冲击波强度与幼年大鼠肺冲击伤程度的量效关系

袁丹凤，杨傲，麻超，梁毅，代维，周继红

陆军军医大学大坪医院野战外科研究所，重庆400042

前言

肺冲击伤是各种爆炸事件中最为常见的伤类之一，其体表损伤少而轻，甚至可能没有体表可见的损伤，但却有严重的肺挫裂伤和撕裂伤、肺出血水肿、血气胸等，严重威胁患者的生命［1-4］。如何有效快速地救治肺冲击伤及维持肺的正常功能仍是当前医学领域的一项挑战。

儿童肺的发育和成熟度等较成人不完善，通常其肺损伤的特点和救治结局相比成人往往更严重、多变，诊治困难。特别是肺冲击伤，尽管临床上有大量儿童冲击伤的病例，但在过去的冲击伤研究中却极少涉及儿童，相关资料极为匮乏。因此，本研究拟在实验室通过观察不同强度冲击波对幼年大鼠肺的致伤作用，探讨冲击波强度与幼年大鼠肺冲击伤严重程度的量效关系，分析幼年大鼠肺冲击伤的损伤特点与可能机制，建立幼年大鼠不同程度肺冲击伤的动物模型，为儿童肺冲击伤的病理生理及机制的研究提供基础，以助于认识和了解儿童肺冲击伤的特点与机制，寻找有效的防治方法。

1 材料与方法

1.1 实验动物和致伤设备

选用20天龄的幼年健康SD 雄鼠，动物由中国人民解放军陆军军医大学大坪医院野战外科研究所动物实验中心提供。致伤设备采用陆军特色医学中心的BST-I 生物激波管，夹膜均采用4 mm×4 mm 的铝制膜片。

1.2 实验分组与致伤

幼年SD 大鼠40 只，随机分为4 组：冲击伤1 组（BIG1）、冲击伤2 组（BIG2）、冲击伤3 组（BIG3）和冲击伤4 组（BIG4），每组各10 只动物。各组动物致伤采用的激波管高压段压力（驱动压）分别为4.8 MPa（BIG1）、5.0 MPa（BIG2）、5.5 MPa（BIG3）、5.8 MPa（BIG4）。

致伤冲击伤时，将幼年大鼠分别放置到特制的铁丝鼠笼中，鼠笼放置固定于BST-I型生物激波管的实验段挡板前10 cm 处，所有动物右侧朝向冲击波的波源。采集记录动物致伤处的冲击波超压峰值、正压持续时间，计算冲击波的正向冲量。致伤后，迅速取出鼠笼进行观察。

1.3 致伤后大鼠一般情况观察与肺病理解剖

观察幼鼠伤前和伤后的各项生理指标和生命指征（如：心率、呼吸、肛温、口鼻分泌物和排尿排便等），并记录各组伤后24 h 死亡情况。存活动物于伤后24 h 采用1.5%的戊巴比妥钠溶液麻醉后放血处死，并立即行大体解剖观察。记录肺大体解剖病理情况，重点记录肺出血、水肿、破裂以及胸腔情况等。取幼鼠左下肺叶组织，迅速浸泡于5%的多聚甲醛溶液中进行固定，做石蜡切片，行HE 染色，进行光镜下病理观察。

1.4 肺损伤程度判定

采用2 种创伤评分学方法对肺冲击伤的损伤严重程度进行半定量评估。（1）肺脏器官损伤定级（Organ Injury Scaling,OIS），将肺损伤程度分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V和Ⅵ共6 个级别［5-7］。（2）基于简明损伤定级（Abbreviated Injury Scaling,AIS）的肺冲击伤严重程度评分，肺损伤的AIS 分值范围为1～6 分。1 分：轻度；2 分：中度；3 分：较重；4 分：重度；5 分：危重；6 分：极重（不可治）［8-12］。

1.5 统计学方法

研究结果的计量资料以均数±标准差表示，采用单因素方差分析的方法进行组间比较；计数资料采用χ2检验进行统计学分析。采用SPSS 18.0 统计学软件进行统计学分析，当P＜0.05 时，认为具有统计学差异。

