胸背向超重及超重旋轉復合暴露對家兔肺損傷的病理學觀察

任 逸， 李富柱， 孫 浩， 尚世龍， 肖艷華， 祝 郁，王健全， 郭玉琴， 馬紅磊?

（1.江蘇大學機械工程學院， 鎮江 212013； 2.中國航天員科研訓練中心， 北京 100094）

1 引言

在航空機動飛行過程中常常伴隨超重、側翻、旋轉等多種失速機動動作，這種復合動力學環境與人體血液動力學變化及前庭反應密切相關，極易引起組織臟器損傷及空間運動病的發生［1－3］。如何有效評估復合動力學環境暴露對機體的影響是目前航天醫學領域的一項重要研究課題。

已有研究表明，肺臟是胸背向過載（±Gx）造成機體損傷的主要靶器官，其特殊的彈性體結構使內部氣體、血液及組織分布極易受到過載的影響［4－6］。 Ax 等［7］、Rohdin 等［8］研究發現，胸背向過載引起胸膜壓力梯度的變化與肺泡形態及分布、肺毛細血管阻力及靜態肺容積等因素直接相關，易誘發肺部血流與通氣的異質性改變，進而導致肺損傷。 此外，Melek 等［9］及Johar 等［10］也分別利用轉椅、轉床等設備研究評估了旋轉暴露對人體心肺功能及結構的影響機制。 超重旋轉復合環境作為機動飛行過程中極為常見的力學環境，卻鮮有相關的研究與分析，該種復合環境對人體的影響機制及程度目前尚不明確。 因此，研究分析超重旋轉復合力學環境對人體的作用機制，有助于豐富航天生理學基礎理論，并據此制定針對性的防護對策，進而提高乘員的安全性及飛行效率。

本文利用超重旋轉復合實驗平臺，選取家兔作為實驗對象，模擬單一超重及超重旋轉復合環境，通過觀察加載暴露后肺臟的病理變化及半定量評估，綜合分析各力學環境對于機體肺臟的損傷特點與可能機制，為復合環境下人體病理生理響應機制提供實驗依據。

2 方法

2.1 實驗動物

為避免雌性激素對實驗結果產生影響，實驗動物選取成年雄性家兔，體重2.5 ～3 kg，體長約30 cm，無人畜共患病，不攜帶B 病毒和結核桿菌等致病因子。 動物由北京芳元緣養殖場提供，在常規飼養期間，保持室溫25 ℃左右及良好的濕度和通風條件，實驗人員定時投放食物和水，喂養條件保持一致。 本文研究中涉及動物實驗程序均經中國航天員科研訓練中心倫理委員會批準。

2.2 實驗設備

以中國航天員科研訓練中心自研的超重旋轉復合實驗平臺為基礎，實驗樣機如圖1 所示，該設備包括底座部分（離心電機、減速器、支撐臺架及傳動結構等）、旋轉支架（轉臂、平衡臂及配重塊等）、自轉座椅部分（自轉電機、傳動鏈條、連接框架、座椅及蓄電池等）、控制柜（可編程運動控制器、控制單元及功率單元等）。 離心半徑為1.8 m，最大輸出過載20 G，自轉座椅最大轉速100 r／min。 超重暴露通過離心機旋轉實現，自轉暴露通過自轉座椅實現，二者控制系統獨立。 正式實驗前，按照實驗過載要求和實驗程序進行預實驗，確保輸出過載與實驗設計過載環境保持良好的一致性。

圖1 超重旋轉復合實驗平臺樣機Fig.1 Prototype of integrated overload and rotation test platform

2.3 實驗設計及分組

根據前期預實驗結果發現，過載曲線峰值達到13 G 時，家兔會出現較重的生理反應，甚至引起重要臟器的損傷；同時發現復合10 r／min、20 r／min 水平自轉也分別加重了上述現象。 因此，本實驗選用Apollo 返回艙的實際再入參數，并在其基礎上進行標準化處理，使過載峰值達到13 G，如圖2 所示。 該曲線總加載時長約405 s，第一、二峰值分別達到13 G、9 G（為便于表述，后文選取第一峰值作為特征表述，即13 G 超重暴露），且中間存在較長時間中低量級的超重過載，有利于提高實驗動物存活率。

