陳 茜，吳 蔚，王育良

(1.南京大學建筑與城市規(guī)劃學院，江蘇 南京 210093；2.南京中醫(yī)藥大學附屬江蘇省中醫(yī)院，江蘇 南京 210029)

引言

我國兒童青少年近視問題日益嚴重[1]，影響兒童青少年近視高發(fā)的因素有很多，有大量的研究表明采光照明對兒童青少年近視的發(fā)生、發(fā)展有著重要影響[2，3]。然而，引起兒童近視的誘因很多，主要包括個人因素如遺傳和個人用眼習慣，環(huán)境因素如采光照明，以及很多的社會影響因素，并且近視的發(fā)生和發(fā)展是一個長期的過程，如何能夠在不受其他因素影響下，量化研究建筑光環(huán)境對兒童青少年眼睛發(fā)育影響并不容易。

本文在總結目前醫(yī)學界和建筑界對采光照明近視研究的文獻基礎上，嘗試探討將醫(yī)學界在近視領域常用的動物實驗法，運用到建筑光環(huán)境研究中的可行性，以及需要注意的問題，以期擴展建筑采光照明對兒童青少年視力影響的研究方法。

1 利用動物實驗研究近視的原因

我國近些年來兒童青少年近視的發(fā)病率高，醫(yī)藥學、采光照明等很多領域都在關注這個問題[4，5]。由于引起近視發(fā)生和發(fā)展的誘因較多，近視研究尚存在不少問題，目前較常采用的研究方法主要包括社會調(diào)查法和實驗室實驗兩種。社會調(diào)查法能較好地考慮各種因素對近視的影響，如2018年，Landis等[6]通過記錄澳大利亞昆士蘭102位10～15歲兒童青少年課外活動課中暴露在室外的光照強度，在長達一年的跟蹤調(diào)查中研究天然光與兒童近視發(fā)生和發(fā)展的關系。在我國，黃坤等[7]對廣州市多個中小學采光照明進行調(diào)查。2021年，許建興[8]在廈門市多個中小學進行采光照明調(diào)研。上述研究皆發(fā)現(xiàn)了學校教室的采光照明與中小學生視力不良存在著統(tǒng)計顯著性。盡管社會調(diào)查法能夠較深入地了解近視發(fā)生的整體影響，但很難控制多個影響變量，同時也存在時間長、花費大、樣本量難以控制等一系列問題。實驗室實驗法能較好地控制近視的多個影響變量，但存在著難以重現(xiàn)復雜的環(huán)境、社會因素，以及這些因素如何長期影響近視等困難，因此有必要尋找一個新的研究方法來研究光環(huán)境對近視的影響。

早在公元前4世紀至公元前3世紀，醫(yī)學界就利用動物實驗來研究各種疾病[9]。動物實驗(animal laboratory)是指在特定條件下以實驗動物為研究對象，采用各種實驗手段研究動物受試過程中的應激反應、臨床表現(xiàn)及其發(fā)生發(fā)展規(guī)律的一種方法[10]。18至19世紀，隨著實驗醫(yī)學的崛起，實驗動物被廣泛地用在實驗當中。20世紀以后，遺傳背景明確、微生物和寄生蟲得以控制，以科學研究為宗旨的實驗動物學成為一門獨立的學科[11]。至20世紀50年代末，動物實驗被廣泛運用于醫(yī)學的各分支學科[12]，因此在醫(yī)學界很早以前就利用動物實驗來研究近視，其主要優(yōu)勢包括[13]：

(1)避免了近視研究對人體帶來的風險。光對眼睛造成的傷害大多是不可逆的，利用動物在人為設計的近視實驗條件下進行研究，可以避免在如極強光、高頻閃這種極端的實驗條件下，實驗給人眼造成傷害的風險。

(2)可以節(jié)約研究近視的實驗時間。人類近視多發(fā)生于兒童青少年時期，而人類成長周期長達18年，動物的生長周期較快，所需要的實驗時間較短。以豚鼠為例，從出生到成年，只需要5個月，大大節(jié)約了實驗時間。

