Ⅱ型減壓病家兔脊髓神經超微結構的變化研究

耿 明，王翠翠，高光凱，毛蕊琪，曹永成，劉曉紅

·論著·

Ⅱ型減壓病家兔脊髓神經超微結構的變化研究

耿 明，王翠翠，高光凱，毛蕊琪，曹永成，劉曉紅

目的 電鏡觀察Ⅱ型減壓病家兔脊髓神經軸突的超微結構改變，探討減壓病所致脊髓損傷的機制。方法 將15只新西蘭大耳白家兔按數字表法隨機分為3組:減壓病組、安全減壓組和正常對照組，每組5只。減壓病組行快速減壓制作減壓病動物模型，安全減壓組采用安全減壓，正常對照組行常壓空氣暴露，各組動物出艙后30 min內處死，取脊髓組織進行超微結構觀察。結果 減壓病組神經細胞水腫，細胞內線粒體輕度腫脹，游離核糖體聚集;軸突水腫，髓鞘松解、褶曲，部分剝離，軸突內線粒體腫脹，微管排列紊亂，并見許多大小不等的空泡形成。安全減壓組神經細胞和軸突輕度水腫，胞質和軸索內可見小空泡形成，髓鞘板層結構松散。正常對照組脊髓組織超微結構未見明顯改變。結論 神經纖維水腫、軸突脫髓鞘為Ⅱ型減壓病家兔脊髓損傷的基本病變，脊髓血管內氣泡及“原位氣泡”可能同為導致脊髓損傷的直接原因。

Ⅱ型減壓病;脊髓;神經軸突;透射電鏡

減壓病(decompression sickness，DCS)是潛水、航空和航天人員的常見職業病，由于機體外部壓力下降過快，導致體內組織中溶解的惰性氣體快速溢出，形成氣泡在體內游離，引起一系列的病理生理改變，可對機體各個臟器產生影響，造成身體機能的嚴重障礙引發休克或死亡［1］，嚴重威脅潛水和航空人員安全。Ⅱ型DCS主要是因為氣體氣泡充塞于人體的呼吸系統、循環系統或神經系統，造成身體機能的嚴重障礙，主要癥狀有頭昏、耳鳴、暈眩、視覺模糊、四肢協調障礙等，嚴重者可引起休克、死亡［2-3］。DSC導致的脊髓損傷已有較多研究，筆者前期通過建立Ⅱ型DSC家兔模型，觀察了DSC所致脊髓損傷的組織病理學改變，旨在了解脊髓特別是神經軸突的超微結構變化，進一步探討脊髓損傷與臨床癥狀的內在關系。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及分組 健康雄性新西蘭大耳白家兔15只，體質量2.0～2.5 kg，購自山東魯抗集團動物中心(合格證號SCXK，魯20100005)，按數字表法隨機分為DCS組、安全減壓組和正常對照組，每組5只。實驗前，家兔飼養1周以上以適應環境。環境條件:普通清潔級，室溫23～25℃，濕度50.0% ～56.0%，光照時間6:00-18:00。

1.2 DSC動物模型制備及各組處理方法 DCS組按照高光凱等［4］報道的方法制備家兔Ⅱ型DCS模型:動物置于加壓艙內，5 min空氣加壓至800 kPa (絕對壓)，停留60 min，3～5 min快速減至常壓后出艙。安全減壓組加壓方法與DCS組一致，但參照海軍潛水安全減壓方案減到常壓［5］。正常對照組置于加壓艙內，常壓空氣暴露，持續通風，暴露60 min結束后出艙。觀察各組動物出艙后的行為學表現，出艙后30 min內處死并采集標本。

1.3 標本采集和超微結構觀察 各組動物出艙后30 min內，用10 mg/kg鹽酸氯胺酮和氟哌利多溶液肌肉注射麻醉、處死，取胸腰段脊髓組織，制作成0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm大小的電鏡標本，迅速入2.5%戊二醛預固定，1%鋨酸后固定，EPON812包埋，徠卡超薄切片機切片，切片厚度60～70 nm，醋酸雙氧鈾和枸櫞酸鉛雙重電子染色，用JEOL-1400型電子透射電鏡觀察超微結構并拍照。

2 結果

2.1 行為學表現 DCS組快速減壓出艙后，5只家兔均出現不同程度的DCS癥狀，主要表現為瘙癢、呼吸頻快、躁動不安等，并表現單側或雙側下肢活動障礙，其中2只病情嚴重，分別于出艙后30、43 min死亡;安全減壓組活動正常，未見明顯DCS癥狀;正常對照組活動正常。

2.2 解剖結果 DCS組脊髓呈灰白色，剖開可見較多出血點和淤血，質軟;正常對照組脊髓呈灰白色，質地柔軟;安全減壓組基本同正常對照組。

2.3 超微結構觀察結果 見圖1。正常對照組軸索被髓鞘包繞，髓鞘呈及其規則的同心圓狀排列，神經細胞內細胞器結構正常(圖1A);安全減壓組軸索被髓鞘包繞，髓鞘呈同心圓狀排列，偶見部分區域松懈、分離(圖1B);神經細胞內個別線粒體和內質網輕度腫脹，偶可見多泡體結構。DCS組病變較輕部位可見軸索與髓鞘板層最內層部分分離，髓鞘扭曲、折疊、皺起;軸突內線粒體輕度腫脹，滑面內質網和微管輕度擴張。病變較重部位可見軸突萎縮，失去與髓鞘的正常比例;線粒體腫脹，髓鞘板層結構大部分松懈扭曲、折疊甚至斷裂崩解(圖1C、D);嚴重者可見脫髓鞘改變，線粒體高度腫脹，擴張的微管和滑面內質網深入軸索內與神經絲形成蜂窩狀結構(圖1E);神經細胞胞質透明，部分細胞內可見核周體為空泡形式，線粒體輕度腫脹，核糖體減少、聚集(圖1F)。