2 结果

2.1 幼鼠冲击伤后一般情况和肺大体解剖

在冲击伤后24 h 内，各组幼年大鼠均存活。各组幼鼠伤后即刻均出现呼吸急促和心率加快的表现。幼鼠外耳道有出血发生，发生率为57.5%（46/80）；未观察到血尿和血便的现象。致伤前肛温为（38.97±0.41）℃，伤后24 h 的肛温为（39.03±0.23）℃，比较无明显的统计学差异（P＜0.05）。

肺大体解剖结果显示各组幼鼠均未见血胸和气胸发生，肺脏表现为不同程度的肺出血、水肿，严重者可伴有不同程度的肺不张等（图1）；但未见明显的肺破裂和肺大泡的形成；在肺组织切面可见有不同程度的粉红色泡沫样液体流出。

图1 幼年大鼠肺脏大体解剖Fig.1 Gross anatomy of the lungs in juvenile rats

BIG1组幼鼠的肺大体解剖表现为点状或小片状出血，水肿不显著，伴有不同程度的肺充血，肺出血面积＜5%肺表面积；BIG2 组肺大体解剖可见较多的出血点、出血斑块，甚至片状出血，有明显的肺水肿，肺出血范围和程度均高于BIG1组；BIG3组肺组织可见成片的大面积肺出血，伴有显著的水肿，可见肺实变区域和局部不同程度肺不张；BIG4 组幼鼠双肺可见大面积的肺出血，有的肺出血呈现出显著的肋间压痕，肺组织有非显著的水肿，肺表现为饱满和肿胀，出血面积和程度均重于前3组。

2.2 肺损伤程度的评分

依据OIS，BIG1 组幼鼠的肺损伤多集中在Ⅱ、Ⅲ级（40%、30%），BIG2组肺损伤多集中在Ⅲ级（60%），BIG3 组肺损伤多集中在Ⅳ级（70%），BIG4 组肺损伤多集中在V级（40%）（表1）。

表1 各组幼鼠肺脏损伤程度的分级和评分Tab.1 Grading and scoring of the severity of lung injury in each group of juvenile rats

依据AIS，BIG1、BIG2、BIG3 以及BIG4 组幼鼠的肺损伤AIS评分分别为0.90±0.57、1.60±0.69、3.10±0.56、4.00±0.67（表1）。对以上4 组的AIS 评分进行两两组间方差分析，除BIG1 组和BIG2 组的组间的P＜0.05外，其他各组P值均＜0.01，均具有明显的统计学差异。

2.3 肺脏的光镜病理

各组冲击伤后的幼鼠肺组织在光镜下都主要表现为不同程度的肺泡壁断裂、肺组织和肺泡的出血、液体渗出、组织和肺泡的水肿、肺不张、肺实变和炎症细胞的浸润等。出血表现为不同程度的肺组织间质内出血、肺泡和支气管内的出血，间质内出血的红细胞分布于肺泡壁、气管和支气管周围间质组织中，肺泡内出血量多少不一，多者可充满肺泡，呈现为肺组织实变；液体的渗出和组织水肿多表现为不同程度的肺泡壁和气管支气管周围间质的增厚、肺泡内水肿液形成等；肺不张表现为不同程度的局部或大面积的肺泡壁塌陷、叠压、肺泡腔消失等；肺实变表现为肺组织和肺泡内充满大量红细胞，视野中充满红细胞，呈现成片的红色肺实变区；在肺泡壁间质和肺泡内有不同程度的炎细胞浸润，主要为大量的多形核白细胞、部分巨噬细胞和单核细胞。

4 组动物的肺光镜病理损害程度比较显示，随着致伤的冲击波压力值的增加，肺损伤病理程度明显加重，即肺损伤程度由重至轻的次序为：BIG4 组＞BIG3组＞BIG2组＞BIG1组（图2）。

图2 各组大鼠肺脏冲击伤后的光镜病理照片（HE，200×）Fig.2 Pathological images of rats'lungs after blast injury under light microscope(HE,200×)

2.4 冲击波物理参数与肺损伤程度

随着高压段驱动压力值的增加，动物致伤处的超压峰值和正向冲量也相应显著增加，而动物肺损伤严重程度也随之加重。BIG1组超压峰值为433 kPa，总体正向冲量14 226.4 kPa·m，肺损伤程度集中在轻度；BIG2组的超压峰值为447.7 kPa，总体正向冲量14 463.5 kPa·m，肺损伤程度主要分布于中度；BIG3 组的超压峰值为484.7 kPa，总体正向冲量15 017.0 kPa·m，肺损伤程度集中在较重度；BIG4组的超压峰值为506.8 kPa，总体正向冲量15 325.5 kPa·m，肺损伤程度集中为重度。详见表2。

