急进高原轻-中度闭合性颅脑撞击伤后在不同海拔下伤情变化的研究

发布时间：2020-06-20 15:51

【摘要】：第一部分:新型气动式闭合性颅脑撞击伤模型目的:创伤性颅脑损伤(Traumatic brain injury,TBI)会对机体造成不同程度的损害,轻度至重度的颅脑损伤后的病理生理变学表现是不同的。为研究TBI的病因学和病理学生理学机制,目前有几种啮齿类动物颅脑损伤的模型包括液压冲击(Fluid percussion impact,FPI)、可控皮层冲击系统(controlled cortical impact systems,CCI)和落锤撞击模型(weight-drop models)用来模拟和研究颅脑损伤。虽然这些模型可以模拟人类TBI后的某些病理特征,但没有一种较好的动物模型可用来再现人类的闭合性颅脑损伤。本研究旨在改变以往的致伤方式,建立以气动冲击产生加速装置的一种新可分级的大鼠闭合性颅脑撞击伤(closed head impacts,CHI)模型,以模拟人类真实环境下的颅脑撞击伤后产生的颅脑及神经功能损伤。方法:选择雄性Sprague-Dawley(SD)大鼠75只,平均体质量(200±20)g,随机分为五组:假手术组(Sham)、0.5、0.6、0.7和0.8 MPa组,每组15只。应用自制空气驱动装置产生加速度撞击大鼠头部致伤,气压范为0.5-0.8兆帕(MPa),对应的冲击力和加速度分别为:I组(0.5 Mpa):785.3±14.12牛顿(N)、5.71米/秒(m/s);II组(0.6 MPa):837.72±10.41 N、6.06 m/s;III组(0.7 MPa):857.65±11.11 N、6.25 m/s;IV组(0.8 MPa):955.6±16.35 N、6.67 m/s。致伤过程中的运动参数由力学传感器和高速摄像机记录。伤后检测死亡率、昏迷时间(翻正反射时间)、改良神经功能缺损评分(mNSS)、脑含水量(BWC)。HE染色和淀粉样前体蛋白(APP)免疫组织化学染色检测病理改变。结果:随缸内气压的升高,力学输出也随之升高,导致大鼠损伤程度加重。0.5、0.6、0.7和0.8 MPa组的翻正反射时间明显高于假手术组(P0.05)。CHI后24 h检测mNSS评分、BWC值和MRI定量分结果发现CHI伤后24 h时0.8 MPa组损伤程度明显高于0.6和0.7 MPa组,但后两组又明显高于0.5 MPa组(P0.05),0.6与0.7 MPa组之间比较无统计学差异。检测CHI大鼠脑内APP时发现在大脑皮层、胼胝体和脑干区域其表达增加,这也明确提示在模拟CHI后脑组织出现弥漫性轴索损伤的表现。随气压的提高产生的加速度也越大,造成的损伤也逐渐加重,因此可根据给予0.5/0.6-0.7/0.8 MPa的来进行伤情分级。结论:本实验建立的CHI大鼠模型是一种操作简便、可控性强、重复性好的模拟不同程度的闭合性颅脑损伤模型,CHI所致的损伤程度与气缸内压力改变引起的冲击速度变化呈正相关,可根据调节气压来控制神经功能的损害程度。本研究为不同损伤程度的闭合性颅脑损伤的发病机制和治疗方式提供了有用的实验模型。第二部分:急进高原轻-中度闭合性颅脑撞击伤后转运至不同海拔高度对伤情的影响目的:由于高原地区的特殊的地理环境,目前对低压、低氧后轻-中度闭合性颅脑损伤后伤情及病理生理变化仍未有深入的了解。发生损伤后的不适当运输会对患者健康带来危害,甚至危及生命。本文旨在观察急进高原地区轻、中度闭合性颅脑损伤(mild-to-moderate closed head injury,mmCHI)急性期转运至不同海拔高度下的伤情变化并提出救治策略,以期提高救治成功率、改善预后而提高生存质量。方法:健康平原饲养的雄性SD大鼠108只,首先称量基础体质量。模拟海拔6,000m持续低压、低氧处理24 h后再次称体质量。采用气动式撞击装置制作轻-中度闭合性颅脑撞击伤模型,观察大鼠致伤后生命体征变化并进行改良神经功能缺损评分(mNSS)评分,随机分为3个不同海拔高度组[ND(Non-descending altitude)、D-4,500m(descent to 4,500m altitude)、D-3,000 m(descent to 3,000 m altitude)]进行观察,并分别对相应海拔高度下大鼠在mmCHI后6 h、12 h、24 h的NSS评分、体质量(body weight,BW)、脑含水量(brain water content,BWC)、脑含水量与体质量的比值(BWC/BW)及颅脑核磁(MRI)检查。