圖1 各組兔胸腰段脊髓超微結構圖

3 討論

3.1 Ⅱ型DCS家兔脊髓神經軸突改變特點 DCS是一類在特定環境下發生的疾病，脊髓損傷為急性DCS的主要特征之一。本研究顯示，透射電鏡下可見Ⅱ型DCS家兔脊髓的損傷主要在神經軸突，包繞軸突的髓鞘板層輕者松解扭曲，重者折疊起皺，嚴重部位可見髓鞘崩解;軸索水腫變性，失去與髓鞘的正常比例，出現脫髓鞘現象，軸索內線粒體、微管和滑面內質網等腫脹，神經細胞損傷主要表現為細胞腫脹和線粒體、滑面內質網擴張，游離核糖體部分聚集。這與Francis等［6］對DCS狗模型的觀察結果基本吻合。本研究發現Ⅱ型DCS家兔的中樞神經系統改變最嚴重表現為軸突的脫髓鞘改變。

筆者的前期的研究發現，DCS家兔脊髓脊膜血管擴張，少數有充血，大多數為單純性的擴張，脊髓白質及灰質內血管擴張，推斷血管內曾有氣泡的產生，氣泡體積逐漸增大或氣泡被運送到直徑較小的血管時使血管擴張，氣泡直接或間接作用于血管內皮細胞，引發一系列損傷反應。還觀察到在脊髓白質也出現了大量的氣泡(原位氣泡)。因此推斷，由于脊髓白質的脂肪含量很高，當快速減壓時，飽和的惰性氣體從溶解狀態逐漸溢出，形成氣泡并增大，使神經纖維受到直接機械性損傷或啟動級聯反應。而脊髓灰質區氣泡不明顯，神經細胞受損較輕。

脊髓神經屬于混合性神經，包括軀體傳入、傳出神經纖維和內臟傳入、傳出神經纖維。因此，脊髓神經纖維的損傷極易導致所支配范圍軀體和內臟的感覺和運動等功能障礙。本實驗中，Ⅱ型DCS家兔的主要癥狀表現為瘙癢、呼吸頻快、躁動不安等，并出現單側或雙側下肢活動障礙，這些表現均與脊神經受損有關，

3.2 Ⅱ型減壓病脊髓損傷的機制 對于DCS脊髓損傷的機制，有觀點認為是因為氣泡在動脈系統形成栓子，栓塞血管，隨后造成毛細血管和前毛細血管的阻塞，組織缺血，使軸索受到損傷［7］;也有人提出當減壓非常迅速、劇烈時，靜脈系統內產生的大量氣體栓子，超過了肺毛細血管的濾過能力，所以氣泡進入體循環血管內，氣泡激活了機體補體系統，產生趨化因子及血管活性因子使得白細胞黏附性增強、血管通透性增高，直接或間接激活炎癥反應，導致局部組織供血不足受損［8］。動物腦及脊髓組織病理學檢查結果表明，脊髓白質有大量血管周圍的出血，而灰質中并不多見，也表明在造成脊髓損傷的DCS中出現了椎靜脈的梗塞，椎靜脈回流受阻。

Ozdoba等［9］認為DCS所致脊髓損傷是由于組織內“原位氣泡”形成造成的，他們在實驗中發現，因DCS致癱瘓的狗的脊髓中有小氣泡出現。Francis等人［6，10］的研究發現，在DCS的脊髓白質中有大量空泡區域，電鏡下這些區域顯示出非常有趣的特征: (1)這些區域都位于血管外、髓磷脂內，尤其是大的軸突的髓磷脂;(2)低倍鏡下觀察，周圍組織明顯被擠壓;(3)許多較大的病變區域含有髓磷脂樣物及受壓的軸突。他們均認為存在“原位氣泡”直接導致機械性損傷的可能。

上述理論可部分解釋DCS所致脊髓損傷的發生，但是不能完全、徹底解釋DCS的各種表現。筆者在光鏡下觀察到，Ⅱ型DSC家兔的脊膜、脊髓白質和灰質血管內均有大量擴張的血管和空泡區，表明快速減壓過程中產生了血管內氣泡;同時觀察到在脊髓白質內也出現了大量氣泡［11-12］。根據電鏡下脊髓神經改變特點，結合家兔癥狀綜合分析，筆者推斷脊髓血管內氣泡和血管外氣泡即“原位氣泡”，兩者均對脊髓造成損傷，同為造成神經軸突受損的直接原因;而脊髓白質出血水腫、神經纖維脫髓鞘等，可能為Ⅱ型DCS家兔脊髓損傷后超微結構改變的基礎。

［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］ 高光凱，吳鏑，石永亮，等.快速減壓對家兔脊髓組織學的影響［J］.中華航海醫學與高氣壓醫學雜志，2006，13(5): 257-258.

［5］ 陶恒沂，張輝.潛水減壓病的防治［M］.上海:第二軍醫大學出版社，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］王巖，李學文，姜艷，等.脊髓減壓病52例臨床特征及其預后分析［J］.中華航海醫學與高氣壓醫學雜志，2012，19(4):238.

［12］高光凱，謝立旗.二例脊髓型減壓病表現分析［J］.中華航海醫學與高氣壓醫學雜志，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)

(本文編輯:施 莼)

全軍醫學科研“十二五”面上項目資助課題(CWS11J241)

250031 濟南，濟南軍區總醫院病理科(耿明、王翠翠、毛蕊琪、曹永成、劉曉紅);解放軍第四○一醫院高壓氧科(高光凱)

劉曉紅，電子信箱:liuxh333@126.com