(3)可以嚴格控制近視實驗條件，分析不同近視影響因素對近視的影響。造成人近視的因素有很多，包括遺傳、用眼習慣、日常行為、視看環(huán)境等[14-16]。動物實驗可以通過嚴格控制實驗動物標準及其飼養(yǎng)環(huán)境等實驗條件，最大程度地限定可變因素，增強不同近視影響因素對近視的影響。

(4)有助于更全面地認識近視的本質(zhì)與發(fā)展過程。如在近視實驗過程中，當環(huán)境發(fā)生變化時，鞏膜會在數(shù)天甚至數(shù)小時發(fā)生變化[17]，利用動物可以較為輕松地實現(xiàn)在產(chǎn)生眼軸伸長的視覺刺激后，間隔檢查并跟蹤眼軸變化，甚至在實驗需要時及時處死動物、收集樣本，這在人體實驗中是難以辦到的。

動物實驗對近視研究起到了極其重要的推動作用。如研究人員一直無法搞清近視的發(fā)生機制，通過動物實驗與臨床聯(lián)合研究，才使得近視發(fā)生發(fā)展機制有了突破性的研究成果[18]。目前，動物實驗已經(jīng)成為醫(yī)學界對兒童青少年近視研究中不可替代的重要支撐。相較于社會調(diào)查法和實驗室實驗法，利用動物實驗研究青少年近視問題有很多優(yōu)點，因此不可避免地擴展到其他領域，如很多人工照明領域也開始應用動物實驗法。

2 動物實驗在人工照明中的應用研究

研究人員早在20世紀就開始利用動物實驗研究人工光源對近視的影響，如Feldkaempier等[19]利用小雞研究了光照水平對小雞形覺剝奪性近視的影響。到如今，很多人工照明對近視影響的研究都采用動物實驗法，如2011年，Yu[20]等利用小鼠實驗，研究了閃光對近視的影響；2017年，Gawne等[21]通過對樹鼩的研究，探究了波長為 626 nm 紅光對抑制樹鼩眼軸增長的作用；2022年，Hu等[22]通過將恒河猴飼養(yǎng)在不同色溫條件下，研究了不同色溫對近視的緩解作用。

研究人員在利用動物實驗研究人工光源對近視影響中，注意到不同動物模型在近視研究中存在著很大區(qū)別，如早期采用小雞[23]、樹鼩[24]、小鼠[25]等，這些實驗動物有的在眼球大小、結構、調(diào)節(jié)機制上與人類差異較大，有的存在著全基因序列數(shù)據(jù)缺乏等方面的局限性，選擇與人類相近的靈長類動物如獼猴、短尾猴等[26]時，則存在著動物飼養(yǎng)生長時間長、成本高、配合性差等問題。近些年來，豚鼠被逐漸應用在動物近視研究中，這主要是因為豚鼠的眼部解剖結構、生物學結構和生理功能與人類和靈長類動物相似，即對形態(tài)剝奪和晶狀體誘導很敏感[27]。此外，豚鼠具有脾氣溫和、易于飼養(yǎng)，且飼養(yǎng)成本低等優(yōu)點。如2004年，邸悅[28]就開始將豚鼠飼養(yǎng)在不同頻率的頻閃光下，研究頻閃光對眼正視化的影響；2011年，Liu等[29]通過建立不同單色光的豚鼠近視模型，研究不同單色光對近視的影響。

