段欣欣,楊明,張帆,王成彬,呂建新
艦船火災(zāi)是作戰(zhàn)時經(jīng)常遇到的情況,艦船內(nèi)部非金屬材料在燃燒時釋放出大量的有毒氣體、粉塵及顆粒物,艦員極易因吸入有毒氣體而引發(fā)急性呼吸道和肺損傷,甚至發(fā)展為呼吸衰竭[1]。近年來,海軍艦船大量新型復(fù)合材料的應(yīng)用增加了煙霧成分的復(fù)雜性,主要包括CO、CO2、H2S、NOx等有害氣體,有時甚至含有氯化氫、氯化氰、氰化氫等高毒性氣體,對人體的危害比單一的有毒氣體大得多,嚴(yán)重者可迅速致人死亡[2]。艦船火災(zāi)、爆炸事故已成為國內(nèi)外研究的熱點之一[3-5],但因其燃燒煙霧致肺損傷因素復(fù)雜,目前相關(guān)研究報道較少。若要進一步探索海軍艦船煙霧導(dǎo)致的肺部損害的發(fā)病機制、藥物預(yù)防及治療效果評價,尚須構(gòu)建穩(wěn)定、可靠的動物模型。因此,本研究在課題組前期構(gòu)建的火藥煙霧致肺損傷分析平臺基礎(chǔ)上,構(gòu)建了艦船煙霧致吸入性肺損傷大鼠模型,并對其進行評價。
1.1 實驗動物 健康雄性Wistar大鼠,體重150~200g,由解放軍總醫(yī)院實驗動物中心提供,合格證號SCXK(京)2016-0006。大鼠于動物中心清潔房中飼養(yǎng),溫度21~24℃,濕度50%~60%,晝夜12h節(jié)律,自由進食、飲水。
1.2 煙霧發(fā)生裝置 自制煙霧吸入性損傷裝置由發(fā)煙室和動物室兩部分組成。兩室中間有孔相通,發(fā)煙室內(nèi)部安有風(fēng)扇使煙霧均勻流通在整個裝置。發(fā)煙室內(nèi)徑31cm×40cm×28cm,內(nèi)置遙控電磁加熱器、發(fā)煙鐵盤、鼓風(fēng)扇。動物室內(nèi)徑31cm×40cm×28cm,室壁的透視窗口用于觀察動物煙熏后的狀況,外部壁上安有煙霧檢測儀監(jiān)測裝置內(nèi)艦船煙霧的成分,包括O2、CO、CO2、H2S,遙控電磁爐開關(guān)、溫濕度監(jiān)控儀,用于實時監(jiān)控發(fā)煙裝置內(nèi)的溫度和濕度。整個實驗過程溫度保持在37℃左右。
1.3 發(fā)煙材料 聚雙馬(Ⅲ型)泡沫材料:主要組分為雙馬來酰胺聚合物;NH/福樂斯發(fā)泡橡塑絕熱制品:主要組分為橡膠和塑料復(fù)合體;EA-100阻燃白膠:主要組分為膠黏劑、無機填料;LZN-1高性能阻尼材料:主要組分為橡膠、硫化劑、膠黏劑等;JYJPJ85/SC艦船用低煙無鹵電纜:主要組分為聚乙丙烯塑料;WQF-2硅丙乳膠漆:主要組分為硅丙乳膠;裝飾板:主要組分為鋁板、木板、膠黏劑。將7種艦船非金屬材料按一定用量比稱量后剪成均勻小塊,置于潔凈的塑料袋中密封保存?zhèn)溆谩?/p>
1.4 方法
1.4.1 動物分組及處理 42只Wistar大鼠隨機分為對照組和致傷后2、6、12、24、48、72h組(n=6)。致傷組大鼠置于密閉的發(fā)煙箱中并在5g艦船材料產(chǎn)生的煙霧中暴露15min,致傷結(jié)束后回籠飼養(yǎng)。依據(jù)分組在相應(yīng)時間點分別處死。對照組大鼠暴露于發(fā)煙箱的空氣中15min,于暴露后72h處死。
1.4.2 致傷方法 取配比稱量處理好的艦船材料放入發(fā)煙室的鐵盤上,置于遙控電磁爐加熱器上,關(guān)閉發(fā)煙室門,打開動物室門,放入要致傷的大鼠后關(guān)閉,檢查裝置氣密情況,打開發(fā)煙裝置總電源開關(guān)、氣體成分分析儀、氣體采樣泵及溫濕度監(jiān)測器開關(guān),使用遙控裝置打開電磁爐加熱器開關(guān)并將其調(diào)至最大功率檔位,1min后可觀察到發(fā)煙室內(nèi)迅速充滿煙霧,加熱5min后關(guān)閉電磁加熱器。待達到暴露時間后,打開動物室取出大鼠,置于空氣中。
1.4.3 艦船材料量、大鼠暴露時間與死亡發(fā)生率的關(guān)系 固定艦船材料量為5g,煙熏時間為20min(由前期實驗得出)。①將大鼠在固定的艦船材料量(5g)的條件下分別暴露不同時間(8、10、15、18、20min)。②將大鼠在固定煙熏時間(20min)的條件下分別暴露在不同的艦船材料量(3、5、8、10g)所產(chǎn)生的煙霧中。記錄并分析整個煙熏過程及煙熏處理后3d內(nèi)大鼠的生存狀況。