结果:急进高原mmCHI大鼠在致伤后6 h各海拔高度组mNSS评分减少值明显低于伤后12 h、24 h评分减少值,P0.05;伤后快速下降的D-3,000 m组大鼠体质量下降最少,与伤后滞留于6,000m的ND组及下降海拔高度的D-4,500 m组比较差异具有显著统计学意义,P0.05;伤后各海拔高度组脑含水量(BWC)比较无统计学意义;但伤后计算各组脑含水量占体质量(BWC/BW)的比值发现,伤后快速下降的D-3,000 m组大鼠BWC/BW的值高于伤后D-4,500 m组且低于滞留于海拔6,000m(ND组),其差异具有统计学意义,P0.05;大鼠在mmCHI后6 h、12 h、24 h的动态MRI检查后定量检测分析结果显示伤后下D-4,500 m组的大鼠在胼胝体水肿及脑室扩张程度明显低于其他海拔高度组,统计学差异显著,P0.05。结论:高海拔极限环境下轻-中度闭合性颅脑损伤后24 h内伤情变化在不同海拔高度下表现不同,急进高原mmCHI后可引起较严重的脑水肿和体重减轻,应予以高度高重视。在伤后应尽早改善通气、补液、缓解脑水肿,同时进行早期、阶段转运至低海拔地区治疗,避免大跨度降低海拔高度,有利于缓解脑外伤后的继发性损伤,早期动态进行MRI检查可提示脑组织损伤程度,对预后判断及临床诊治具有指导意义。第三部分:急进高原轻-中度闭合性脑损伤后转运至不同海拔高度脑组织GFAP及炎症因子变化的研究目的:急进高原mmCHI后大鼠免疫应激反应及继发性脑损伤的机制尚未澄清。急性缺氧和颅脑损伤均可引起明显的炎症反应,是继发性颅脑损伤的机制之一。为研究在相同致伤因素下不同低压、缺氧条件对颅脑损伤伤情影响的可能机制。本研究在前期实验的基础上,进一步检测致伤后不同低压、缺氧状态下脑组织内胶质纤维酸性蛋白(GFAP)阳性细胞及炎症因子(白细胞介素-1β,IL-1β;肿瘤坏死因子,TNF-α)的表达情况,研究其在急性低压、缺氧大鼠颅脑损伤后不在同海拔高度下表现的关系及炎症反应过程中NF-κB信号通路的调控作用,探索高原颅脑损伤后早期转运对伤情变化的影响及继发性脑损伤可能机制。方法:将健康SD大鼠18只模拟海拔6,000 m持续低压、低氧处理24 h后采用气动式撞击装置制作轻-中度闭合性颅脑撞击伤模型,致伤后按的海拔高度[6,000m(ND)、4,500 m(D-4,500 m)、3,000 m(D-3,000 m)]随机按分成三个组(n=6/组),ND组作为阳性对照。将致伤后大鼠置于低压舱内,自由饮食、水,于伤后24 h时进行头部MRI扫描后处死,取大鼠脑组织作GFAP免疫荧光染色,Western Blot检测伤后白细胞介素-1β(IL-1β)、肿瘤坏死因子(TNF-α)及核转录因子-κB(NF-κB)的表达量并对检测结果进行定量分析。结果:急性低压、缺氧状态的脑损伤后24 h,各组大鼠脑内GFAP阳性星形胶质细胞表及炎症因子达量明均显增多。定量分析发现,D-3,000 m组GFAP阳性星形胶质细胞比率(45.32±4.17)显著高于D-4,500 m组(36.26±3.55),但明显低于ND组(56.88±5.62),差异具有统计学意义(P0.05)。D-4,500 m和D-3,000 m组IL-1β和TNF-α水平分别为:IL-1β/GAPDH:0.69±0.07、0.78±0.08;TNF-α/GAPDH:0.72±0.06、0.84±0.08,与ND组(IL-1β/GAPDH:1.00±0.09;TNF-α/GAPDH:1.00±0.10)相比显著降低(P0.05)。同时,D-4,500 M组IL-1β和TNF-α水平与D-3,000m组比较也有所降低,差异具有显著统计学意义(P0.05)。对NF-κB phospho-p65和p65蛋白的表达进行检测结果发现D-4,500 m和D-3,000 m组phospho-p65和p65水平分别为:0.62±0.06、0.76±0.07;0.48±0.05、0.78±0.08,与ND组(phospho-p65/GAPDH:1.00±0.09;p65/GAPDH:1.00±0.10)相比显著降低(P0.05)。同时,D-4,500 m组phospho-p65和p65的水平也显著低于D-3,000 m组,差异具有显著统计学意义(P0.05)。结论:颅脑损伤后星形胶质细胞GFAP的表达量可作为一种判断急进高原mmCHI严重程度以及指导临床在伤后转运中判断伤情变化的标志物之一。低压、缺氧性颅脑损伤后NF-κB的激活参与了炎性因子IL-1β、TNF-α的调控,与继发性脑损伤的病理生理有关,NF-κB的抑制或激活与不同的低压、缺氧状态有关。调节低压、缺氧状态将对减轻高原颅脑损伤后的脑继发脑性损伤有着十分重要的意义。
【学位授予单位】：中国人民解放军陆军军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R651.15
【图文】：

