核辐射对大深度快速上浮脱险致减压病大鼠相关指标的影响*

许 骥， 方以群， 包晓辰， 袁恒荣， 王 楠， 王芳芳

(海军军医大学海军特色医学中心潜水与高气压医学研究室， 上海 200433)

由于核潜艇遂行任务时的机动性、隐蔽性以及所处环境的特殊性，历史上核潜艇事故多发生在远离潜艇所属国的海域，外界很难及时赶往现场救援，潜艇艇员的自救脱险就显得尤为重要[1-3]。快速上浮脱险作为一种成熟的潜艇艇员自救脱险技术，具有脱险深度大、高压暴露时间短、上浮速度快等优点，为各国潜艇部队所采用。由于快速上浮脱险过程压力变化极大，如果操作不当，脱险艇员有可能发生减压病(decompression sickness，DCS)[4,5]。减压病是指人体暴露在高气压后，回到常压过程中，因减压幅度过大、速度过快，溶解于肌体的气体来不及随呼吸排出体外，而在组织和血液中形成气泡引起的一种疾病。一般来说脱险深度越大，机体高压暴露时间越长，发生减压病的风险越高[6-8]。而核潜艇失事常伴有辐射事故的发生，如果艇员遭受超过安全剂量的辐射会对机体造成损伤，理论上有可能增加快速上浮脱险的风险，但目前相关研究很少。本研究采用大鼠模拟不同剂量核辐射后不同时间大深度快速上浮脱险过程，观察实验后动物减压病的发生情况，检测肺湿干重比(W/D)、脾指数以及血浆IL-1β浓度变化，并分析相关性以及对机体的影响，为后续失事核潜艇艇员核辐射减压病复合伤的监测与防治研究提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 动物及分组

雄性成年SD大鼠80只，平均体重(280.7±28.7)g，购自上海毕凯实验动物公司[许可证号：SCXK(沪)2018-0006]。随机分为空白对照组、脱险对照组和6个干预组： 4 Gy辐射后4 h脱险组，6 Gy辐射后4 h脱险组、12 Gy辐射后4 h脱险组、4 Gy辐射后8 h脱险组、6 Gy辐射后8 h脱险组、12 Gy辐射后8 h脱险组，每组10只。动物先于海军特色医学中心实验动物中心适应性饲养一周再进行实验。

1.2 设备仪器与试剂

动物脱险训练舱购自烟台宏远公司，低温高速离心机购自德国Sigma公司，电子天平购自上海奔普公司，大鼠血浆IL-1β酶联免疫检测试剂盒购自武汉伊莱瑞特公司。

1.3 核辐射

60只干预组大鼠先在海军军医大学辐射中心接受辐射剂量分别为4 Gy、6 Gy、12 Gy的60Co γ射线全身外照射。

1.4 加减压方案

辐射结束取回大鼠，按照预先分组分别在辐射4 h或8 h后送入海军特色医学中心动物脱险训练舱进行快速上浮脱险实验。采用本研究室前期实验确定的大鼠150 m快速上浮脱险减压病方案(高压暴露时间略长于该深度安全脱险极限，发病率约30%)。由舱控计算机按预设自动化程序，使用压缩空气以指数倍数增压方式(每4 s舱内压力增加一倍)在16 s内快速加压到150 m水深压力(即表压1.5 MPa)，稳压停留137 s，以30 kPa/s的速率减压至常压后(图1)，从舱内取出实验动物。空白对照组大鼠不辐射、不进行快速上浮脱险；脱险对照组大鼠不辐射，但快速上浮脱险方案与干预组相同。

1.5 减压病发病率及死亡率观测

大鼠出舱后先进行30 min的行为学观察。减压病判断标准：行走困难、不正常呼吸、前肢和/或后肢瘫痪、翻滚、惊厥、死亡。记录减压病发病率、死亡率以及死亡时间。再将大鼠用3%戊巴比妥钠溶液麻醉，收集肺脏及脾脏组织。

1.6 标本采集和指标测定

1.6.1 IL-1β检测 大鼠实验前称量体重并记录。动物麻醉后心脏穿刺法采血约4 ml置于抗凝管中，4℃，5 000 r/min，离心10 min分离血浆，按试剂盒说明书各步骤检测血浆中IL-1β浓度。

1.6.2 肺湿干比及脾指数检测 取大鼠右肺及脾脏，用滤纸吸干表面污血后，放在小片称量纸上，用电子天平称量肺湿重、脾重，再将肺放入烘箱内80℃干燥24 h后取出，用电子天平称量肺干重，计算肺W/D(肺W/D=肺湿重/肺干重)和脾指数(脾指数=脾重/体重×10 000)。