1.4.4 煙霧中O2、CO、CO2、H2S濃度及溫度檢測采用澳洲新儀EM-4四合一氣體檢測儀檢測艦船材料燃燒后5、10、18min時各氣體成分的濃度及煙霧的溫度。
1.4.5 致傷大鼠表現(xiàn) 觀察大鼠在吸入煙霧過程中及致傷結(jié)束后的精神狀態(tài)、活動情況、呼吸情況及發(fā)紺程度等。
1.4.6 動脈血氣及凝血功能檢測 在各相應(yīng)時間點用10%水合氯醛(0.35ml/100g)腹腔注射麻醉大鼠,分離腹主動脈,取血1ml后處死大鼠,于30min內(nèi)進行動脈血氣分析。腹主動脈取血置于枸櫞酸鈉抗凝管中,待測凝血功能。
1.4.7 肺含水率檢測 取右肺前葉,濾紙拭干表面血液,于電子天平上稱重(濕重),后放入70℃烘箱烘烤48h至恒重,于電子天平稱上稱重(干重),計算肺含水率(%)。
1.4.8 肺組織病理學(xué)檢查 打開胸腔后觀察肺的大體改變,取右肺下葉浸入10%中性甲醛溶液中固定,石蠟包埋,常規(guī)HE染色后光鏡下觀察。
1.5 統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析。計量資料以±s表示,多組間比較采用單因素方差分析(One-way ANOVA),進一步兩兩比較采用LSD-t檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
2.1 艦船材料量、大鼠暴露時間與死亡率的關(guān)系固定艦船材料量為5g時,死亡率隨暴露時間的延長而增加,暴露時間為8、10、15min時,3d內(nèi)大鼠死亡率為0,暴露時間增至18min時,24h內(nèi)大鼠死亡率上升達88.3%。固定暴露時間為20min時,艦船材料為3g時未見大鼠死亡,艦船材料為5g時,大鼠12h內(nèi)死亡率為83.3%,艦船材料為8g時,大鼠6h內(nèi)死亡率為83.3%,當(dāng)艦船材料增至10g時,2h死亡率達到100%。固定艦船材料量、不同煙熏時間處理后大鼠生存狀況及固定煙熏時間、不同艦船材料量處理后大鼠生存狀況如表1所示。
2.2 煙霧中氣體成分濃度及溫度測定 5g艦船材料完全燃燒后形成的煙霧,在5、10、15、18min時,發(fā)煙箱中O2、CO、CO2、H2S濃度及溫度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05,表2)
表1 煙熏時間及艦船材料量與大鼠死亡率的關(guān)系(%)Tab.1 The relationship between the smoking time, the material quantity of ship and the mortality of rats (%)
表2 艦船煙霧形成后不同時間點氣體濃度、溫度變化(±s,n=6)Tab.2 Variation of gas concentration and temperature at different time points after the formation of ship's smoke (±s,n=6)
表2 艦船煙霧形成后不同時間點氣體濃度、溫度變化(±s,n=6)Tab.2 Variation of gas concentration and temperature at different time points after the formation of ship's smoke (±s,n=6)
CO.1ppm=2.86×10–8mol/L; H2S.1ppm=1.94×10–8mol/L
Time(min) O2(%) CO(ppm) CO2(%) H2S(ppm) T(℃)5 18.48±0.23 894.63±3.623 8.61±0.44 82.71±0.49 27.01±0.62 10 18.28±0.29 898.88±6.105 8.34±0.72 82.73±0.44 26.95±0.55 15 18.21±0.35 898.63±2.56 8.19±0.23 82.79±0.37 26.84±0.61 18 18.14±0.39 894.25±4.652 8.10±0.34 82.36±0.54 26.65±0.91
2.3 臨床表現(xiàn) 實驗結(jié)束時,對照組大鼠無異常,精神狀況好,活動正常,反應(yīng)靈敏,呼吸平穩(wěn),被毛光滑。致傷組大鼠煙熏過程中出現(xiàn)呼吸急促,張口呼吸;實驗結(jié)束后可觀察到口鼻分泌物增多,被毛濕潤無光澤,并聞及喘鳴音,四肢、口唇部可見發(fā)紺。