在邸悅[28]的實驗中，研究人員將豚鼠飼養(yǎng)在如圖1所示的籠具里(長×寬×高=50 cm×40 cm×60 cm)，各豚鼠籠間由遮光布遮光以確保不受外界光環(huán)境干擾，可調(diào)節(jié)發(fā)光二極管用細鐵絲分別固定于鼠籠四角高處。Liu等[29]采用的籠具尺寸(長×寬×高=80 cm×50 cm×40 cm)與邸悅的實驗相近，只是在白色籠具內(nèi)壁、天花板和底部安裝了4～6個不同波長的單色光光源。在這些照明對近視影響的動物實驗中，研究人員僅考慮了動物生長所需的空間，主要強調(diào)的是人工光源對動物影響，并沒有考慮建筑光環(huán)境的影響。當僅考慮人工照明時，建筑光環(huán)境是由人工光源產(chǎn)生的光照(照度水平和分布、照明的形式)與顏色(色調(diào)、色飽和度、室內(nèi)顏色分布、顏色顯現(xiàn))在室內(nèi)建立的同房間形狀有關的光物理環(huán)境。因此建筑光環(huán)境不僅僅需要考慮光源本身，還要考慮光源的位置、室內(nèi)各種建筑材料的光物理特性、室形指數(shù)等的綜合影響。當需要考慮天然光環(huán)境時，則還需要考慮采光口的朝向、大小等設計因素。

圖1 研究人員利用豚鼠研究人工照明對近視的影響[28，29]Fig.1 Researchers studied the effect of artificial lighting on myopia using guinea pigs

3 利用動物實驗的建筑光環(huán)境先導性研究

研究團隊根據(jù)《建筑采光設計標準》[30]、《住宅建筑設計原理》[31]、《建筑設計資料集》等[32，33]，將典型住宅房間尺寸定為長×寬×高=4 500 mm×3 300 mm×2 800 mm，并基于目前住宅建筑的采光現(xiàn)狀，選出了3種具有代表性的采光形式：單側窗、封閉陽臺、陽光房。不同采光形式的典型房間具體尺寸見表1。

表1 不同采光形式下典型房間與實驗籠具尺寸

在將天然光環(huán)境下的建筑房間轉(zhuǎn)換為實驗籠具時，研究團隊認為需要注意到以下幾個方面的問題：

(1)實驗籠具的尺寸大小。建筑模型縮小尺寸后，當其光物理特性不改變的情況下，模型室內(nèi)的光環(huán)境與真實建筑內(nèi)的光環(huán)境應該一致，但這是建立在人的尺寸也按比例縮小了。由于人眼高度與身高的比例與動物眼高和身高的比例不同，要想實驗籠內(nèi)的光環(huán)境真實還原建筑的光環(huán)境，必須使動物視野中光環(huán)境情況和人眼中的光環(huán)境情況相似。此外，飼養(yǎng)籠也需要滿足動物的生長空間，保證籠內(nèi)通風條件良好、便于清潔，以便營造出健康飼養(yǎng)環(huán)境。

(2)實驗籠具的材料選擇。應注意對照建筑房間中材料的光物理特性。當飼養(yǎng)籠放置在室外時，還要注意飼養(yǎng)籠保溫、防水等問題。此外，豚鼠為嚙齒類動物，實驗籠具還要考慮被啃食的問題。

(3)實驗時間的選擇。動物的眼睛生長周期與人的眼睛生長周期不同，在設計實驗時，應該注意將動物的生長年齡與人的生長年齡相對應。

基于上述考慮因素，研究團隊通過兩個步驟來確定飼養(yǎng)籠尺寸大小。首先應滿足豚鼠的生長環(huán)境。醫(yī)學常使用的豚鼠實驗籠具尺寸(長×寬×高=440 mm×330 mm×200 mm)，如果將實驗籠具按側窗式典型住宅房間實際長寬高的1∶10縮放，其長×寬×高=450 mm×330 mm×280 mm。在確定基礎尺寸后，其次研究的是如何將豚鼠視野中的建筑光環(huán)境與人眼中的建筑光環(huán)境相匹配。豚鼠眼部所處高度為55 mm(豚鼠眼高35 mm+墊料高20 mm)，人眼高度為1 500 mm，研究團隊利用計算機模擬分析，比較典型住宅房間在人眼高度的光環(huán)境和籠具內(nèi)豚鼠眼中的光環(huán)境，發(fā)現(xiàn)如果將飼養(yǎng)籠完全按照典型建筑的長、寬、高縮放到1∶10比例后，其人眼和鼠眼中的室內(nèi)光環(huán)境差異較大。因此在盡量不改變醫(yī)學界慣用的飼養(yǎng)條件情況下，即長寬比例不變的情況，分別將實驗籠具高度按典型住宅房間實際高度的1∶10—1∶20逐一進行模擬比較實驗，模擬結果顯示，鼠籠高度與典型住宅房間高度比例為1∶17時，實驗籠具內(nèi)部豚鼠眼中的照度曲線與典型住宅房間人眼中的照度曲線最為吻合，測點的誤差率較小，光環(huán)境情況最為相似。最終實驗籠具尺寸長寬高見表1，室內(nèi)光環(huán)境模擬分析研究見表2。

