熱射病動物模型的研究進展

劉 琴 陳 芳 朱以良 喻 晶 楊麗君 張 宜

(中部戰區總醫院醫療保障中心實驗動物室,武漢 430070)

熱射病(heat stroke, HS)即重癥中暑,是由于暴露在高溫高濕環境中機體體溫調節功能失衡,產熱大于散熱,導致核心溫度(core temperature, Tc)迅速升高,超過40 ℃,伴有皮膚灼熱、意識障礙(如譫妄、驚厥、昏迷)及多器官功能障礙的嚴重急性熱致疾病,是中暑最嚴重的類型[1-3]。HS根據勞力型因素的有無,可分為經典型熱射病/居民型熱射病(classic heat stroke, CHS)和勞力型熱射病(exertional heat stroke, EHS)[3]。隨著全球氣候變暖,熱浪襲擊強度和頻率的增加,HS的發病率和死亡率呈逐年上升的趨勢,已成為深受關注的社會公共衛生應急突發事件之一。目前HS發病機制尚不完全清楚,也無理想的預防與治療藥物,給HS的預防與治療帶來很大的困難。由于倫理學的限制,HS動物模型常用于HS的發病機制研究。本文從實驗動物種類與性別的選擇、Tc和血壓監測、HS成模標準、HS動物模型制作方法等幾個方面進行了綜述,為相關人員進一步研究HS動物模型提供幫助。

1 實驗動物種類與性別的選擇

猴子[4]、狒狒[5-6]、豬[7]、犬[8]、羊[9-10]、兔[11]、大鼠[12]、小鼠[13]均被用作HS相關研究的實驗動物。考慮到經濟性、可靠性和實用性,大小鼠成為制作HS動物模型最常用的實驗動物。在性別選擇方面,由于雌激素可以通過改善炎性反應和心血管功能障礙來提高動物患HS期間的存活率[14],豬[7]、犬[8]、羊[9-10]、大鼠[12]、小鼠[13]一般選用雄性,猴子[4]、狒狒[5-6]、新西蘭兔[11]雌雄均有。

2 Tc和血壓監測

造模時,實驗動物的Tc多以直腸溫度代替,可用生理記錄儀監測直腸溫度。血壓的監測方法主要為無創血壓監測和有創血壓監測兩種方法,兩種方法各有優缺點。無創血壓監測便于觀察實驗動物患HS前后的活動狀態和認知功能,還能夠克服個體差異對熱應激反應的不同;缺點是屬于間接測血壓,準確度欠高。有創血壓監測能夠較準確地監測實驗動物的血壓,但是麻醉后無法觀察實驗動物在患HS前后的活動狀態,包括認知功能[15]。且有創血壓監測方法需使用的麻醉藥可能對實驗動物的心肌、胃腸動力等方面有一定的影響,從而干擾HS對實驗動物心肌以及胃腸動力影響等方面的研究[16-18]。目前,植入式遙測技術已應用于HS大鼠模型制作過程中大鼠Tc、血壓、心率的監測,此法可以完整記錄熱應激下大鼠Tc、血壓、心率等生理參數變化過程,但是手術總體成功率較低,約40%[19]。

3 HS成模標準

參照動物熱射病診斷標準,Tc、平均動脈壓(mean arterial pressure, MAP)或動脈收縮壓(systolic blood pressure, SBP)的動態變化是評價HS動物模型發生、發展以及嚴重程度的主要指標。從已有研究來看,不同種實驗動物HS成模標準存在一些差異,主要表現在對Tc的要求。狒狒經環境熱應激后Tc 達42.5℃,標志著中度中暑的發生;Tc 達43℃、SBP降至<90 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa),被認為是HS全身癥狀的發作[5-6]。實驗動物豬符合以下3點即可診斷為HS:①自主行為顯著異常,包括站立不穩、行走搖晃、軀體顫動、大汗、口腔分泌物增多等;②Tc>42 ℃;③生理反射的變化,包括角膜反射、提肛反射減弱或消失等[7]。雜種犬經熱應激后Tc達43 ℃時標志著HS的發生[8,20]。家兔患HS的體溫界限是42.5 ℃,直腸溫度43.0 ℃和43.5 ℃可以用作研究HS的兔模型[11,21]。羊[10]、大鼠[12]、小鼠[13,22]經熱應激后Tc達42 ℃被認為HS的發生。

4 HS動物模型制作方法

4.1 HS狒狒模型

來自非人類靈長類動物的發現,與小型實驗室動物相比,與人類的關系更密切,可能直接適用于人類,因此構成臨床實驗的基礎。HS狒狒模型是一種模擬人類HS的靈長類動物HS模型,關于HS狒狒模型的報道較少,造模時主要采用新生兒培養箱。將麻醉幼狒狒置于44℃ ～47℃ 的預熱新生兒培養箱中經受環境熱應激,Tc 達43℃、SBP<90 mmHg,被認為是HS的發作,出現體溫過高、心動過速和低血壓反應,并引起全身炎性反應、凝血和纖維蛋白溶解的激活以及內皮細胞損傷[5-6]。

