爆震性耳鳴及聽力損失動物模型研究

呂佳蕙 李智慧王新蘭鐘翠萍*

1中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九四〇醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科（蘭州 730050）

2寧夏醫(yī)科大學(xué)臨床學(xué)院研究生院（銀川 750004）

耳鳴是一種發(fā)生率較高且被人們重視的癥狀，是一種聽覺感知的錯(cuò)覺，可同時(shí)伴有聽力下降?；颊咴诙浠蝾^部出現(xiàn)不想要的聲音，且常常伴隨焦慮、煩惱、失眠、易怒和抑郁等情緒問題，對日常生活產(chǎn)生重大影響。最常見的導(dǎo)致耳鳴的病因是聲創(chuàng)傷，軍人耳鳴的最常見原因是軍事噪聲暴露，服役超過兩年的軍人聽力損失發(fā)病率為23%-48%不等，服役超過兩年的高炮兵聽力損失的發(fā)生率達(dá)48.3%[1]。由于目前人們對爆震性耳鳴的潛在機(jī)制并不完全了解，還沒有有效的治療措施，因此，建立可靠的動物模型對了解爆震性耳鳴發(fā)生的機(jī)制及如何預(yù)防、治療聲創(chuàng)傷導(dǎo)致的耳鳴都是十分有必要的。本文對爆震性耳鳴模型動物、爆震暴露條件、模型鑒定的檢測指標(biāo)等方面進(jìn)行綜述，為爆震性耳鳴動物模型的建立提供方向。

1 模型動物

根據(jù)研究目的、方法及檢測指標(biāo)的不同，在研究耳鳴及聽力損傷動物模型中，嚙齒類動物是最常用的動物模型。大鼠、小鼠及豚鼠都曾被選為耳鳴及聽力損失相關(guān)動物模型來研究損失機(jī)制與防護(hù)。大鼠、小鼠及豚鼠有著不同的優(yōu)勢。大鼠體積大，較小鼠及豚鼠更易進(jìn)行各種耳蝸手術(shù)操作，Wang等[2]為深入了解爆炸超壓（BOP）導(dǎo)致的聽覺功能障礙相關(guān)的病理生理機(jī)制，利用耳鏡來觀察模擬爆炸后大鼠的中內(nèi)耳結(jié)構(gòu)變化情況。小鼠的遺傳信息庫完善，常用于基因水平的實(shí)驗(yàn)。豚鼠耳蝸較大，聽覺耳動反射明顯，內(nèi)耳解剖結(jié)構(gòu)與人類相似。李朝軍等[3]采用聽覺腦干反應(yīng)（ABR）評估不同強(qiáng)度沖擊波負(fù)壓（BUP）暴露后豚鼠聽力損失特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)豚鼠聽力損失以低頻更明顯，且負(fù)壓強(qiáng)度越高、暴露次數(shù)越多聽力損失越重。相較嚙齒類動物，小型豬有著某些與人類類似的生理結(jié)構(gòu)及特性，如內(nèi)耳結(jié)構(gòu)和聽覺特征，在耳科研究中的作用和地位越來越重要[4]，目前已經(jīng)建立了完善的小型豬聽覺數(shù)據(jù)庫和一系列的小型豬耳聾模型[5]。

目前多采用爆炸管建立動物模型研究爆震性耳鳴及聽力損傷。Zhang[6]、MAO等[7]采用爆炸管建立動物模型分別進(jìn)行爆震性耳鳴及爆震性聽力損失的研究。除此之外，沖擊波、強(qiáng)噪聲也用來建立爆震性耳鳴及聽力損傷相關(guān)動物模型[8]。