圖2 超重過載曲線Fig.2 Overload curve

本文研究選取成年雄性家兔共21 只，隨機分為3 組，每組7 只：對照組（Control Group，CG組）、實驗組1（Experimental Group1，EG1 組）、實驗組2（Experimental Group 2，EG2）。 其中，CG 組為13 G 超重暴露，EG1 組為13 G 超重復合10 r／min 自轉暴露，EG2 組為13 G 超重復合20 r／min 自轉暴露。

2.4 實驗方法

實驗開始前，將家兔放置到特制的兔籠中并固定到離心機末端的自轉座椅上，使其保持坐姿并面朝離心機旋轉中心，保證良好及一致的束縛狀態后，按照設計順序開始實驗。 CG 組家兔實驗中，啟動離心機并使自轉座椅電機保持抱閘狀態，確保超重過程中家兔無自轉運動，且家兔的超重作用方向始終為胸背向。 EG1、EG2 組家兔實驗中，家兔的初始方向均面朝離心機軸心，其旋轉軸線為頭－尾方向連線，設置好參數后同時啟動離心機與自轉座椅。 實驗結束后，立即取下家兔并進行大體解剖觀察。

2.5 肺臟損傷程度判定

選用2 種創傷評分學方法對肺臟損傷進行半定量評估： ①簡明損傷分級（Abbreviated Injury Scaling， AIS）［11］，肺損傷的AIS 分值范圍為0 ～6分； ②肺器官損傷分級（Organ Injury Scaling，OIS）［12－13］，將肺損傷程度分為I～Ⅵ共6 個級別。

2.6 病理學觀察

解剖觀察后留取離體左肺下葉組織，分別經4%多聚甲醛灌注固定、流水沖洗、10%中性甲醛固定及常規沖洗后，用梯度乙醇脫水，并于二甲苯中進行透明（共2 次），然后進行石蠟包埋并用石蠟切片機進行連續切片，切片厚度為3 μm，將其貼于多聚賴氨酸處理過的載玻片上；在分別進行脫蠟、水化、蘇木精－伊紅染色、脫水、透明、封片等處理后，置于光學顯微鏡下觀察。

2.7 統計分析

研究結果的計量數據以平均值±標準差的形式表示，采用SPSS 18.0 軟件進行單因素方差分析的統計學方法，P＜0.05 認為差異具有統計學意義。

3 結果

3.1 總體實驗結果及大體解剖觀察

CG 組家兔實驗后均存活；EG1 組家兔實驗后有2 例死亡，死亡率約為29%（2／7）；EG2 組家兔實驗后有3 例死亡，死亡率約為43%（3／7）。實驗結束后大部分家兔表現出精神萎靡、呼吸短促、行動遲緩等行為學狀態。

大體解剖結果顯示，各組家兔實驗后未出現明顯的肺表面撕裂傷，無血氣胸，但存在不同程度的點片狀出血、水腫與塌陷現象。 CG 組家兔肺損傷主要表現為彌散的出血點與出血斑，偶見水腫及輕微糜爛，1 例左肺下葉存在明顯的肋間壓痕；EG1 組家兔肺部損傷主要表現為大面積斑片狀出血及淤血，出血位置有一定程度向肺葉邊緣轉移的趨勢，1 例出血嚴重發生實變；EG2 組家兔雙肺大面積出血，肺形態較前兩組萎陷更明顯，且出血位置表現出更明顯向肺葉邊緣轉移的趨勢。

3.2 肺損傷評分

根據AIS 及OIS 分別對各組家兔肺臟損傷程度進行分級和評分，結果見表1。 CG 組家兔肺損傷OIS 定級集中在Ⅰ～Ⅲ級，其中Ⅰ級居多（43%）； EG1、 EG2 組 肺 損 傷 均 集 中 在Ⅳ級（43%、57%）。

根據AIS 評分規則，CG、EG1、EG2 組家兔肺損傷的AIS 評分分別為2.29±0.88、4.14±0.90、4.71±0.70。 組間方差分析顯示，CG 組與EG1、EG2 組間均具有顯著性差異（P＝0.003、P＜0.001），EG1 與EG2 組間無顯著性差異（P＝0.223）。

3.3 光鏡下病理

各組實驗后，家兔肺組織在光鏡下表現為不同程度的肺不張、出血、肺泡水腫及炎性細胞浸潤等。 其中，CG 組家兔主要表現為局部肺組織間質、肺泡及支氣管內出血，部分肺泡發生塌陷、疊壓、肺泡腔消失等，有炎性細胞聚集，如圖3（a）所示。 EG1 組出血面積更大，肺組織及肺泡內充滿大量紅細胞，局部肺泡隔結構消失，肺泡變大且數目變少，如圖3（b）所示；呼吸性細支氣管內有溶血，肺不張更嚴重。 EG2 組家兔肺組織鏡下表現為高度肺不張，視野內有大片紅色實變區，肺泡壁增厚且出現空隙或透明層，肺泡中細胞分布散亂，肺泡囊中有溶血，局部發生彌漫性肺損傷如圖3（c）所示。