表2 冲击波物理参数与肺损伤程度Tab.2 Physical parameters of shock wave and severity of lung injury

3 讨论

3.1 模型构建

为了开展儿童冲击波肺损伤机制与救治的研究，本研究首先利用生物激波管模拟爆炸冲击波，利用不同强度的冲击波进行致伤，通过对幼年大鼠肺冲击伤损伤的程度与特点以及其与冲击波强度的量效关系研究来建立不同损伤程度的幼年大鼠肺冲击伤动物模型，为今后深入研究儿童肺冲击伤的病理生理及机制的深入研究提供基础，以助于认识和了解儿童肺冲击伤的特点与机制、寻找有效的防治方法。

在前期预实验结果的基础上，致伤条件参数分别采用4.8、5.0、5.5 和5.8 MPa 的激波管高压段驱动压。相应的幼鼠的肺损伤严重程度分别为轻度、中度、较重度和重度，其肺大体解剖的OIS 评定和AIS评分基本一致。

3.2 肺冲击伤损伤病理

幼鼠肺冲击伤的基本损伤病理表现类似于成年鼠和其他动物冲击伤，主要表现为不同程度的肺出血、水肿和不张等，在光镜下可见不同程度的肺泡壁断裂、肺间质出血和肺泡内出血、肺泡壁和支气管周围组织水肿、肺泡内水肿液渗出、肺不张、肺实变和炎症细胞的浸润等［13-18］。但幼鼠的肺泡内水肿出现较为早而重，在冲击伤最轻的BIG1 组都观察到有明显的肺泡内水肿发生。随着遭受打击的冲击波压力值的增加，幼鼠的肺损伤病理程度也明显加重。

3.3 量效应关系

对比分析成年大鼠冲击伤的量效实验结果数据［19-20］，同样强度的冲击波致伤后，本研究中幼年大鼠的肺冲击伤损伤程度要轻，即需要更为强大的冲击波才能使幼年大鼠产生与成年大鼠相同程度的肺冲击伤。这也提示相对于成年大鼠肺组织，幼年大鼠肺组织对冲击波的损伤作用有更强的损伤耐受力。因此可以推测：虽然幼年大鼠的肺组织更为薄弱，但并非想象那样更易于被冲击波撕裂，这可能是因为幼年生物的肺组织有更为丰富血管、更宽组织间隙，组织结构具有更好的弹性和应变能力，对爆炸冲击波的应力损伤效应机制有更强的承受力和耐受力，即其对冲击波的损伤耐受性更强［7］。因此，有必要对其原因和机制开展进一步的深入研究与探讨。

3.4 不同动物种属差异

年龄对冲击波损伤的耐受性有影响，因此本研究也考虑了不同动物种属间对冲击波损伤的耐受性是否有差别。把本研究的幼年大鼠肺冲击伤实验数据与前期采用幼年兔所做冲击伤实验的结果进行比较，发现不同种属幼年动物之间对冲击波损伤作用的耐受性也是有差异的。当采用4.5 kPa的驱动压致伤时，可导致幼年兔出现严重肺冲击伤［21］；而对幼年大鼠，则需要5.8 kPa 的驱动压才导致相同程度肺冲击伤发生。表明幼年大鼠的肺组织对冲击波损伤作用的耐受性要显著强于幼年兔的肺组织；这也提示并非动物越大，其组织器官对冲击波损伤作用的耐受能力就会越强。本研究的结果表明幼年大鼠的肺组织相比幼年兔具有更强的抗冲击波损伤的能力，这是与其肺组织的哪些生物力学特性、损伤防护机制有关，均尚不清楚［22］。

综上所述，爆炸冲击波可导致幼年大鼠发生以肺组织破裂、出血、水肿、不张等为特征的肺冲击伤。利用BST-I 型生物激波管，采用4.8～5.8 MPa 高压段的驱动压可建立稳定的幼年SD 鼠轻～重度肺冲击伤模型。幼年大鼠肺组织对冲击波损伤的耐受性强于成年大鼠肺组织，也强于幼年兔肺组织，其机制尚不太清楚，值得进一步深入研究。