几种颅脑爆震伤动物模型建立方法的比较

李彦腾 程岗 刘邦鑫 张剑宁*

(1解放军医学院，北京 100853; 2海军总医院神经外科，北京 100048)

·综述·

*通讯作者：张剑宁，教授、主任医师，博士生导师，E-mail:jnzhang2005@163.com

几种颅脑爆震伤动物模型建立方法的比较

李彦腾1,2程岗2刘邦鑫2张剑宁1,2*

(1解放军医学院，北京 100853;2海军总医院神经外科，北京 100048)

爆震伤; 颅脑损伤; 模型

颅脑战创伤一直是现代战争中致死致残的主要原因，随着高速、高爆、高能武器的大量应用和人员防护装备的改进，颅脑爆震伤(blast-induced traumatic brain injury, bTBI)已成为其中的主要伤型，被称为现代战争的“标志性”伤型。因此，多年来国内外都进行了较多的相关研究，但所使用的动物模型多种多样，在模拟bTBI时各具长短，本文将对几种常用的致伤模型进行综述。

一种好的动物模型，与该疾病在人类患者中的病理、生理变化具有较高的相似性是其基本要求，同时，还应具有良好的可操作性、可重复性和安全性。由于战场环境复杂，bTBI伤员常合并其他脏器损伤，且致伤因素有多种，所以很难用一种动物模型来研究其伤后的病理生理变化及损伤机制。一般按致伤因素将颅脑爆震伤分为四级[1]：初级损伤是bTBI的特征性损伤方式，与爆炸产生的冲击波有关，为研究的主要领域，大多数动物模型也主要研究此类伤情，二级、三级、四级分别是由飞行碎片，身体跌落碰撞和爆炸产生的高温、火球、有毒气体等引起。有两种假说解释了冲击波引起初级脑损伤的作用机制，普遍较为认可的一种[2]是冲击波穿过头皮和颅骨等组织，引起脑组织移位变形而产生损伤，称为直接作用。脑组织损伤的程度与冲击波的波形、压力峰值和持续时间、靶组织的共振频率有关。另一种说法[3]是冲击波作用于胸腹部，瞬时挤压该处的大血管，压力经大血管传导入颅并阻碍颅内静脉回流而致伤，亦有学者认为脊柱内脑脊液也起部分传导作用，此种称为间接作用。Koliatsos等[4]已用大鼠实验证实当胸腹部受到保护时，同样的冲击波所致的病理和行为学改变较未保护组明显减小，验证了间接作用的意义。而Courtney等[5]则认为由冲击波所导致的头部直线或旋转加速运动也是造成初级损伤的一种作用机制。

近几年的研究已经表明，bTBI的病理生理改变主要有[6-8]：程度不等的颅内出血、脑水肿、血管痉挛、神经元变性坏死、局部或弥漫性轴索损伤、胶质细胞增生和炎症反应。其中，弥漫性轴索损伤是较为特征性的组织学变化。但是由于所采用的实验条件不同，实验结果多有不同，实验结论的可比性也大大降低。多年来，该领域学者一直希望建立一种标准化的动物模型[9]，但至今仍未形成结果。最常用的几种创建bTBI模型的方式为：自由场爆炸(free field blast)、爆炸管(blast tube)、激波管(shock tube)和小型爆炸源。

一、自由场爆炸模型

这种模型是最早使用的研究爆震伤的模型，指在一片开阔的场地上，将爆炸物质置于地面上方某处，实验对象以此为圆心，按需要的距离放置，并可调节动物的面向及高度，爆炸形成典型的Friedlander冲击波致伤动物[10]。它具有其他致伤模型都无可比拟的优势，即最真实的模拟实际战场环境所造成的伤情。但是，由于这种实验一般在户外进行，受周围环境因素影响较大，且爆炸产生的破片及冲击波吹起的沙石会对实验动物造成二级损伤。而且，动物一般为多发伤或复合伤，体内的某项变化很难明确是bTBI还是其他器官损伤所引起。因为伤情复杂和影响因素较多，bTBI造模的可重复性也较低。同时，爆炸性物质的使用具有较高的危险性，需经有关部门批准，选取特定的实验场地，相关人员需进行安全培训。这些因素造成此类实验的费用较高。

实际战场环境多变，爆炸时很难形成典型的Friedlander冲击波，凹凸不平的地面、附近的墙壁、战车或舰船的舱室等都会影响冲击波的传播，甚至产生增强效应。为了充分再现实战情境，很多研究机构将这一研究方法进行改进，他们将动物置于战车、碉堡、民房等的内部或外部的不同位置，并在此处安装冲击波压力传感器，制造特定工况下的bTBI模型[11-12]。但工况条件的进一步细化又使得这些研究的结果与其他研究的可比性受到限制。

二、爆炸管模型

为了减少混杂因素的影响，明确单纯冲击波的致伤机制，在上世纪50年代，Clemedson等[13]就开始用爆炸管研究冲击波的致伤机制。爆炸管为一圆柱形金属管，一端封闭，另一端开放，于其封闭一端放置炸药，后续部分为测试区，该区根据实验需要而长短不同，动物距爆心一定距离安置于此。炸药一般选用裸药，爆炸时不产生弹片，以防造成二级损伤。爆前先将动物麻醉后用金属网固定，避免爆炸时发生位移，造成三级损害。爆炸管内仅需较小当量的炸药就可产生与自由场爆炸同等大小的冲击波，爆炸产生的火球、毒气等致伤因素减少，而且冲击波的损伤半径大于爆炸产生火球的损伤半径，所以发生四级损伤的概率也下降。由此可见，爆炸管所建造的动物模型基本只受到冲击波这一损伤因素，虽可伴有胸腹脏器和鼓膜受损，伤情较自由场简化，造模的可重复性显著提高。此种实验也需在户外进行，会部分受到气候因素的影响。同样，也要遵循使用爆炸性物质的相关规定。

