变产物耳声发射(DPOAE)水平，数据显示听力损伤的严重程度与爆炸次数呈显著相关，轻度创伤性脑损伤的爆炸次数对听力损害有严重影响。Chen等[17]探讨在重复低强度（3-5 PSI）爆炸暴露后，对栗鼠（一只耳保持开放，另一只耳用耳塞保护）的急性和渐进性听力损害进行了量化。在该实验中，两组动物（2次暴露、3次暴露）暴露在大约21-35kPa（3-5PSI）的BOP水平，发生2次重复爆炸的时间间隔约为2小时，发生3次重复爆炸的时间间隔约为10分钟。2次暴露组为急性组，在每次冲击波暴露后测量ABR、DPOAE和中潜伏期反应(MLR)。3次暴露组为渐进组，在冲击波暴露后第1、4、7天分别测量ABR、DPOAE和MLR。研究显示虽然BOP水平是一个重要因素，但爆炸次数对听力损伤存在叠加效应。

3 模型鉴定的检测指标

3.1 影像学分析

相较于其他分析手段及检测指标，基于影像学非侵袭性的优势，影像学不仅可以用来探索爆震暴露后耳部结构形态学的改变，还可以研究多种神经结构的变化，来阐述爆震暴露与耳鸣及听力损失之间的联系。电子计算机X射线断层扫描技术（CT）、磁共振成像（MRI）通常用来分析客观性耳鸣的病因。如杜昱平等[18]利用CT、MRI分析搏动性耳鸣患者的具体病灶。噪声所致耳鸣通常为主观性耳鸣，单光子发射计算机断层成像(SPECT)、功能磁共振成像(fMRI)和正电子发射断层成像(PET)通常用于研究耳鸣及听力损失患者的听觉中枢结构及代谢的变化[7]。Arnold等[19]首次将PET用于研究耳鸣，发现耳鸣患者听觉皮层代谢活动增加。其后Lockwood等[20]应用PET通过测量人脑血流量来证明耳鸣相关的脑活动，发现耳鸣响度增大时，对侧听皮层脑血流量增加。Richard等[21]用PET研究耳鸣，发现单侧噪声暴露导致耳聋显著抑制海马新生神经元的生成，并导致噪声暴露动物的记忆损伤。在动物研究中，锰增强磁共振成像(MEMRI)已被用作一种活动依赖性和顺磁性对照剂来研究解释说明耳鸣及听力损失发生时相关神经结构的电活动情况。锰是一种依赖于活动的顺磁性造影剂，主要在突触上通过电压门控钙通道在活跃的神经元中积累，并作为结构和功能的指示器。Brozoski等[22]利用MEMRI来评估具有心理物理证据的慢性声暴露性耳鸣大鼠中枢听觉通路的神经活动模式。在大鼠单边暴露于以16kHz为中心，峰值强度为115 dB SPL的窄带噪声前24-28小时接受20 mg/kg腹腔注射MnCl2，在成像之前立即注射致命剂量的戊巴比妥-异丙醇钠混合物，暴露后斩首,切除头皮和下颌骨后成像26片，经后期软件处理得到MEMRI图像，研究表明爆震暴露后大鼠同侧听觉通路的神经活动增强，有慢性耳鸣心理物理证据的大鼠听觉脑干神经活动增强。目前为止，MEMRI在耳鸣动物的研究中发现，耳蜗背核(DCN)、腹侧耳蜗核(VCN)、下丘(IC)和副绒球中锰的积累或活性增加。

3.2 行为测试

Morris水迷宫是目前评价认知功能最经典和普遍的方法，用来观察动物模型在爆震暴露前后发生的行为、认知、学习及记忆改变。赵晓雨等[23]采用此方法来研究强噪声急性暴露后豚鼠的神经认知功能改变，发现120dB的白噪声持续暴露4h可引起豚鼠不适和紧张恐惧的趋避行为、焦虑和抑郁样行为以及神经系统器质性损伤所致的运动功能障碍等。饮水抑制法是Jastreboff等[24]于1988年为证明动物耳鸣的发生，在背景噪音中,烦渴的大鼠可自由舔水,背景噪音停止时舔水被电击,使大鼠形成“声音存在时饮水,安静不饮水”的条件反射。间隙检测声学惊吓反射是Turner等[25]发现的惊吓可由噪声产生听觉惊跳反射，是一种通过确定动物耳鸣的知觉和特征来测量耳鸣表现的心理物理特征的行为方式。跳台反射法是由Guitton等[26]训练大鼠建立一种“声音刺激-足底电击-跳台逃避”的条件反射来观察耳鸣。张恩柱等[27]用跳台法来证明水杨酸动物耳鸣的产生。

