模拟过载对猕猴眼压及视神经的影响

贾 蕤 郭立国 聂 闯 李雨心 宋飞龙 夏丽萍马红磊 任 逸 罗 灵*

(1.解放军医学院, 北京 100853; 2.中国人民解放军战略支援部队特色医学中心, 北京 100101;3.中国航天员科研训练中心, 北京 100094; 4.首都医科大学附属北京朝阳医院, 北京 100020)

1 引言

航天器的返回再入是载人登月任务中的关键过程。 当航天器以第二宇宙速度返回地球时,反推火箭的动力减速和大气层的气动减速会使航天员处于高重力(高G 值)过载环境中,引起机体生理系统机能的改变,全身体液发生重新分布,体液沿着惯性力方向转移,流体静压增加,可导致脑血流量下降和缺氧[1]。 战斗机飞行员突然转变飞行方向时也会承受过载,当过载值较高时,会引起飞行员视野缺陷,周边视力丧失(中心视力仍然存在)等眼部表现[2],甚至导致意识丧失(G-induced Lose of Consciousness,G-LOC)[3]。 眼损伤导致的视力下降会直接降低航天员和飞行员的工作能力,甚至造成失能。 目前,过载对眼压(Intraocular Pressure,IOP)和视神经影响的研究较少,Kim 等[4]研究了10 G 过载暴露4 h 对小鼠眼压的影响,发现暴露于过载环境会导致眼压降低。 因此,了解航天返回阶段过载环境对眼压的影响对保障航天员避免眼损伤有重要意义。

目前跳跃式再入轨道返回模式可减小月地返回航天员受到的过载峰值。 美国阿波罗组号返回舱进入大气层后在大气层内弹跳;嫦娥5 号返回器在第一次进入大气层后穿出,然后二次进入大气层。 在神舟飞船返回舱内航天员为卧姿状态,卧姿座椅背角为20°,航天员腿部蜷曲,双脚收于脚踏上。 在阿波罗号航天器内航天员为躺姿状态,躺姿座椅背角为0°,航天员腿部垂直,双脚收于脚踏上[5]。 航天器返回时,过载曲线和航天员姿势不同,对航天员的身体机能影响也不同。 本文对猕猴进行模拟过载实验, 旨在研究模拟嫦娥号和阿波罗号过载曲线下航天员不同姿势对于眼压和视神经的影响。

2 方法

2.1 实验动物与分组

雄性猕猴12 只,购自北京中科灵瑞生物技术有限公司,年龄4～8 岁,体重7～11 kg,体长80～100 cm,健康、无人畜共患病,不携带B 病毒和结核杆菌等致病因子。 猕猴在常规饲养期间,保持室内温度25 ℃左右及良好的湿度和通风条件,定时投放食物和水,每组喂养条件相同。 该实验通过了中国航天员科研训练中心伦理委员会审核批准。

按照实验过载暴露曲线不同,12 只猕猴随机分为2 组:卧姿的嫦娥组(A 组)和躺姿的阿波罗组(B 组),每组6 只猕猴。

2.2 药品与试剂

主要药品与试剂:肌肉注射氯胺酮(按体重10 mg/kg 给药),复方托品酰胺滴眼液(北京双鹤现代医药技术公司),眼球固定液(北京天悦东方基因技术有限公司),二甲苯(国药集团化学试剂有限公司),苏木素染液(北京中杉金桥生物技术有限公司),伊红染液(北京中杉金桥生物技术有限公司)。

2.3 实验设备

采用中国航天员科研训练中心自行研发的数控动物离心机,由机械系统和电子控制系统等部分构成,可使离心机输出过载指标与试验设计过载环境保持较好的一致性;iCare 手持式回弹眼压计(芬兰iCare 公司),测量范围7～50 mmHg,显示范围0～99 mmHg,可测量动物眼压;超声生物显微镜检查UBM(Ultrasound Biomicroscopy,天津市索维电子技术有限公司),可观察眼前节组织结构的细微改变。

2.4 造模及处理

模拟试验A 组,以嫦娥号再入过载曲线[6]为输入曲线,猕猴前倾20°以模拟卧姿坐于离心机长臂上;模拟试验B 组,以阿波罗号再入过载曲线[6]为输入曲线,猕猴模拟躺姿垂直坐于离心机长臂上。 猕猴模拟姿态及再入过载曲线如图1 所示,A 组过载曲线Gz轴为G总·sin20°,Gx轴为G总·cos20°;B 组Gz轴为0,Gx轴为G总。 根据以往猕猴高过载试验结果推测,在最大峰值15 G 以上时会出现重要脏器损伤。 因此,本实验分别模拟嫦娥号和阿波罗号载入过载曲线,等比放大后过载最大峰值分别为+13 G 和+15 G。 13 G 过载暴露后,停留24 h 后,再进行15 G 过载暴露。