4 討論

現代高性能戰斗機具有高過載、高角加速度及高認知負荷等特點，如機動飛行或超機動飛行場景下常常涉及超重、旋轉、橫滾等動力學復合環境暴露，極易引起航空人員血液動力學特性變化及前庭功能穩定性發生改變，對機體的身體素質及耐受性帶來巨大挑戰的同時，也對地面模擬實驗平臺提出了更高的要求［14－15］。 本文使用的超重旋轉復合實驗平臺，該設備搭建了2 套獨立的運動控制系統，分別控制轉臂離心轉動及末端座椅自轉運動，可實現超重／旋轉／超重旋轉復合等環境模擬，且控制系統便捷穩定，運行可靠，可以有效支撐超重、旋轉、超重旋轉復合等模擬實驗。本課題組通過前期預實驗發現峰值為13 G 的超重加載會對生物體肺臟造成明顯的病理性變化，實驗結果與預期基本一致。

本文研究結果顯示，家兔肺臟解剖觀察的OIS 定級與AIS 評分基本一致，超重旋轉復合組家兔的肺臟損傷明顯高于單一超重組，且隨著自轉速度加快，肺臟的損傷程度也在增加。 結合光鏡下病理表現，各組均可見不同程度的出血，超重旋轉組家兔出血面積更大，且表現出更明顯的結構性損傷，包括高度肺不張、肺泡壁斷裂、肺實變等。 正常的肺結構與功能極大程度上取決于肺部血流與通氣的匹配性［7］，Johson 等［16］研究發現，超重暴露會引起肺臟局部氣道關閉及重力依賴區肺泡缺氧導致血管收縮、血管阻力增加，加劇肺部血流灌注與氣體交換的異質性變化進而誘發肺損傷。 此外，Bogle 等［17］及Miyamura 等［18］研究發現，前庭系統的刺激會通過中樞命令（大腦皮層和下丘腦）及外周反射（肌肉代謝反射）調節心血管功能，尤其是水平半規管及垂直半規管的激活會分別誘發通氣反應及心率的增加。 這為超重旋轉組家兔肺臟損傷加重提供了一種理論解釋，即可能是由于旋轉環境進一步刺激了家兔的前庭系統，加劇了肺臟的血液灌注及氣體交換的區域性不匹配變化。

超重環境下姿態差異對機體肺臟的損傷表現也存在明顯的影響，該種差異主要來自靜水壓力梯度及胸膜壓力梯度的變化［19－20］。 超重旋轉組家兔實驗過程中，由于過載方向始終在改變，其胸膜壓力梯度也不斷變化，肺泡始終處于正壓與負壓來回切換狀態，加劇了其分布及形態的不均勻性，進而引發更嚴重的結構性損傷。 Johnson等［16］研究提出，胸膜壓力梯度與功能剩余容量（Functional Residual Capacity，FRC）直接相關，將直接影響吸氣時的通氣分布，這可能也是超重旋轉組家兔肺臟損傷加重的原因之一。

此外，Glenny 等［21］在探究重力因素對肺部血流分布影響時指出，一氧化氮酶在肺血流引導中發揮了關鍵作用，且在人體背側肺組織中表達程度更高；Kerckx 等［22］也提出超重環境會引起肺泡一氧化氮濃度的增加，這種變化與肺部血流的區域性灌注密切相關。 在本文研究中，單一超重組家兔實驗過程中背側肺組織始終受壓，但該種壓迫是否直接影響一氧化氮酶的表達及肺泡一氧化氮濃度，目前尚不清楚。

另外，本文研究中選取的樣本較小，這可能是造成個別組AIS 評分差異性不顯著的原因之一。前庭刺激及一氧化氮濃度對肺臟損傷的影響程度及機制，仍需要后續開展進一步的研究分析。

5 結論

1）超重旋轉復合實驗平臺可有效模擬超重旋轉復合環境，模型構建準確可靠。

2）超重暴露與超重旋轉復合暴露均會對家兔肺臟的正常結構及功能造成影響，復合暴露加載下影響更明顯，且隨著復合自轉水平升高，損傷會逐步加重。