2.4 肺含水率及動脈血氣分析 大鼠吸入艦船煙霧后肺含水率逐漸升高,至6h達峰值,隨后逐漸恢復(fù)正常。煙霧吸入性損傷的早期階段常發(fā)生低氧血癥,氧分壓(PaO2)在煙霧吸入后2h達到最低值,之后逐漸恢復(fù)。二氧化碳分壓(PaCO2)在煙霧吸入后開始逐漸上升,6h達到峰值,后逐漸降低恢復(fù)。碳氧血紅蛋白(COHb)在煙霧吸入后2h達到峰值,隨后逐漸恢復(fù)。氧合血紅蛋白(oxyhemoglobin,O2Hb)在煙霧吸入后開始降低,2h降至最低值,后逐漸恢復(fù);血氧飽和度(oxygen saturation,SO2)在煙霧吸入后逐漸降低,2h達最低值,隨后逐漸恢復(fù)正常(表3)。
表3 動脈血氣和肺含水率的變化(±s, n=6)Tab.3 The change of arterial blood gas and the lung water content (±s, n=6)
表3 動脈血氣和肺含水率的變化(±s, n=6)Tab.3 The change of arterial blood gas and the lung water content (±s, n=6)
PaO2.Partial pressure of oxygen; PaCO2.Partial pressure of carbon dioxide; SO2.Oxygen saturation; O2Hb.Oxyhemoglobin; COHb.Carboxyhemoglobin; (1)P<0.05, (2)P<0.01 compared with control group; (3)P<0.05 compared with 2h group; (4)P<0.05 compared with 6h group; (5)P<0.05 compared with 12h group; (6)P<0.05 compared with 24h group
Group pH PaO2 (mmHg) PCO2 (mmHg) SO2 (%) O2Hb (%) COHb (%) Lung water content (%)Control 7.42±0.04 84.22±0.70 41.64±1.62 89.86±5.43 87.96±7.15 0.60±0.21 0.74±0.00 2h 7.24±0.02(2) 52.00±1.51(2) 45.60±2.13(1) 76.30±7.13(1) 81.64±2.44(1)7.36±1.09(2) 0.80±0.01(1)6h 7.28±0.04(2) 64.40±1.46(2)(3) 56.16±5.18(2)(3)86.68±7.23 87.48±5.64 2.06±0.88(1) 0.83±0.03(1)(3)12h 7.37±0.055(3)(4) 70.40±1.39(2)(3)(4) 42.52±3.62(4) 87.38±10.02(3)90.9±7.53(3) 1.48±1.23(3) 0.79±0.02(1)(4)24h 7.45±0.010(3)(4)(5)82.78±1.09(3)(4)(5) 41.92±2.14(4) 88.68±8.09(3) 92.9±2.47(3) 1.02±1.06(3) 0.76±0.01(2)(3)(4)(5)48h 7.46±0.027(3)(4)(5)83.30±1.25(3)(4)(5) 40.68±1.67(3)(4)91.36±8.01(3) 93.66±4.01(3)1.26±1.59(3) 0.75±0.00(1)(3)(4)(5)72h 7.44±0.035(3)(4)(5) 83.76±1.24(3)(4)(5) 40.86±1.33(3)(4) 86.20±10.48 92.26±5.46(3)0.62±0.31(3)(4) 0.75±0.01(3)(4)(5)(6)
2.5 凝血功能 大鼠在吸入艦船煙霧后,與對照組比較,2h時凝血酶原時間(PT)明顯降低(P<0.05),48h時凝血酶時間(TT)明顯降低(P<0.01),72h時纖維蛋白降解產(chǎn)物(FDP)明顯降低(P<0.05);但各致傷時間點大鼠活化部分凝血活酶時間(APTT)、纖維蛋白原(FIB)、D-二聚體(D-D)和抗凝血酶 Ⅲ(ATⅢ)與對照組比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05,表4)。