图1 过载曲线及过载姿势Fig.1 Hypergravity curve and hypergravity position

2.5 眼部观察

猕猴麻醉后,分别于散瞳后使用iCare 手持式回弹眼压计测量13 G 过载前(基线)、13 G 过载后、15 G 过载前、15 G 过载后猕猴眼压,均由同一实验人员实施,眼压测量6 次后记录平均值。

2.6 离体UBM

猕猴麻醉后处死,立即取眼球,保留视神经,将新鲜的眼球及视神经放入眼球固定液中。 固定24 h 后,将离体眼球放入装有无菌注射用水的眼杯中,UBM 探头垂直于角膜缘观察猕猴眼球前房结构。

2.7 苏木素-伊红染色

固定24 h 后,取出眼球,小心分离出小梁网、视神经及视盘,脱水,包埋在石蜡中,沿视神经横切面进行切片,再进行苏木素-伊红染色(Hematoxylin-eosin staining,HE),脱水,透明,封片;在倒置相差显微镜下观察。

2.8 统计学分析

采用SPSS 26.0 软件进行统计学分析,对2组猕猴双眼眼压进行重复测量方差分析,结果以平均数±标准差(¯x±s)表示。 对2 组猕猴眼压降低幅度进行单因素ANOVA 方差分析。P＜ 0.05认为差异具有统计学意义。

3 结果

3.1 眼压

过载前后猕猴眼压变化如图2(a)所示,B 组1 只猕猴眼压异常升高,剔除该猕猴眼压数值。 A组、B 组基线眼压无统计学差异,15 G 过载前眼压与基线水平无统计学差异。

图2 A、B 组过载前后眼压变化对比Fig.2 Changes in IOP before and after hypergravity in group A and group B

A 组13 G 过载后,与基线相比眼压降低,眼压均 值(8.92 ± 1.83)mmHg,较 基 线(12.08 ±2.02) mmHg 降 低(3.17 ± 1.64) mmHg (P=0.000);15 G 过载后,眼压均值(8.00±0.95)mm-Hg,较基线(12.08±2.02)mmHg 降低(4.08±1.83)mmHg(P=0.000)。

B 组13 G 过载后,与基线相比眼压降低,眼压均 值(9.60 ± 1.04) mmHg, 较 基 线(10.60 ±0.97)mmHg 降低(1.50±1.43)mmHg(P=0.027);15 G 过载后,眼压均值(9.60±1.58)mmHg,较基线(10.60±0.97)mmHg 降低(2.00±0.71)mmHg(P=0.019)。

过载后眼压降低幅度变化如图2(b)所示。13 G 过载后 A 组眼压降低幅度(3.17 ±1.64)mmHg 大于B 组眼压降低幅度(1.50±1.43)mmHg(P=0.021),15 G 过载后A 组眼压降低幅度(4.08±1.83)mmHg 大于B 组眼压降低幅度(2.00±0.71)mmHg(P=0.005)。 过载后眼压均降低,对眼压的影响B 组小于A 组。

3.2 高眼压

B 组有1 只猕猴(双眼)在+15 G 过载后出现眼压异常升高(右眼46 mmHg/左眼58 mmHg ),并出现了睫状充血等急性高眼压症状,10 min 后再次测量右眼眼压恢复至17 mmHg,左眼眼压恢复至15 mmHg。

3.2.1 眼部表现

眼压异常升高猕猴眼部表现如图3 所示。15 G 过载后眼压异常升高猕猴结膜睫状充血、水肿,瞳孔无明显变化。

图3 15 G 过载暴露后眼压异常猕猴眼部表现Fig.3 Ocular manifestation of macaques with abnormal elevation of IOP after 15 G hypergravity

3.2.2 离体UBM

离体眼球进行UBM 检查如图4。 异常眼压猕猴与15 G 过载处理后眼压未升高猕猴相比,未发现房角狭窄,虹膜膨隆等异常。

图4 过载暴露后眼压异常猕猴与眼压未升高猕猴离体UBM 房角结构Fig.4 Angle structure of macaques after hypergravity with and without elevated IOP by UBM

3.2.3 小梁网HE 染色

小梁网HE 染色如图5 所示。 异常眼压猕猴与15 G 过载处理后眼压未升高猕猴相比,未发现小梁网组织排列紊乱等异常。

图5 过载暴露后眼压异常猕猴与眼压未升高猕猴小梁网Fig.5 The macaque TM with and without elevated IOP in HE staining after 15 G hypergravity

3.2.4 视神经及视网膜脉络膜HE 染色

过载后猕猴视神经HE 染色如图6 所示,15 G 过载处理后异常眼压猕猴与眼压未升高猕猴相比,未发现炎性细胞增多、空泡样细胞、视网膜神经节细胞减少等异常。

图6 过载暴露后眼压异常猕猴与眼压未升高猕猴视神经及视网膜脉络膜HE 染色Fig.6 The macaque ON, retina and choroid with and without elevated IOP in HE staining after 15 G hypergravity

