应用动物实验研究建筑光环境对近视的影响

陈 茜，吴 蔚，王育良

(1.南京大学建筑与城市规划学院，江苏 南京 210093；2.南京中医药大学附属江苏省中医院，江苏 南京 210029)

引言

我国儿童青少年近视问题日益严重[1]，影响儿童青少年近视高发的因素有很多，有大量的研究表明采光照明对儿童青少年近视的发生、发展有着重要影响[2，3]。然而，引起儿童近视的诱因很多，主要包括个人因素如遗传和个人用眼习惯，环境因素如采光照明，以及很多的社会影响因素，并且近视的发生和发展是一个长期的过程，如何能够在不受其他因素影响下，量化研究建筑光环境对儿童青少年眼睛发育影响并不容易。

本文在总结目前医学界和建筑界对采光照明近视研究的文献基础上，尝试探讨将医学界在近视领域常用的动物实验法，运用到建筑光环境研究中的可行性，以及需要注意的问题，以期扩展建筑采光照明对儿童青少年视力影响的研究方法。

1 利用动物实验研究近视的原因

我国近些年来儿童青少年近视的发病率高，医药学、采光照明等很多领域都在关注这个问题[4，5]。由于引起近视发生和发展的诱因较多，近视研究尚存在不少问题，目前较常采用的研究方法主要包括社会调查法和实验室实验两种。社会调查法能较好地考虑各种因素对近视的影响，如2018年，Landis等[6]通过记录澳大利亚昆士兰102位10～15岁儿童青少年课外活动课中暴露在室外的光照强度，在长达一年的跟踪调查中研究天然光与儿童近视发生和发展的关系。在我国，黄坤等[7]对广州市多个中小学采光照明进行调查。2021年，许建兴[8]在厦门市多个中小学进行采光照明调研。上述研究皆发现了学校教室的采光照明与中小学生视力不良存在着统计显著性。尽管社会调查法能够较深入地了解近视发生的整体影响，但很难控制多个影响变量，同时也存在时间长、花费大、样本量难以控制等一系列问题。实验室实验法能较好地控制近视的多个影响变量，但存在着难以重现复杂的环境、社会因素，以及这些因素如何长期影响近视等困难，因此有必要寻找一个新的研究方法来研究光环境对近视的影响。

早在公元前4世纪至公元前3世纪，医学界就利用动物实验来研究各种疾病[9]。动物实验(animal laboratory)是指在特定条件下以实验动物为研究对象，采用各种实验手段研究动物受试过程中的应激反应、临床表现及其发生发展规律的一种方法[10]。18至19世纪，随着实验医学的崛起，实验动物被广泛地用在实验当中。20世纪以后，遗传背景明确、微生物和寄生虫得以控制，以科学研究为宗旨的实验动物学成为一门独立的学科[11]。至20世纪50年代末，动物实验被广泛运用于医学的各分支学科[12]，因此在医学界很早以前就利用动物实验来研究近视，其主要优势包括[13]：

(1)避免了近视研究对人体带来的风险。光对眼睛造成的伤害大多是不可逆的，利用动物在人为设计的近视实验条件下进行研究，可以避免在如极强光、高频闪这种极端的实验条件下，实验给人眼造成伤害的风险。

(2)可以节约研究近视的实验时间。人类近视多发生于儿童青少年时期，而人类成长周期长达18年，动物的生长周期较快，所需要的实验时间较短。以豚鼠为例，从出生到成年，只需要5个月，大大节约了实验时间。

(3)可以严格控制近视实验条件，分析不同近视影响因素对近视的影响。造成人近视的因素有很多，包括遗传、用眼习惯、日常行为、视看环境等[14-16]。动物实验可以通过严格控制实验动物标准及其饲养环境等实验条件，最大程度地限定可变因素，增强不同近视影响因素对近视的影响。

(4)有助于更全面地认识近视的本质与发展过程。如在近视实验过程中，当环境发生变化时，巩膜会在数天甚至数小时发生变化[17]，利用动物可以较为轻松地实现在产生眼轴伸长的视觉刺激后，间隔检查并跟踪眼轴变化，甚至在实验需要时及时处死动物、收集样本，这在人体实验中是难以办到的。

动物实验对近视研究起到了极其重要的推动作用。如研究人员一直无法搞清近视的发生机制，通过动物实验与临床联合研究，才使得近视发生发展机制有了突破性的研究成果[18]。目前，动物实验已经成为医学界对儿童青少年近视研究中不可替代的重要支撑。相较于社会调查法和实验室实验法，利用动物实验研究青少年近视问题有很多优点，因此不可避免地扩展到其他领域，如很多人工照明领域也开始应用动物实验法。