4.2 HS豬模型

與嚙齒類實驗動物相比,豬在解剖、生理、營養代謝以及倫理方面具有一定的優勢,更適合做人類疾病動物模型。巴馬小型豬是重要的實驗動物品系之一,其溫順性好、可操作性強、易獲取、成本相對低,且遺傳穩定性較好,與人的體溫調節及心血管反應相近,其肌肉、神經系統、血液循環系統以及胸腹腔的臟器特別是消化生理功能與人體有較好的相似性和可比性[23]。將雄性巴馬小型豬置于溫度44 ℃～47 ℃、濕度65%的恒溫恒濕氣候艙中4 h,自主行為、生命體征及實驗室檢查均出現顯著異常,達到HS標準,此模型可重復性好,能滿足臨床HS血液凈化等研究需求[7]。

4.3 HS犬模型

HS犬模型的制作主要使用仿真熱氣候動物艙。將麻醉普通級健康雄性雜種犬置入溫度36 ℃、濕度70%的仿真模擬高溫氣候艙內,Tc>42 ℃、MAP瞬時下降幅度達25 mmHg以上時標志著HS發生,表現出過度換氣和呼吸性堿中毒,以及高鈉、高氯和高鉀血癥等癥狀[8]。

4.4 HS羊模型

HS羊模型的制作主要使用環境訓練室。雄性綿羊暴露于溫度42 ℃、濕度35%的熱應激環境下,并被迫在跑步機上以2.5 km/h的速度跑步,3 h后綿羊出現換氣過度、煩躁、氣踹、發紺、抽搐等HS癥狀,血清激素水平也發生相應變化[10]。

4.5 HS兔模型

實驗兔被用于HS發病機制的研究也比較少,主要采用加熱箱來制作HS兔模型。將麻醉的新西蘭家兔(雌雄不限)置入干球溫度42 ℃、濕球溫度35 ℃、相對濕度57%的加熱箱進行熱暴露,直腸溫度43.0 ℃和43.5 ℃可以用作研究HS的兔模型[11,21]。

4.6 HS大鼠模型

HS大鼠模型是目前HS動物模型研究的主流,其制作方法主要有環境訓練實驗室法、仿真熱氣侯動物艙法、溫控跑臺法、電熱毯包裹法等。有研究[24]將清醒大鼠暴露于溫度40 ℃、相對濕度70%的環境訓練實驗室,108 min后大鼠Tc達42.5 ℃,獲得CHS大鼠模型。有研究[25]將麻醉大鼠置入溫度為40 ℃、濕度60%的仿真熱氣候動物艙內,MAP從峰值下降到25 mmHg且Tc>42 ℃時CHS大鼠模型建模成功。有研究[26]將大鼠放入溫度37 ℃、跑臺坡度5°、速度28 m/min的溫控跑臺,當大鼠一次性高溫力竭運動至力竭且肝區表面溫度上升至約42 ℃即可制備出EHS大鼠模型。另有研究者將麻醉后的大鼠暴露在43 ℃的折疊加熱墊中,熱應激70 min后Tc達42℃、MAP為30 mmHg,獲得CHS大鼠模型[12]。

4.7 HS小鼠模型

HS小鼠模型的制作方法主要使用高溫氣候動物培養箱,也有使用電熱毯加熱。將清醒雄性BALB/c小鼠置于已預熱并保持在溫度35.5 ℃、相對濕度60%的高溫氣候動物培養箱中,Tc達42 ℃時,即可成功建立HS小鼠模型[13,22]。或使用電熱毯加熱麻醉小鼠至Tc達42.4 ℃來獲得HS小鼠模型[27]。

5 小結與展望

借助動物模型來研究HS的發病機制具有積極意義。HS動物模型的研究包括實驗動物種類與性別的選擇、Tc和血壓監測、成模標準、模型制作方法等主要部分,這些都關系著HS動物模型的質量。應用于HS模型研究的實驗動物種類較多,但根據經濟性、可靠性和實用性綜合考慮,雄性大鼠是目前最常用的實驗動物。血壓監測方法各有優缺點,需要根據實際的實驗條件和研究目的來選擇。建模成功的主要指標是Tc,但各實驗動物HS成模時的Tc各有特點。目前,各HS動物模型的制作主要是通過人工模擬高溫高濕的環境對實驗動物進行熱打擊來實現的,仿真熱氣候艙是主流的熱打擊方法。從以上可以看出,近幾年研究者們在HS動物模型的制作上取得了很大的進展,然而,為進一步研究HS的發病機制,建立完善的HS動物成模標準以及構建能更好模擬人類HS的動物模型仍是未來研究的方向。