1.6.3 (HE)染色 取左上肺叶，置4%多聚甲醛(4℃)中过夜。石蜡包埋，切片，贴片。一部分切片采用苏木精及伊红染色后，行常规病理分析。

1.7 统计学处理

2 结果

2.1 大鼠行为学观察

大鼠辐射后躁动不安，出现频繁出现舔毛、扒搔等行为(急性放射性损伤皮肤效应)，1～2 h动物行为逐渐恢复正常。4 h内未见脱毛、呕吐、腹泻、口鼻肛门出血等症状，无动物死亡。

大鼠快速上浮脱险后呼吸急促，部分动物在15 min内出现瘙痒抓挠、行走障碍、肢体瘫痪等典型的减压病症状，甚至抽搐、死亡。发病动物持续观察30 min症状未见缓解。

2.2 大鼠辐射对快速上浮脱险肺组织病理学改变的影响

肺组织HE染色显示，相对于空白对照组(图1)，脱险对照组肺组织出现间质轻度水肿，红细胞散在分布在肺间质，肺泡腔内未见红细胞。4 Gy暴露4 h后脱险组肺组织水肿明显，可见大量的红色粘液分布在肺泡腔及肺间质，肺泡腔内可见少量散在红细胞，同样的病理特征存在6 Gy暴露4 h后脱险的大鼠肺组织中。而4 Gy、6 Gy暴露4 h后脱险组的肺组织水肿比暴露8 h后脱险组显著，但后者可见较多红细胞聚集在肺间质中。12 Gy暴露4 h及8 h后脱险组的肺组织显示水肿及肺出血均比较显著(图1)。

Fig. 1 Pathological changes of lung tissues in each group

2.3 大鼠辐射对快速上浮脱险致减压病的发病例数及死亡例数的影响

各组大鼠脱险后发生减压病的情况详见表1。与脱险对照组比较，核辐射后脱险大鼠的减压病发病例数及死亡例数明显上升。和肺组织病理结果相一致，4 Gy、6 Gy照射4 h后快速上浮脱险的大鼠发病例数和死亡例数较照射8 h后快速上浮脱险的高。12 Gy辐射后，4 h及8 h脱险的大鼠的减压病的发病例数及死亡例数均比低剂量照射组明显增高，死亡例数尤其明显，且12 Gy辐射后4 h及8 h脱险的两组无明显区别(表1)。

Tab. 1 Incidence of DCS and mortality in rats (n=10)

2.4 大鼠辐射对快速上浮脱险肺W/D、脾指数以及血浆IL-1β浓度的影响

与空白对照组比较，脱险对照组大鼠肺W/D、脾指数以及血浆IL-1β浓度无显著性变化，而各辐射干预组大鼠肺W/D和血浆IL-1β浓度变化呈上升趋势，脾指数变化呈下降趋势。

2.4.1 肺W/D显示：和空白对照组比较，4 Gy、6 Gy辐射后4 h脱险组及12 Gy辐射后4 h、8 h脱险组的肺W/D明显增高(P<0.05，P<0.01，表 2)，而4 Gy、6 Gy辐射后8 h脱险组的肺W/D有增高趋势，但无明显统计学差异。该结果和病理组织损伤及减压病的发病率及死亡率相一致。

2.4.2 脾指数显示：和空白对照组比较，4 Gy辐射后4 h，6 Gy、12 Gy辐射后4 h及8 h脱险组的脾指数均明显下降(P<0.01)，其中6 Gy辐射后8 h、12 Gy辐射后4 h及8 h脱险组的脾指数下降尤其明显。和脱险对照组比较，6 Gy辐射后8 h脱险及12 Gy辐射后4 h、8 h脱险组的脾指数明显下降(P< 0.01)。

2.4.3 IL-1β结果显示：和空白对照组及脱险对照组相比较，4 Gy、6 Gy、12 Gy辐射后4 h、8 h脱险组血浆IL-1β浓度显著上升(P<0.05，P<0.01，表 2)。

Tab. 2 Lung W/D, spleen index and plasma IL-1 β levels in rats n=10)