表2 豚鼠眼中的光環(huán)境與典型房間中人眼中的光環(huán)境比較分析

在選擇實驗籠具材料時，實驗籠具主要的實體部分使用3 mm塑料板；為防止籠具實體部分有光線透入內(nèi)部并保持室內(nèi)溫度，籠具的外表面貼黑色保溫材料；籠具的內(nèi)表面貼與房間實際白墻反射率相似的白色墻紙；為了滿足實驗籠具通風需要，開窗部分選擇鐵絲網(wǎng)而非透明玻璃。

在實驗時間的選擇方面，選擇1個月大豚鼠，實驗周期為3個月，以對應人類的3～15歲。

最后，為了更好地配合豚鼠飼養(yǎng)，研究團隊將籠具頂部部分設計為可以完全打開，便于實驗員對籠具內(nèi)進行清潔，并在鐵絲網(wǎng)底部加上3 cm的透明玻璃，以防墊料溢出。

醫(yī)學中飼養(yǎng)豚鼠的籠子尺寸是醫(yī)學界在長期開展實驗的過程中摸索出來的，當將飼養(yǎng)籠改造成為一個典型住宅房間模擬室內(nèi)光環(huán)境時，有許多地方需要注意：

(1)醫(yī)學中的實驗籠具大多并排放置在實驗架上，尺寸一般為長×寬×高=440 mm×330 mm×200 mm，一籠可滿足飼養(yǎng)6只豚鼠所需的空間，這是醫(yī)學界長期摸索出來的較為經(jīng)濟且合理的空間尺度，因此在改造實驗籠具時應盡量參考醫(yī)學常用實驗籠具尺寸。

(2)豚鼠產(chǎn)生的排泄物會產(chǎn)生不良氣味，且會污染籠內(nèi)環(huán)境，因此實驗籠具要有通風口，而籠具頂部最好可以完全打開便于實驗員清潔。

(3)由于實驗籠具在清洗時需要晾曬一段時間，因此在條件允許時，應該為每一個籠具準備一個替換裝。

(4)制作實驗籠具的材料要足夠堅固，防止豚鼠啃食，并在蓋子上加上扣鎖，以防豚鼠跳躍時將盒蓋頂開。

4 結語

建筑光環(huán)境對兒童青少年視力發(fā)育有著重要的影響，但想要量化研究建筑光環(huán)境對兒童青少年視力的影響并不容易，醫(yī)學界的動物實驗可以屏蔽很多近視誘因，規(guī)避許多倫理問題，在短時間內(nèi)研究近視的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律和防治近視的機理，值得在做建筑光環(huán)境近視研究時借鑒。然而，建筑物理領域的研究與醫(yī)學領域研究有著許多區(qū)別，將動物實驗運用到建筑光環(huán)境近視研究中時需要注意許多問題。

本文在分析與總結醫(yī)學界利用動物實驗進行近視研究的基礎上，探討將動物實驗法運用到建筑光環(huán)境研究中的優(yōu)勢。通過研究團隊的先導性研究，發(fā)現(xiàn)在應用動物實驗中需要注意的地方，目前動物飼養(yǎng)實驗正在進行，飼養(yǎng)方對飼養(yǎng)籠反應良好。在此需要指出的是，盡管利用動物實驗研究建筑光環(huán)境對近視的影響有很多優(yōu)勢，但因為動物與人在生理、行為、藥代動力學和遺傳學方面的差異[34]，光環(huán)境對動物與人產(chǎn)生的影響之間也必然存在著一定的差異性，所以將動物實驗的研究結果應用到人體上時，還應謹慎考量。