2.6 肺組織病理學(xué)變化 肺大體觀可見致傷組大鼠在煙霧吸入24h內(nèi)兩肺明顯充血水腫,肺表面早期有針尖樣出血點,部分可見多處斑片狀出血,氣管內(nèi)有白色泡沫狀液體,72h肺部仍有出血點;對照組大鼠兩肺呈肉粉色,顏色均勻,未見腫脹、出血及壞死(圖1)。光鏡下觀察可見致傷組大鼠在煙霧吸入2h后即出現(xiàn)出血、水腫,6h可見肺泡腔內(nèi)漏出的紅細胞、炎性細胞浸潤,12h除紅細胞、炎癥細胞浸潤外,同時出現(xiàn)肺泡腔增寬,間隔增厚,72h紅細胞和炎癥細胞減少(圖2)。
表4 凝血功能的變化(±s,n=6)Tab.4 The changes of coagulation function(±s, n=6)
表4 凝血功能的變化(±s,n=6)Tab.4 The changes of coagulation function(±s, n=6)
PT.Prothrombin time; APTT.Activated partial thromboplastin time; TT.Thrombin time; FIB.Fibrinogen; DD.D-Dimer; AT3.Antithrombin Ⅲ; FDP.Fibrinogen degradation-product; (1)P<0.05, (2)P<0.01 compared with control group; (3)P<0.05 compared with 2h group; (4)P<0.05 compared with 6h group; (5)P<0.05 compared with 12h group; (6)P<0.05 compared with 24h group; (7)P<0.05 compared with 48h group; (8)P<0.05 compared with 72h group
Group PT (s) APTT (s) TT (s) FIB (g/L) DD (μg/ml) AT3 (%) FDP Control20.83±0.94 26.13±3.88 34.87±1.81 2.64±0.55 0.18±0.03 117.50±7.29 1.97±0.25 2h 19.30±1.29(1)23.42±1.43 33.82±3.70 2.81±0.28 0.18±0.06 113.00±12.70 1.80±0.45 6h 19.80±1.08 24.28±3.57 43.32±15.07 2.96±0.25 0.19±0.09 111.17±9.75 1.71±0.57 12h 20.13±0.85 23.38±2.51 39.47±8.38 3.00±0.62 0.20±0.09 112.67±13.91 1.77±0.65 24h 19.87±0.83 23.73±2.19 44.17±12.91 2.55±0.54 0.19±0.06 110.67±12.94 1.80±0.69 48h 20.45±1.21 27.77±4.95(3)(5)(6)56.68±8.56(2)(3)(4)(5)(6)2.75±0.19 0.17±0.09 116.17±8.99 1.77±0.66 72h 20.22±1.03 22.75±2.31(7) 36.82±7.79(7) 2.62±0.40 0.18±0.04 120.33±8.04 1.08±0.58(1)(3)(5)(6)(7)
圖1 肺組織大體觀Fig.1 Gross examination of the rat lungs
圖2 肺組織病理學(xué)觀察(HE×100)Fig.2 Histopathological observation of the lung tissues(HE×100)
煙霧常見于火災(zāi)、戰(zhàn)爭等環(huán)境中,主要由大小不等的懸浮顆粒和有毒氣體構(gòu)成,成分較為復(fù)雜,多達250多種[5]。以往研究吸入性肺損傷模型所采用的發(fā)煙材料主要為干燥松木屑及煤油,且大鼠為麻醉后放入裝置中進行煙霧吸入,麻醉狀態(tài)下的大鼠呼吸及其他生理活動均減弱,對模型的結(jié)果會有較大影響。本研究采用自制煙霧吸入性損傷裝置,在大鼠正?;顒訝顟B(tài)下,進行自主的煙霧吸入,排除麻醉及其他影響。本研究采用艦船內(nèi)部7種非金屬材料并按一定比例配制,模擬艦船燃燒環(huán)境,構(gòu)建艦船煙霧致肺損傷大鼠模型,為進一步研究艦船煙霧致肺損傷奠定了基礎(chǔ)。
