房间隔缺损封堵术动物模型在高+Gz歼击机飞行条件下的安全性评价

孙津津，张海涛，王俊华，李 利，黄丛春，王建昌，崔 丽，徐先荣

(空军特色医学中心： 1心血管内科， 2超声科， 3医研部， 4睡眠医学科， 5航空航天眩晕诊疗研究中心，北京 100142)

房间隔缺损(atrial septal defect，ASD)是成人最常见的先天性心脏病，其中继发孔型ASD最常见，首选治疗方法是经导管ASD封堵术[1-3]。该方法在普通人群中的有效性和安全性已经得到公认。飞行人员尽管经过严格医学选拔，但国内外均有飞行员罹患ASD的案例[4-6]。一般情况下，ASD患者的血流在心房水平存在由左向右分流，歼击机飞行员若患ASD则在紧张、咳嗽、瓦尔萨瓦动作、抗荷动作或加压呼吸等特殊情况下，可导致血流双向分流甚至由右向左分流，易发生反常性栓塞[7-8]。较大的缺损可能使未经肺循环的静脉血再次进入体循环，加重高空缺氧的程度，若同时发生高空迅速减压，这种结构异常为减压后的静脉气栓进入动脉系统提供了可能性。因此，对患ASD的歼击机飞行员应更积极地进行介入封堵治疗[9-12]。但歼击机飞行员存在反复高载荷暴露，而对治疗后封堵器在航空环境下的稳定性和安全性尚未有客观评价。本研究通过制作ASD封堵术动物模型，观察反复高正加速度(+Gz)暴露对植入封堵器后心脏的影响，为飞行人员ASD医学鉴定提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

健康雄性西藏小型猪(由中国医学科学院阜外医院动物实验中心提供)12头，6～8个月龄，体质量19～22 kg，研究方案经中国医学科学院阜外医院动物伦理委员会批准(许可证号：2010-1-20-125ZD)。

1.2 方法

1.2.1 ASD动物模型制备 将动物随机分为实验组和对照组，每组各6头。实验组全麻后固定，连接心电监护。应用Seldinger法穿刺左颈静脉和右股静脉，置入6F鞘管。通过颈静脉入路送入十极电极至冠状静脉窦内，协助定位房间隔。通过右股静脉沿导丝送入房间隔穿刺鞘套管，在X线透视下送入房间隔穿刺针行房间隔穿刺，对比剂造影证实穿刺成功，送入长导丝至左房，沿导丝将5 mm×20 mm扩张球囊准确定位，以12 160 mmHg的压力持续20 s扩张房间隔穿刺部位数次，退出球囊，经胸超声证实存在3 mm左右的中央型缺损，缝合皮肤穿刺部位。

1.2.2 介入封堵动物模型建立 ASD动物制备1周后经股静脉入路，将镍钛记忆合金封堵器固定于输送杆顶端，通过输送鞘管，沿导丝先送至缺损房间隔的左房中部，回撤鞘管使左房侧伞面张开，然后回拉封堵器至存在适当张力后释放右房侧伞面，确定封堵器位置良好后，释放封堵器。退出鞘管，缝合皮肤穿刺部位。

1.2.3 动物+Gz暴露 介入封堵动物模型制作6个月后，实验组和对照组均进行离心机实验，将小型猪竖直放入特制圆柱形铝筒(筒高80 cm，直径35 cm，筒底装有缓冲软垫)，固定于离心机座椅上，以模拟飞行状态下人类体位。暴露条件为5 Gz/60 s 1次，7 Gz/60 s 3次，9 Gz/60 s 1次，11 Gz/30 s 1次，G值增长率为1 G/s，每次加载间隔5 min。在+Gz暴露前、中、后记录心电图，同步观察动物状态；+Gz暴露前后行经胸心脏超声检查；取+Gz暴露前及暴露后4、24 h颈静脉血，测定血浆肌酸激酶同工酶(creatine kinase MB isoenzyme，CK-MB)、肌钙蛋白I/T(troponin I/T，TnI/T)、脑钠肽(brain natriuretic peptide，BNP)、C-反应蛋白(C-reactive protein，CRP)。