3 讨论

机体不同组织对核辐射损伤敏感性差异很大，各组织的辐射敏感性与其细胞的增殖能力成正比，与其分化程度成反比[9]。免疫系统对辐射非常敏感，较高剂量的辐射会导致免疫系统功能急剧下降。作为机体的重要免疫器官，脾脏对辐射损伤极为敏感[10]。在本研究中，几乎所有辐射后脱险组大鼠均出现了脾指数明显降低的现象，分析其原因在于较高剂量核辐射会造成脾脏结构功能的破坏，故数小时内便可出现脾脏明显萎缩。相对于空白对照组，4 Gy照射后4 h脱险组的脾指数明显下降，而8 h组不明显，而6 Gy、12 Gy照射后4 h及8 h脱险组的脾指数均明显下降，12 Gy的尤其明显。该部分结果也和减压病的发病率、死亡率及肺损伤相一致。该部分结果提示，较低剂量(4 Gy)照射导致的脾损伤可随时间延长自身有所恢复，但较高剂量，如6 Gy以上的照射，则机体无法恢复。由于脾脏是淋巴细胞成熟、分化、再循环的重要场所，能分泌干扰素、补体、细胞因子等重要免疫活性物质，与体液免疫和细胞免疫均有密切的关系，在机体的免疫功能中具有重要作用[11-13]，因此核辐射后脾指数下降所反映的机体免疫机能下降，对核潜艇核事故后脱险艇员并发症预后的影响不可忽视。

肺属于对核辐射中度敏感的器官，较高剂量的核辐射易造成放射性肺损伤，放射性肺损伤早期表现为组织充血水肿、渗透增加等炎症反应[14]。同时肺也是减压病的重要靶器官，学术界普遍认为减压病是机体高气压暴露时间超过一定时限后，减压速度过快造成体内溶解的惰性气体大量析出而引起的[15,16]。快速上浮脱险过程肺内压力变化剧烈，前期核辐射造成的肺损伤会导致气体交换功能下降，不利于惰性气体脱饱和，更易加剧快速上浮脱险减压病的风险。故核辐射和减压病在肺损伤上有可能出现叠加效应，放射性肺损伤有可能增加后续快速上浮脱险减压病的风险。在本研究结果中，使用相同的快速上浮脱险方案，与空白对照组相比，无辐射的脱险对照组大鼠肺W/D无显著性改变，而4 Gy、6 Gy、12 Gy辐射后4 h脱险组大鼠肺湿干重比却升高显著(P<0.05，P<0.01)，证明核辐射与快速上浮脱险减压病对肺损伤的确存在复合效应。4 Gy、6 Gy辐射后4 h组大鼠肺W/D较空白组明显增高，而4 Gy、6 Gy辐射后8 h组无显著性差异，而12 Gy辐射后4 h、8 h脱险组大鼠肺W/D均显著高于空白组。这部分结果提示辐射剂量不超过6 Gy的辐射，对大鼠造成的肺损伤，在4 h～8 h之间可得到部分缓解，而12 Gy辐射造成的大鼠肺损伤过于严重，很难自愈。同时我们观测到各组肺W/D指数与减压病发病率、死亡率及肺组织病理损伤呈一致性。该现象提示肺组织损伤与快速上浮脱险减压病发病率之间存在显著相关性，证明放射性肺损伤的确会增加快速上浮脱险减压病的风险。该部分结果也与我们前期发现的快速上浮脱险减压病以心肺损伤为主相一致[17]。

放射性肺炎的分子学机制很复杂，大量研究表明多种细胞因子(IL-1、IL-6、IL-8、IL-10、TGF-β、TNF-α等)在放射性肺炎发生及发展过程中起着重要的作用[18-20]。IL-1β是出现在局部或全身炎症反应早期的一种重要的促炎细胞因子，由激活的单核巨噬细胞、中性粒细胞、表皮细胞和内皮细胞等分泌，受Toll样受体/Nod样受体通路及Caspase-1通路进行调节和激活，可以通过诱导炎症反应相关基因的表达和活性自由基的释放扩大炎症反应[21]。血浆IL-1β增加，会进一步诱导其它炎性介质的释放，加剧炎症反应，更易诱发减压病。在我们的实验中，所有辐射干预组大鼠快速上浮脱险后血浆IL-1β浓度较无辐射的脱险对照组均显著升高且各辐射脱险组之间IL-1β的值无明显区别。说明辐射对快速上浮脱险后机体的炎症反应有叠加效应,且低剂量辐射对炎症因子就有很强的诱导反应。在本实验中，因时间及研究经费问题，未检测其余和肺损伤相关的炎症因子，如TNF-α、TGF-β等，该部分炎症因子也是肺损伤导致的炎症因子风暴中重要组成部分，在后续实验中将进一步探讨。

综上所述，核辐射引起放射性肺损伤、免疫功能下降及血浆炎症因子浓度升高会增加大鼠快速上浮脱险减压病的风险。在较低剂量照射(4 Gy)以下，辐射引起的肺损伤、脾指数下降将随着暴露后时间的延长，机体有所恢复，但在较高剂量(6 Gy)以上，机体将无法自行恢复，加重快速上浮脱险减压病的发病率及死亡率。