笔者所了解到的用此种方法造模的研究[11,13-16]不多，有Säljö和Risling等参照Clemedson所用的小型爆炸管模型，约1.5 m长，用于大鼠bTBI的研究，还有Parks等所改进的大型爆炸管，长达21.3 m，用于创建猪或者其他大动物模型。爆炸管大小不同，所产生冲击波的强度和持续时间也有所差异。之所以这类模型用的比较少，可能与激波管模型的建立有关。

三、激波管模型

这是现在爆震伤研究领域中用的最多的模型。激波管不需使用炸药，而是以压缩气体作为动力，其结构为一圆柱形管，中间隔一层薄膜，分割为两个室，即加压部分和测试部分，加压部分一端封闭，首先将气体输入该处，当气压上升到一定程度，隔膜被穿破产生冲击波，气流随即进入测试部分，此端开口，实验动物可放在此部分管内或管口处。选用不同材料或厚度的隔膜可以产生不同峰值的冲击波。此类装置产生的冲击波超压持续时间较爆炸管长，但峰值相对较低。隔膜破裂时产生的碎片有可能对实验动物造成二级损伤；因同样是将动物麻醉后固定，故不会产生三级损伤；因未使用爆炸物质，故不会产生火球、毒气等造成四级损伤。这种装置安全性较高，可在室内进行，干扰因素相对减少。可操作性高，可调整隔膜的大小、厚度、材料以产生不同的压力值，可调整实验动物的方向、位置、管内或管外，造成全身或局部的损伤，以满足不同的实验目的。较好的可操作性也大大提升了造模的可重复性，节约了费用。

为了实现不同的实验目的，许多研究者将激波管进行了相应的改进。例如，王正国院士等[17]研制的BST系列生物激波管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型，不但可以模拟出典型的爆炸冲击波波形，即包含超压波峰和负压波峰，而且还能模拟高原、水下、爆炸后负压和高速气流等作用下的多种工况。实验表明，此系列激波管能引起大小动物(如：羊、犬、兔、大鼠)的轻、中、重度和当场死亡的冲击伤情，满足不同的实验目的。Dexter等[18]设计的多模式激波管，则将激波管的动力部分进行了改进，它不但可以输入空气、氦气等常用气体，还可输入氢氧混合气和RDX(三亚甲基三硝胺, C-4炸药的基本成分)，实验可比较不同爆炸模式脑损伤的程度，有助于评估不同冲击波成分对bTBI的作用效果。Cernak等[19]用一种标准化的多室激波管来研究bTBI的病理生理特点，这种激波管可以控制冲击波的峰值和持续时间并能模拟出实战中复杂的冲击波。

四、小型爆炸源模型

这种模型在国内研究bTBI中应用较多，是将小型炸药安置于麻醉固定的实验动物头部附近，距离一般为几毫米到数厘米，将颅骨开窗或不开窗，爆炸造成局部脑损伤。起初多用小型雷管等作为爆炸源，因爆炸性能不稳定，冲击波主要为射流，重复性不好，干扰因素多，致伤方式复杂。现多选用小球形裸药，当量在十几毫克到几克TNT，爆炸产生超压冲击波，燃烧充分不产生碎片，伤情简单，可重复性好。这种方法在室内即可进行，操作方便，危险性小，费用较低。然而，不足之处是，爆炸只会对实验动物头部产生局部作用，作用面积小，较少产生弥漫性轴索损伤这一典型的病理改变，更没有经胸腹大血管传导的间接作用，所以这种致伤模式可能与实际中的bTBI有一定差别。

相关的实验研究有第三军医大学大坪医院野战外科研究所创建的大鼠爆炸性脑水肿模型[20]，将大鼠右侧额顶部开直径为1 cm 的骨窗后用 80 mg TNT当量的电雷管在 5 cm垂直距离爆炸，爆炸后脑皮层血管破裂出血，局部脑挫裂伤，脑组织水肿。因为去除了部分颅骨，损伤因素直接作用于硬脑膜，伤情与实际的bTBI差别较大。第四军医大学的于嘉等[21]则是将当量1.0 g TNT的爆炸球分别在距犬右侧额顶部头皮 4、9、13 mm处引爆建立模型，研究发现致伤后主要的病理改变包括蛛网膜下腔出血、脑挫裂伤、硬膜下血肿、大脑皮层和脑干的广泛点片状出血，动物颅脑与爆炸球的距离越近，损伤的程度越重，病理改变越明显，此类模性具有一定的稳定性，但也同样与实战中的bTBI在病理改变上具有差异。

除了以动物模型研究bTBI，一些学者也尝试了其他的研究方法[22-24]，其中包括计算机软件模拟仿真、生物仿真假人、尸体病理解剖、临床实验等，这些研究方法也都有各自的优点，为了解和治疗bTBI提供了不同的途径。

综上所述，国内外学者已创建了多种bTBI动物模型，它们在模拟相似性、可操作性、可重复性和安全性方面都各具特点。这些模型已广泛应用于bTBI致伤机理、损伤特点和治疗康复等方面的研究，然而由于使用的动物模型不同，使得各研究之间的可比性下降，前期的实验结果对后期研究的借鉴作用也受到限制。另外，动物实验的结果是否适用于人类并推广到临床应用中还需更多研究进行验证。

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1671-2897(2017)16-087-03

全军后勤科研重大项目资助项目(AHJ14J001)

李彦腾，硕士研究生，E-mail: yantenglibj@163.com

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A

2016-03-10；

2016-05-12)