1.2.4 房间隔封堵器复合体拉伸实验 +Gz暴露24 h处死动物，取出心脏，实验组分离取出房间隔封堵器复合体，37 ℃环境下，将复合体组织块固定于动态试验机，连接仿真平台RBT-6s200P电脑系统，以1 mm/min的速度牵拉，自动记录牵拉力、长度拉力曲线和疲劳断裂力。

2 结果

2.1 心电图及心脏超声变化

实验组行封堵术后经胸超声显示，植入的封堵器位置良好。实验组和对照组在高+Gz重复暴露中，心电图均出现心率明显加快、 P波和T波尖耸、下壁和前壁导联S波加深、窦性心律不齐等改变，至暴露后0.5 h心电图完全恢复。对比暴露前后心电图没有明显变化。两组+Gz暴露前后心脏超声各项参数比较差异无统计学意义(P>0.05)；两组间比较，各项参数+Gz暴露前后的变化亦无显著统计学意义(P>0.05，表1)。

表1 +Gz暴露前后两组动物心脏超声指标的变化

2.2 +Gz暴露前后血浆CK-MB、TnI/T、BNP、CRP变化

与+Gz暴露前相比，+Gz暴露后不论是实验组还是对照组,血浆CK-MB、TnI/T、BNP、CRP水平均明显升高(P<0.05)；与暴露后4 h相比，暴露后24 h血浆CK-MB、TnI/T、BNP、CRP水平明显下降(P<0.05)，但仍显著高于+Gz暴露前水平(P<0.05)。+Gz暴露后4、24 h，实验组与对照组血浆的CK-MB、TnI/T、BNP、CRP水平均无显著性差异(P>0.05，表2)。

表2 +Gz暴露前后两组血浆肌酸激酶同工酶、肌钙蛋白Ⅰ/T、脑钠肽和C-反应蛋白的变化

aP<0.05vs同组内+Gz暴露前，cP<0.05vs同组内+Gz暴露后4 h。

2.3 组织病理学改变

大体解剖观察，实验组封堵器完好、无移位，心肌周围组织无充血、淤血、水肿、坏死等表现(图1)。光镜观察，心肌细胞排列整齐、完整，未见坏死；封堵器周围包绕纤维结缔组织，表面可见单层内皮细胞覆盖(图2)，形成房间隔封堵器复合体。

A：心脏；B：右房面；C：左房面。图1 +Gz暴露后实验组动物心脏大体观察

A：封堵器连接部位的房间隔组织(HE ×200)；B：封堵器内部组织(HE ×100)。图2 +Gz暴露后实验组动物心肌组织显微镜下观察

2.4 房间隔封堵器复合体拉伸实验

对6个房间隔封堵器复合体进行单向拉伸实验，样本与夹具滑脱之前，均未发生封堵器与组织连接部位损伤、撕裂和脱位，其中1个样本与夹具相连部位出现撕裂，而非封堵器与组织连接部位，其余5个样本因拉伸过程中发生夹具滑动而中止实验。实验中精确测得封堵器直径5 mm，质量0.07 g，复合体质量5.24～7.02(6.07±0.60)g，实验终止时应力为18.94～29.37(22.56±3.89)N。以最大质量11 g估算封堵器在加速度暴露中所承受的惯性离心力(复合体质量按最大值7.02 g估计)：F=ma=7.02×10-3×11×0.98≈0.076 N。

房间隔封堵器复合体组织应力-应变曲线显示，房间隔封堵器复合体作为一个整体仍具有超弹性材料的特点。在复合体所受的垂直应力达30.4 N时，夹具发生了移位滑动，但未发生组织损伤和断裂(图3)。

图3 房间隔封堵器复合体组织应力应变曲线

3 讨论

当歼击机做盘旋、筋斗、俯冲改出等特技动作时，飞行员头向圆心，受到足向头的持续性+Gz作用，产生头向足的惯性离心力，使血液向下半身转移，同时心脏、大血管等器官向骨盆方向移位，并发生变形。当房间隔植入封堵器后+Gz也会对其产生同样的作用。猪的心脏大小、形态、房间隔形态和位置与人类非常相似，是动物模型最理想的选择。本研究制作了小型猪ASD模型，并经股静脉入路成功植入封堵器，行封堵术前、后心电图未见明显变化，心脏超声显示植入的封堵器位置良好，表明ASD封堵造模成功[13-14]，且手术未对心脏功能和其他结构造成明显影响。