传感器部件,撞击杆,气压,气动式

IV. 0.8 MPa 组：撞击力 955.60 ± 16.35 N、撞击速度 6.67 m/s参与统计的 75 只大鼠致伤后 24 h 统一进行标本采集及指标检测。2.1.2.4 动物模型的制作参照 Weight-drop models 在颅脑损伤(TBI)模型[37]，使用空气驱动撞击装置致伤（图 1），包括空气压缩机、压力调节器、气缸、数字压力表和触发按钮（图 2 a，b）。空气压缩机作为气压源提供气压，气压经过气压流量阀后定量定时输入至冲击气缸内，气缸在气压的作用下推动固定在汽缸活塞上的冲击杆来撞击生物体，同时压力传感器采集撞击头撞击强度，高速摄像采集撞击头撞击速度，生理检测仪实时记录生物体生理指标。压力调节器和数字式压力表使空气压力精确调整到 0.1 - 0.8 MPa，使冲击杆速度和冲击能量精确传递。装置的具体参数为:（1）空气压缩机：气压 0.8 MPa，容量30 L，电压 220 V / 50 Hz；（2）气压阀： 0.0 ~ 1.0 MPa，精确控制输出压力；（3）气压冲击系统参数：气压值及对应的速度和撞击力值。（表 1）

过程图,大鼠,气动式,部件

图 2. 多功能气动式生物撞击机的工作过程图（a）气动式生物撞击系统组成部件；（b动物平台组成部件及实验动物放置位置；（c - f）大鼠致伤过程（侧位）；（A - L）高速摄正位）并由计算机分析每毫秒大鼠头部位移过程。2.1.2.6 神经行为学检查实验前所有大鼠根据神经功能缺损评分（neurological severity score，NSS）-41]进行改良，进行为期 3 d 的适应性训练，进行横梁平衡、横梁行走训练。准由 10 个参数，包括运动功能、警觉（惊吓）和生理行为（探索、退出围栏评分表格，其中 1 分是任务失败，0 分代表任务成功，总分越低，神经功能（表 2）。致伤后 30 min 进行初始评分，分别由两名训练有素的研究人员使用 m大鼠在 CHI 后 1 h 的情况。并记录复苏后 1 h、12 h、24 h 所有致伤（CHI）大鼠的神经行为学评分，mNSS ≥ 8 分大鼠为重度损伤，mNSS 5 - 7 分大鼠为，mNSS ≤ 4 分大鼠为轻度损伤。经过 mNSS 评分后，将所有大鼠放回笼子可以自由进食和饮水。大鼠受伤后 24 h 在深度麻醉下处死，进行进一步处理

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