3.3 电生理测试

为了阐明爆震所致耳鸣发生的神经机制，研究人员利用电生理记录研究了耳蜗背核、下丘、听觉皮质等听觉脑结构的电生理活动变化。这些研究表明，耳鸣与神经自发放电增加、神经纤维重塑等相关。Levine[28]推测噪声暴露后短暂耳鸣发生的病理生理可能是因为听神经输入的减少会导致背侧耳蜗核的抑制解除，中枢听觉系统的自发活动增加。Luo等[8]发现，在爆震引起的耳鸣中，耳蜗背核和下丘的自发放电率升高发生在发病早期（1天或1个月)，听觉皮层中自发放电率延迟升高(3个月)。从时间上看，急性耳鸣可能主要由下丘的过度活跃引起，而慢性耳鸣可能主要由高级听觉结构介导。

由于动物不能主观表述爆震暴露后听力的变化情况，常采用听觉电生理客观判断其爆震效果。常用指标如下：ABR、MLR、DPOAE。ABR常用在爆震前后比较评估实验动物外周的听觉系统与脑干听觉传导通路的变化情况，其结果可靠，操作简便。Wang等[2]将大鼠暴露于BOP，分别对两组BOP暴露大鼠和对照组大鼠进行了ABR和DPOAE评价，在爆震前(3-5天)测量ABR和DPOAE作为基线，并在爆震后第1、7、14、28天测量爆震暴露组与对照组ABR和DPOAE,发现在整个测试频率范围内（4-40 kHz），爆震暴露组持续1个月听力损失,在亚急性时间点的恢复阶段，低频(如4-8 kHz)的听力改善比高频(如32-40 kHz)相对更早。

3.4 组织病理学改变

爆震后可导致耳外伤，如耳廓及外耳道断裂、撕裂等，影响外耳对声波的增压及对声源的定位作用。爆震暴露后可以观察到鼓膜破裂，且穿孔处出现红肿、边缘外翻、边缘倒置等情况；听小骨的移位和（或）断裂，鼓膜张肌、镫骨肌等韧带的损伤可影响来自外耳道的声能传递到耳蜗，常引起传导性听力丧失[10-14]。对暴露于爆炸环境下的啮齿动物的内耳进行组织病理学检查（如耳蜗基底膜铺片及染色、扫描电镜等方法），发现耳蜗基底膜破裂，耳蜗毛细胞受到创伤。声音诱发的振动是由毛细胞顶端表面的静纤毛传导的,毛细胞静纤毛束将声音的机械能转化为电化信号，由于其高度的机械敏感性，容易被响亮的声音破坏，毛细胞通过多种途径发生死亡，导致永久性听力丧失，表现为听觉阈值升高。爆震产生的压力波可造成耳蜗外毛细胞的静纤毛束损伤，钾离子排出受阻，内淋巴积液，过多的内淋巴液刺激毛细胞释放过量的谷氨酸，过量谷氨酸的兴奋性毒性导致离子和水进入突触，引起突触病变，Kim等[29]研究了暴露在简易爆炸装置的冲击波中的老鼠，体内耳蜗成像显示内淋巴液的体积增加，机械敏感毛细胞静纤毛损伤引起内淋巴积水、毛细胞丢失和内淋巴K+潴留导致的谷氨酸依赖的耳蜗突触病。镫骨的剧烈活动可导致圆窗膜破裂、迷路的震荡性损伤,引起Corti器、耳蜗神经及螺旋神经节等处的损伤，迷路震荡又可造成耳石膜移位或者耳石脱落，患者可出现耳鸣、听力下降等症状[30]。

4 结语

近年来，随着军事力量及新型装备武器的发展，爆震性耳鸣及听力损失的发生率也在不断提高，造成的个人与社会负担也越来越沉重。想要明确爆震引起耳鸣及听力损失的详细机制而开发该疾病的预防和治疗手段，建立合理的动物模型就显得尤为重要。根据不同实验动物自身结构特点研究制定最佳的爆震参数可以帮助人们明确爆震性耳鸣及听力损失的潜在机制，并为有效防治措施的建立提供可靠依据。