4 讨论

2 组猕猴13 G 及15 G 过载后眼压均值下降且差异具有统计学意义,说明过载的峰值、曲线及过载姿势对眼压均有影响,躺姿对眼压的影响小于卧姿。

影响眼压的主要因素是睫状体房水生成与通过小梁网和Schlemm 管以及葡萄膜巩膜流出途径的排出之间的动态平衡[7]。 Russomano 等[3]通过离心机和心血管系统模型模拟1.5 G 和7.0 G 过载下心血管系统变化,观察到当Gz力增加时,血液逐渐向毛细管系统末端移动。 同时,Konishi等[1]经离心机使受试者暴露于1.5 G 过载下,经颅多普勒超声监测(Transcranial Doppler,TCD)发现大脑中动脉血流量显著降低。

影响血液重新分布的主要因素是过载时长和过载时姿势。 当加速度时间超过0.5 s 时,就会对血液和器官系统功能产生影响。 持续性加速度通常是指作用时间超过1 s,甚至持续更长时间的加速度[8],航天员经历的超重过载持续时间一般在数十秒至数分钟之间。 过载的作用方向、数值大小、持续时间以及变化速率是描述航天员所承受的超重载荷的主要参数[9]。 持续时间和峰值与航天器返回时的再入角和航天器本身的动力状态有关。 人体大血管沿身体纵轴分布,因此,Gz轴对血流分布影响最大。 A 组卧姿头盆向过载分量为G总·sin20°,B 组躺姿头盆向过载分量为0,因此A 组猕猴血流分布更易受到过载影响。 过载会导致血流重新分布,脑部血流量减少,进而引起眼部变化[10]。

超重与失重相反,以往失重研究报道较多,而超重研究少有报道,通过失重研究可以不同程度推测超重的生理变化。 在失重状态下,尾吊大鼠微重力模型引起眼压增高[11];空间站的航天员在微重力下眼压升高[12-14];推测失重时液体向头部移动导致巩膜静脉压增高,房水流出阻力增加[12-14];微重力下颅内压增高,导致睫状体增生,房水分泌增加,最终导致眼压升高[15-16]。 因此,推测过载导致头部血流减少[1,3],导致颅内压降低,巩膜静脉压降低,房水流出更加通畅,继而导致眼压下降;脉络膜血流减少,睫状体房水生成减少,这均会导致眼压降低。

本文研究发现,B 组1 只猕猴眼压异常升高,右眼眼压高达46 mmHg,左眼眼压高达58 mm-Hg,10 min 后再次测量右眼眼压恢复到17 mmHg,左眼眼压恢复到15 mmHg。 但离体UBM 并未发现猕猴房角狭窄,虹膜膨隆等异常。对小梁网进行HE 染色后未发现小梁网排列紊乱等异常。 眼压异常升高原因:①超重过程中房角急性关闭甚至一过性睫状环阻滞。 但因其为一过性,处死后取眼球行离体眼球UBM 检测与活体有一定差异,并不能完全代表当时情况;②测量误差,虽经不同实验人员进行测量但这种情况也不能完全排除。 本文实验猕猴眼压升高的原因还需进一步研究。

本文研究未发现视神经大体形态的异常。 视神经组织处于眼内腔和颅内腔之间,眼压与颅压之间的压力差跨过筛板,沿视神经形成压力梯度,为跨筛板压力差[17]。 既往研究表明,与跨角膜压力差相比,跨筛板压力差对压力相关引起的视神经病理改变更为重要[18],视网膜血供减少会造成视神经损伤[19]。 由于过载跨筛板压力差发生变化,并且过载导致视网膜血供减少,但猕猴视神经及视网膜HE 染色并未发现筛板变薄、视网膜神经节细胞丢失、视神经排列紊乱等异常表现,推测可能短时间的过载并不会对猕猴视神经结构功能上造成不可逆的损伤。

本文实验也存在局限性,过载峰值时的眼压无法实时测得,只能通过离心机停止旋转时的眼压来模拟。 虽然已经尽可能减少此时间差,但仍会产生一定的误差,后续模拟实验可采用眼内植入探头实时监测眼压;尽管HE 染色未发现明显异常,但短暂的损伤细胞器变化会早于细胞形态,电镜下也许会有超微结构的改变。

5 结论

1) 不同曲线下及不同姿势模拟航天过载对眼压产生一定的影响,13 G、15 G 过载暴露后猕猴眼压均显著性下降,躺姿对眼压的影响小于卧姿;

2)躺姿组有1 只猕猴双眼出现眼压异常升高伴睫状充血等急性高眼压症状,离体UBM 未观察到其前房变浅及房角狭窄等异常,HE 染色未发现小梁网、视神经异常,异常原因有待进一步研究;

3)从对眼压和视神经形态的影响角度,模拟阿波罗号的影响可能小于模拟嫦娥号。