原發肺沖擊傷病理生理學變化的實驗研究＊

李懷東，張兆瑞，陳良安

在軍事戰爭中炸藥、炸彈以及平時鍋爐、液化氣罐等爆炸時都可產生沖擊波超壓直接作用于機體造成的損傷，稱為原發沖擊傷或爆震傷（primary blast injury，BI）［1］。 肺臟因其空腔充氣的特殊結構特點成為沖擊傷中首當其沖的靶器官［2］。因此，原發肺沖擊傷（primary blast lung injury，BLI）是其最有特征的沖擊傷［3］，在單純創傷或創傷復合傷中發生率很高［2］，是導致急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）的重要病因。當前世界局部戰爭沖突頻仍、恐怖襲擊爆炸頻發，軍事醫學對肺沖擊傷的診治與防護日趨關注。該實驗采用小型沖擊波發生器致傷犬，建立原發肺沖擊傷犬動物模型，觀察BLI犬氧合、血流動力學、肺組織形態學的變化，以期為肺沖擊傷診治提供較深入的基礎研究。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 材料及儀器 小型沖擊波發生器（北京理工大學爆炸科學與技術重點實驗室）；PB7200呼吸機（美 國 Puritan-Bennett 公 司 ）；RADUOMETER ABL800血氣分析儀 （丹麥雷度公司）；PiCCO動脈導管及PiCCOplus容量監測儀 （德國PULSION公司）；低溫離心機（德國Eppendorf公司）；光學顯微鏡（日本尼康公司）；全氟辛烷（上海華捷視醫療設備有限公司）。

1.1.2 實驗動物 經解放軍總醫院倫理委員會（解放軍總醫院福利倫理審查批號：2012-D6-06）審核通過，該實驗采用8~15月齡健康雜種犬18只（購自北京綠源偉業養殖場），雌雄不限，體重9.0~12.0 kg，平均（10.84±1.60）kg，由解放軍總醫院動物實驗中心（實驗動物使用許可證號：SYXK（軍）2012-0062）室溫飼養3 d。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗分組 采用隨機數字表法隨機分為2組，每組9只。實驗前對實驗犬禁食24 h，禁水2 h。兩組都通過頸部動靜脈分別置入PiCCO動脈導管及中心靜脈導管，連接PiCCO監測儀，觀察7 h。對照組（C組）：不予沖擊波致傷；單純肺沖擊傷組（B組）：給予激波管［（5±0.3） kPa，15 mm］致傷實驗犬。

1.2.2 動物模型的制備 犬稱重后選取四肢淺靜脈注射3%戊巴比妥鈉（25～30 mg/kg）麻醉后綁縛四肢取仰臥位于手術臺上固定。于右頸外靜脈置入中心靜脈導管，于左頸動脈置入動脈熱稀釋導管（PiCCO 導管）。

1.2.3 原發肺沖擊傷模型的制備 采用北京理工大學爆炸科學與技術重點實驗室研制的小型沖擊波發生器。實驗時將實驗犬移至與激波管管口同水平的實驗臺處，實驗犬右側臥位固定于實驗臺上，胸骨正中正對激波管管口（剃除胸毛），二者之間的距離為15 mm。打開壓縮空氣瓶壓力閥開關，達到指定壓力時松開激波管撞針，壓縮空氣形成沖擊波擊中實驗犬胸骨正中位置。實驗犬出現呼吸抑制、全身抽搐等表現（約5~10 s）。隨后實驗犬移到手術臺上并仰臥位固定四肢。連接PiCCO容量監測儀。整個實驗過程中持續給予靜脈推注戊巴比妥鈉維持麻醉（約0.2 mg/kg·h）。觀察7 h后，實驗犬給予10%氯化鉀1 g靜脈推注處死后立即剖胸觀察肺臟的大體病理改變，并留取肺組織標本。

1.2.4 標本采集 PiCCO容量監測儀連接后［標記為 BL（Baseline）］，致傷后 30 min［標記為 BI（Blast Injury）］，此后每隔1 h監測1次（分別標記為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、7 h）。 記錄氧分壓（PaO2）、血管外肺水指數（ELWI）、肺血管通透性指數（PVPI）。 將各組樣本組織按照文獻［4］處理，光學顯微鏡觀察并顯微照相。每張病理切片按照文獻標準進行評分［4］。肺含水量（RLW）=［肺葉濕重（g）/肺葉干重（g）］×100%、肺濕干重比（W/D）=［肺葉濕重（g）-肺葉干重（g）］/肺葉濕重（g）］×100%、肺通透指數（LPI）=［肺泡灌洗液上清液蛋白含量（μg）/血清蛋白含量（μg）］×100%。實驗結束處死實驗犬后立即開胸解剖。于該側致傷之肺葉取100~200 g肺組織，置于錫紙上用電子天平稱濕重，置入80℃烘箱內烘72 h達恒重量時取出稱干重。于致傷肺葉瘀斑邊緣取大約1.5 cm×1.5 cm×0.5 cm肺組織1塊，鹽水浸洗，經10%中性福爾馬林固定，留取待光鏡觀察肺組織損傷情況。在該側肺葉同一部位眼科剪剪取 0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm肺組織2塊，切成2 mm3大小若干塊，鹽水浸洗，4%戊二醛固定后留取待電鏡觀察。

1.3 統計學分析 運用SPSS 17.0計算機統計分析軟件處理實驗數據，同一實驗點每兩組比較應用t檢驗。P<0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 肺含水量（RLW）、肺濕干重比（W/D）和肺通透指數（LPI）的變化 與C組比較，B組肺組織RLW、W/D、LPI明顯升高（P<0.05）。 見表 1。