煙霧吸入性損傷裝置分為發(fā)煙室和動物室,二者相互獨立,排除了艦船材料燃燒可能導(dǎo)致的其他致傷因素,確保煙霧吸入為單一的致傷因素;發(fā)煙室中產(chǎn)生的煙霧在風(fēng)扇氣流作用下均勻流通于整個裝置;內(nèi)置遙控電磁加熱器,避免打開艙透視門導(dǎo)致每次燃燒條件的不一致;外部煙霧和溫濕度檢測儀的實時監(jiān)測確保構(gòu)建模型條件的一致性、可靠性及穩(wěn)定性。此外,本裝置體積較小,制作簡單,便于推廣應(yīng)用。
本研究中,通過改變艦船材料的燃燒量和暴露時間,觀察大鼠3d內(nèi)的生存情況,發(fā)現(xiàn)大鼠死亡發(fā)生率隨艦船材料量和暴露時間的增加而升高,當(dāng)暴露時間為20min時,大鼠的半數(shù)致死量在5~8g之間,取5g艦船材料燃燒,暴露時間為18min,24h內(nèi)死亡發(fā)生率為83.3%,暴露時間為15min,3d內(nèi)未見大鼠死亡,最終選擇5g艦船材料、暴露15min為致傷條件。
7種艦船非金屬材料燃燒后的成分為主要包括CO、CO2、H2S、NOx等有害氣體,有時甚至含有氯化氫、氯化氰、氰化氫等高毒性氣體[7]。本研究中,煙霧產(chǎn)生15min內(nèi),CO、CO2、H2S等氣體濃度和發(fā)煙裝置中溫濕度保持穩(wěn)定。其中CO是由含碳化合物不完全燃燒所致,在所有的火災(zāi)中都有大量產(chǎn)生,對人體危害大,可致神經(jīng)和血管毒性[8],同時也被證實是造成人員死亡的有毒氣體[9]。含碳化合物完全燃燒形成CO2,有研究表明CO2也是導(dǎo)致肺部損傷的因素之一[10]。結(jié)合吸入不同濃度CO與中毒程度的關(guān)系[11],本研究采用密閉條件連續(xù)吸入煙霧制作艦船煙霧吸入性損傷模型。
本研究結(jié)果顯示,在艦船煙霧吸入性肺損傷早期模型大鼠即可發(fā)生低氧血癥,PaO2在煙霧吸入后2h達最低值,后逐漸恢復(fù);PaCO2在煙霧吸入后開始升高,6h達到峰值。COHb是CO吸入后與血紅蛋白結(jié)合而成,比與氧氣結(jié)合能力高250倍[12],使血紅蛋白失去輸氧能力,導(dǎo)致肺部缺氧致傷,因此可認為是CO中毒的指標(biāo)[13]。本研究中COHb含量在煙霧吸入后開始上升,2h達到峰值,隨后開始逐漸下降。肺含水率是評價肺水腫較好的指標(biāo),也可反映肺微血管通透性,本模型中肺含水率的升高提示大鼠肺部微血管通透性增加,煙霧吸入后直接作用于氣道,致血管內(nèi)皮損傷,血管靜水壓增高,進而產(chǎn)生肺水腫,影響肺通氣換氣功能,進一步加重組織缺氧,啟動肺部防御系統(tǒng),刺激大量炎癥因子釋放,導(dǎo)致惡性循環(huán)。病理組織學(xué)光鏡下觀察可見致傷組大鼠肺組織在煙霧吸入2h后即出現(xiàn)出血、水腫,6h可見肺泡腔內(nèi)漏出的紅細胞、炎性細胞浸潤,12h除紅細胞、炎癥細胞浸潤外,同時出現(xiàn)肺泡腔增寬,間隔增厚,72h紅細胞和炎癥細胞減少。凝血功能檢測結(jié)果顯示,與對照組比較,PT于致傷2h(P<0.05)、TT于致傷48h(P<0.01)、FDP于致傷72h(P<0.05)明顯降低,而各致傷時間點APTT、FIB、D-D、AT Ⅲ與對照組比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義,提示本模型中艦船煙霧吸入性損傷可能尚未引發(fā)大規(guī)模的凝血功能紊亂。
綜上所述,使用本研究組自制的發(fā)煙裝置,使大鼠在5g艦船材料所形成的煙霧中暴露15min能夠成功構(gòu)建吸入性肺損傷大鼠模型,模型可致肺部出血、水腫、氣道炎性浸潤,達到預(yù)期傷情,穩(wěn)定且易于復(fù)制,且未致大鼠窒息死亡。本模型可根據(jù)不同實驗要求進行調(diào)節(jié),可進行細胞學(xué)實驗,可改變艦船材料及比例等,適用于對艦船煙霧吸入性損傷早期發(fā)病機制及實驗性治療的研究。
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