加速度暴露对机体心脏存在不良影响。研究显示，高G值应激可能对心脏的组织细胞代谢和功能、心肌超微结构、心脏功能等造成一定的影响[15]。其中心脏传导系统方面，高G值可导致心律失常，特别是室性期收缩的发生，但心律失常的发生多为一过性和可逆性[16]。封堵术最常见的术后并发症为心律失常，表现形式与缺损部位、封堵器放置等有关[17]。本研究造模成功后未出现心律失常，高+Gz暴露过程中，心电图在加速度的上升阶段心率加快，P波高尖、S波加深、T波尖耸、窦性心律不齐等改变，随着重复加载，心电图改变明显好转，+Gz暴露后心电图完全恢复，呈现可逆性改变，始终未发现缺血性ST-T动态改变及持续性心律失常。说明本模型封堵器植入后并不增加航空环境下心律失常的发生率。且经胸心脏超声证实高+Gz暴露对心脏形态结构和心脏泵血功能的总体影响较小。

心肌标志物的检测结果显示，持续高+Gz暴露后4、24 h，实验组及对照组动物血浆CK-MB、TnI/T、BNP、CRP均较暴露前有显著升高，差异有统计学意义(P<0.05)，可能与加速度作用下应激增加、交感兴奋、心肌缺血缺氧等有关，与既往类似研究结果一致[18-19]。同时，暴露后24 h上述指标较暴露后4 h有显著下降，表明心肌损害为一过性。暴露后4 h上述指标两组间差异无统计学意义，暴露后24 h两组间差异也无统计学意义(P>0.05)，提示植入房间隔封堵器并没有进一步加重心肌损伤。

封堵器植入6个月大体解剖观察，实验组封堵器完好、无移位，周围心肌组织无充血、淤血、水肿、坏死等表现，形成了房间隔封堵器复合体，表明封堵器与周围组织相容性良好，重复高+Gz值未引起封堵器及周围心肌组织的移位、损伤和脱落，具有较好的稳定性。 在加速度作用下，组织器官所受应力大小与受力范围密切相关，受力范围越大，承受应力越小，变形移位程度越轻，损伤可能性越小[20]；封堵器植入已形成了房间隔封堵器复合体，受力面积明显增大，可耐受更高的惯性离心力。力学效应的结果和程度与受力部位也有很大关系，当+Gz值较高时，心脏和大血管会变形移位，在X线片上显现出心脏影像拉长，主动脉弓加长，心脏右缘变平、横径显著缩短，左心室轮廓缩小，这种改变随着加速度加载的终止逐渐复原，表明心肌具有黏弹性质，其拉伸应力随拉伸速度的增大而略有增大[21]。房间隔封堵器复合体可简化为一种均一的软组织，由拉伸实验绘制的应力-应变曲线可知，房间隔封堵器复合体具有超弹性体的特点，实验终止时应力最高达30.4 N也未发生周围组织损伤、撕裂及封堵器脱落，推测造成封堵器脱落的应力应高于30.4 N，这个数值明显高于封堵器瞬间所受的0.076 N的理论离心力值。在现实情况下，应将房间隔封堵器复合体与心脏作为一个整体看待，在胸腔和心脏的缓冲作用下，+Gz作用时，整个复合体所承受的离心力比理论计算值更小，说明在高达+11 Gz载荷下，房间隔封堵器复合体仍然是安全的，不会发生脱位、损伤或撕裂。

综上所述，本研究通过对房间隔封堵术动物模型在重复高+Gz条件下的心电、心脏结构和功能、心肌标志物及其房间隔封堵器复合体力学特点等进行观察评价，证明了在模拟歼击机+Gz暴露下，复合体的稳固性和动物的耐受性良好，从而为歼击机飞行员ASD封堵术后的飞行适应性评价和特许飞行鉴定提供了重要的实验依据。