表1 各組肺含水量（RLW）、肺濕干重比（W/D）和肺通透指數（LPI）的變化

2.2 血氣分析 沖擊波致傷犬后，氧合指數（氧分壓/吸氧濃度，PaO2/FiO2）迅速下降至300 mmHg以下，之后持續下降，觀察期內各時間點氧合指數明顯低于C組（P<0.05）。見圖1。

圖1 沖擊波致傷犬氧合指數的變化

2.3 血流動力學指標 沖擊波致傷犬后，血管外肺水指數（ELWI）較致傷前明顯升高，在觀察2時間點后趨向平緩，各時間點明顯高于C組 （P<0.05）（圖 2）。同樣，肺血管通透性指數（PVPI）較致傷前明顯升高，在觀察2時間點后達最高峰，之后下降，各時間點明顯高于 C 組（P<0.05）（圖 3）。

圖2 沖擊波致傷犬ELWI的變化

圖3 沖擊波致傷犬PVPI的變化

2.4 各組肺組織病理表現 光鏡下可見C組各級支氣管、肺泡管和肺泡，支氣管周圍間質有肺動脈、肺靜脈、淋巴組織和疏松結締組織（圖4）；可見B組肺泡結構破壞，肺萎陷彌漫性分布整個視野，部分肺泡壁緊密排列，肺泡呈裂隙狀，兩端呈銳角，肺泡內充滿炎性細胞（圖5）。

電鏡下可見C組氣血屏障結構清晰，毛細血管充盈狀（圖6）。B組可見以上皮細胞腫脹，空泡變為主，Ⅱ型上皮細胞器明顯減少，板層小體特征性結構消失排空，Ⅰ型上皮表面絨毛消失，有時可見炎癥細胞浸潤和出血，并可見脫落入肺泡腔內（圖7）。（N：細胞核；*：胞質空泡；R：紅細胞；I：I型上皮；O：細胞間連接；Cap：肺毛細血管腔；箭頭：板層小體）。

圖4 C組肺組織病理變化光鏡觀察

圖5 B組肺組織病理變化光鏡觀察

圖7 B組肺組織病理變化的電鏡觀察（×8000）

3 討論

近幾十年來，全球范圍局部地區摩擦頻發，而恐怖襲擊、液化氣及煤礦瓦斯爆炸等生活突發事件不斷發生［5，6］，使得沖擊傷已成為軍事醫學、急救醫學和災害醫學的研究關注點。其中胸部爆震傷傷情復雜，致傷致殘率高，是戰創傷救治的重點和難點［7］。為有效早期干預和治療沖擊傷，建立并使用穩定可靠的沖擊傷動物模型是研究沖擊傷的基礎和前提。自第一次世界大戰以來至今，國內外對沖擊傷的研究方興未艾。20世紀70年代以來，國內軍事醫學部門通過從基礎及實驗研究［8-10］，到結合對越自衛反擊戰等戰傷調研，獲得了肺沖擊傷的病理生理機制和生物力學等機制的深刻認識［11］。目前國內外沖擊傷實驗多采用沖擊波發生器致傷的方法。沖擊波致傷模擬實驗是使用特制的裝置將壓縮氣體釋放產生沖擊波致傷動物造模，模擬較簡單，致傷條件易控。國內以第三軍醫大學野戰外科研究所研制的大、中、小型系列生物激波管為代表［12］。

該實驗使用北京理工大學爆炸科學與技術重點實驗室研制的小型沖擊波發生器。在預實驗中，參考文獻［13-15］及對犬致傷后的肺臟解剖大體病理觀察，在小型沖擊波發生器參數設定為充氣壓力50 kg（5000kPa），距離 15mm，輸出壓力為 3.0kg（300kPa），正壓力持續時間約10 ms時，沖擊傷犬肺組織出現不同程度的充血、水腫、出血斑或破裂，沖擊波致傷肺葉表面可見局限的點狀、塊狀、灶狀出血，依據肺出血程度符合輕、中度肺沖擊傷［16］。該沖擊波發生器能模擬產生沖擊波，具有參數量化，可控性強，重復性好等優點，通過預實驗表明該儀器產生的致傷源符合沖擊波的特征。該研究選用沖擊波致雜種犬肺沖擊傷的大體病理、光鏡和電鏡病理與其他研究［13-15］相似，符合肺沖擊傷的病理改變特點，顯示該小型沖擊波發生器致傷雜種犬胸部能產生理想的肺沖擊傷模型。

該實驗結果顯示，犬肺沖擊傷模型建立后較正常對照組氧合指數迅速下降并持續降低，提示氧氣在肺組織內交換障礙。反映急性肺水腫的指標肺含水量、肺通透指數、肺W/D值［17］顯著增高，提示沖擊傷后出現嚴重的肺組織水腫。BLI模型建立后，肺組織病理出現肺出血、肺水腫；肺泡結構破壞，肺萎陷彌漫性分布，肺泡內充滿炎細胞；Ⅰ型、Ⅱ型上皮腫脹，胞漿內大量空泡，線粒體嵴斷裂，板層小體排空等改變。符合肺沖擊傷的病理改變［18］。B組ELWI、PVPI明顯升高，證實肺沖擊傷肺水腫是炎癥反應和毛細血管滲漏導致。綜上所述，該實驗采用小型沖擊波發生器成功建立了肺沖擊傷動物模型，為肺沖擊傷實驗研究（肺沖擊傷評估生物標志物的發掘和驗證、沖擊傷致傷預警參數的捕獲）提供了一個理想實用的研究平臺，為應對未來局部軍事戰爭沖突、恐怖襲擊風險中沖擊波致傷研究奠定實驗基礎［11］。