2 动物实验在人工照明中的应用研究

研究人员早在20世纪就开始利用动物实验研究人工光源对近视的影响，如Feldkaempier等[19]利用小鸡研究了光照水平对小鸡形觉剥夺性近视的影响。到如今，很多人工照明对近视影响的研究都采用动物实验法，如2011年，Yu[20]等利用小鼠实验，研究了闪光对近视的影响；2017年，Gawne等[21]通过对树鼩的研究，探究了波长为 626 nm 红光对抑制树鼩眼轴增长的作用；2022年，Hu等[22]通过将恒河猴饲养在不同色温条件下，研究了不同色温对近视的缓解作用。

研究人员在利用动物实验研究人工光源对近视影响中，注意到不同动物模型在近视研究中存在着很大区别，如早期采用小鸡[23]、树鼩[24]、小鼠[25]等，这些实验动物有的在眼球大小、结构、调节机制上与人类差异较大，有的存在着全基因序列数据缺乏等方面的局限性，选择与人类相近的灵长类动物如猕猴、短尾猴等[26]时，则存在着动物饲养生长时间长、成本高、配合性差等问题。近些年来，豚鼠被逐渐应用在动物近视研究中，这主要是因为豚鼠的眼部解剖结构、生物学结构和生理功能与人类和灵长类动物相似，即对形态剥夺和晶状体诱导很敏感[27]。此外，豚鼠具有脾气温和、易于饲养，且饲养成本低等优点。如2004年，邸悦[28]就开始将豚鼠饲养在不同频率的频闪光下，研究频闪光对眼正视化的影响；2011年，Liu等[29]通过建立不同单色光的豚鼠近视模型，研究不同单色光对近视的影响。

在邸悦[28]的实验中，研究人员将豚鼠饲养在如图1所示的笼具里(长×宽×高=50 cm×40 cm×60 cm)，各豚鼠笼间由遮光布遮光以确保不受外界光环境干扰，可调节发光二极管用细铁丝分别固定于鼠笼四角高处。Liu等[29]采用的笼具尺寸(长×宽×高=80 cm×50 cm×40 cm)与邸悦的实验相近，只是在白色笼具内壁、天花板和底部安装了4～6个不同波长的单色光光源。在这些照明对近视影响的动物实验中，研究人员仅考虑了动物生长所需的空间，主要强调的是人工光源对动物影响，并没有考虑建筑光环境的影响。当仅考虑人工照明时，建筑光环境是由人工光源产生的光照(照度水平和分布、照明的形式)与颜色(色调、色饱和度、室内颜色分布、颜色显现)在室内建立的同房间形状有关的光物理环境。因此建筑光环境不仅仅需要考虑光源本身，还要考虑光源的位置、室内各种建筑材料的光物理特性、室形指数等的综合影响。当需要考虑天然光环境时，则还需要考虑采光口的朝向、大小等设计因素。

图1 研究人员利用豚鼠研究人工照明对近视的影响[28，29]Fig.1 Researchers studied the effect of artificial lighting on myopia using guinea pigs

3 利用动物实验的建筑光环境先导性研究

研究团队根据《建筑采光设计标准》[30]、《住宅建筑设计原理》[31]、《建筑设计资料集》等[32，33]，将典型住宅房间尺寸定为长×宽×高=4 500 mm×3 300 mm×2 800 mm，并基于目前住宅建筑的采光现状，选出了3种具有代表性的采光形式：单侧窗、封闭阳台、阳光房。不同采光形式的典型房间具体尺寸见表1。

表1 不同采光形式下典型房间与实验笼具尺寸

在将天然光环境下的建筑房间转换为实验笼具时，研究团队认为需要注意到以下几个方面的问题：

(1)实验笼具的尺寸大小。建筑模型缩小尺寸后，当其光物理特性不改变的情况下，模型室内的光环境与真实建筑内的光环境应该一致，但这是建立在人的尺寸也按比例缩小了。由于人眼高度与身高的比例与动物眼高和身高的比例不同，要想实验笼内的光环境真实还原建筑的光环境，必须使动物视野中光环境情况和人眼中的光环境情况相似。此外，饲养笼也需要满足动物的生长空间，保证笼内通风条件良好、便于清洁，以便营造出健康饲养环境。

(2)实验笼具的材料选择。应注意对照建筑房间中材料的光物理特性。当饲养笼放置在室外时，还要注意饲养笼保温、防水等问题。此外，豚鼠为啮齿类动物，实验笼具还要考虑被啃食的问题。

(3)实验时间的选择。动物的眼睛生长周期与人的眼睛生长周期不同，在设计实验时，应该注意将动物的生长年龄与人的生长年龄相对应。

基于上述考虑因素，研究团队通过两个步骤来确定饲养笼尺寸大小。首先应满足豚鼠的生长环境。医学常使用的豚鼠实验笼具尺寸(长×宽×高=440 mm×330 mm×200 mm)，如果将实验笼具按侧窗式典型住宅房间实际长宽高的1∶10缩放，其长×宽×高=450 mm×330 mm×280 mm。在确定基础尺寸后，其次研究的是如何将豚鼠视野中的建筑光环境与人眼中的建筑光环境相匹配。豚鼠眼部所处高度为55 mm(豚鼠眼高35 mm+垫料高20 mm)，人眼高度为1 500 mm，研究团队利用计算机模拟分析，比较典型住宅房间在人眼高度的光环境和笼具内豚鼠眼中的光环境，发现如果将饲养笼完全按照典型建筑的长、宽、高缩放到1∶10比例后，其人眼和鼠眼中的室内光环境差异较大。因此在尽量不改变医学界惯用的饲养条件情况下，即长宽比例不变的情况，分别将实验笼具高度按典型住宅房间实际高度的1∶10—1∶20逐一进行模拟比较实验，模拟结果显示，鼠笼高度与典型住宅房间高度比例为1∶17时，实验笼具内部豚鼠眼中的照度曲线与典型住宅房间人眼中的照度曲线最为吻合，测点的误差率较小，光环境情况最为相似。最终实验笼具尺寸长宽高见表1，室内光环境模拟分析研究见表2。

表2 豚鼠眼中的光环境与典型房间中人眼中的光环境比较分析

在选择实验笼具材料时，实验笼具主要的实体部分使用3 mm塑料板；为防止笼具实体部分有光线透入内部并保持室内温度，笼具的外表面贴黑色保温材料；笼具的内表面贴与房间实际白墙反射率相似的白色墙纸；为了满足实验笼具通风需要，开窗部分选择铁丝网而非透明玻璃。

在实验时间的选择方面，选择1个月大豚鼠，实验周期为3个月，以对应人类的3～15岁。

最后，为了更好地配合豚鼠饲养，研究团队将笼具顶部部分设计为可以完全打开，便于实验员对笼具内进行清洁，并在铁丝网底部加上3 cm的透明玻璃，以防垫料溢出。

医学中饲养豚鼠的笼子尺寸是医学界在长期开展实验的过程中摸索出来的，当将饲养笼改造成为一个典型住宅房间模拟室内光环境时，有许多地方需要注意：

(1)医学中的实验笼具大多并排放置在实验架上，尺寸一般为长×宽×高=440 mm×330 mm×200 mm，一笼可满足饲养6只豚鼠所需的空间，这是医学界长期摸索出来的较为经济且合理的空间尺度，因此在改造实验笼具时应尽量参考医学常用实验笼具尺寸。

(2)豚鼠产生的排泄物会产生不良气味，且会污染笼内环境，因此实验笼具要有通风口，而笼具顶部最好可以完全打开便于实验员清洁。

(3)由于实验笼具在清洗时需要晾晒一段时间，因此在条件允许时，应该为每一个笼具准备一个替换装。

(4)制作实验笼具的材料要足够坚固，防止豚鼠啃食，并在盖子上加上扣锁，以防豚鼠跳跃时将盒盖顶开。

4 结语

建筑光环境对儿童青少年视力发育有着重要的影响，但想要量化研究建筑光环境对儿童青少年视力的影响并不容易，医学界的动物实验可以屏蔽很多近视诱因，规避许多伦理问题，在短时间内研究近视的发生、发展规律和防治近视的机理，值得在做建筑光环境近视研究时借鉴。然而，建筑物理领域的研究与医学领域研究有着许多区别，将动物实验运用到建筑光环境近视研究中时需要注意许多问题。

本文在分析与总结医学界利用动物实验进行近视研究的基础上，探讨将动物实验法运用到建筑光环境研究中的优势。通过研究团队的先导性研究，发现在应用动物实验中需要注意的地方，目前动物饲养实验正在进行，饲养方对饲养笼反应良好。在此需要指出的是，尽管利用动物实验研究建筑光环境对近视的影响有很多优势，但因为动物与人在生理、行为、药代动力学和遗传学方面的差异[34]，光环境对动物与人产生的影响之间也必然存在着一定的差异性，所以将动物实验的研究结果应用到人体上时，还应谨慎考量。