2 爆炸暴露條件

炸藥爆炸后產(chǎn)生BOP，BOP是環(huán)境空氣壓力中的一種高強(qiáng)度擾動，它會產(chǎn)生超過170 dB的高強(qiáng)度聲音(脈沖)[9]。爆炸波包含了爆炸風(fēng)和沖擊波。當(dāng)爆炸發(fā)生時(shí)，爆炸風(fēng)會產(chǎn)生比音速還快的沖擊波。這些沖擊波特點(diǎn)是壓力的快速增加和高壓峰值，被認(rèn)為是最具侵入性的，可以影響活體組織[10,11]。爆炸沖擊波主要在人體內(nèi)部的空氣-組織界面施加壓力，因此聽覺系統(tǒng)處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)[12]，鼓膜、耳蝸和中央聽覺通路，都是機(jī)體最常被爆炸壓損傷的部位[13]。鼓膜是檢測爆炸影響的主要部位，只要壓力比大氣壓高5PSI，就會使人的鼓膜破裂[12]。除了鼓膜穿孔或破裂外，沖擊波對鼓膜組織造成的任何損傷都將影響鼓膜的力學(xué)性能，并改變鼓膜用于聲音傳輸?shù)恼Ｐ阅?。相比外耳，中耳損傷在爆震致聽力損失患者中發(fā)生率更高，130dB或更高的壓力即可導(dǎo)致鼓膜破裂、聽小骨骨折或脫位，在爆震引起的聲創(chuàng)傷中噪聲強(qiáng)度常超過140dB[14]。Zhang[6]的動物模型中為 180dB,在 MAO等[7]的實(shí)驗(yàn)中爆震噪聲強(qiáng)度為194dB。Mrena等[15]發(fā)現(xiàn)耳鳴可能在聲創(chuàng)傷、強(qiáng)噪聲暴露后立即發(fā)生。

爆炸暴露效果與爆炸持續(xù)時(shí)間、爆炸力、爆炸暴露次數(shù)等有關(guān)。Zhang[6]的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)慢性耳鳴是在22 PSI、大部分能量集中在5kHz以下的頻率、峰值水平約為180dB SPL時(shí)引起的。MAO等[7]為了誘導(dǎo)耳鳴、聽力損失，將大鼠在無耳部防護(hù)的條件下暴露在平均能量在10kHz以下，10毫秒，194dB SPL沖擊波下。研究顯示爆炸暴露的大鼠在多個(gè)頻率測試中表現(xiàn)出早發(fā)性耳鳴和聽力損失的跡象。雖然大部分頻率的耳鳴和聽力損失在爆炸后第28天已經(jīng)恢復(fù)，但某些高頻的聽力損失在爆炸后第90天的測試中仍然存在。導(dǎo)致所有頻帶的早發(fā)耳鳴，并隨著時(shí)間的推移向高頻方向移動。爆震后ABR閾值明顯比爆震前升高，但在爆震后第14天恢復(fù)到基線水平。Luo等[8]把大鼠在單耳防護(hù)的條件下暴露在平均能量在10kHz以下，10毫秒，197.5dB SPL沖擊波下，在暴露后1天、1個(gè)月和3個(gè)月測量自發(fā)放電率，結(jié)果顯示：爆炸暴露后1個(gè)月內(nèi)誘發(fā)了耳鳴，暴露后3個(gè)月的耳鳴發(fā)生頻率范圍為26-28kHz。多次爆炸暴露可以更真實(shí)地模擬戰(zhàn)爭場景。有調(diào)查研究顯示[16]耳鳴及聽力損失這兩者的發(fā)病率與暴露的時(shí)間長短存在正相關(guān)，尤其是暴露時(shí)間達(dá)到5年以上者。Gan等[9]發(fā)現(xiàn)在輕度創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）水平(15-20 PSI)的多次爆炸暴露下，栗鼠發(fā)生了漸進(jìn)式聽力損害。在該研究中，兩組動物（2次暴露、3次暴露）暴露在大約103-138 kPa（15-20PSI）的BOP水平，兩組動物連續(xù)接受爆炸暴露的時(shí)間間隔約為10分鐘，在暴露后第1、4、7、14天分別測定 ABR、畸變產(chǎn)物耳聲發(fā)射(DPOAE)水平，數(shù)據(jù)顯示聽力損傷的嚴(yán)重程度與爆炸次數(shù)呈顯著相關(guān)，輕度創(chuàng)傷性腦損傷的爆炸次數(shù)對聽力損害有嚴(yán)重影響。Chen等[17]探討在重復(fù)低強(qiáng)度（3-5 PSI）爆炸暴露后，對栗鼠（一只耳保持開放，另一只耳用耳塞保護(hù)）的急性和漸進(jìn)性聽力損害進(jìn)行了量化。在該實(shí)驗(yàn)中，兩組動物（2次暴露、3次暴露）暴露在大約21-35kPa（3-5PSI）的BOP水平，發(fā)生2次重復(fù)爆炸的時(shí)間間隔約為2小時(shí)，發(fā)生3次重復(fù)爆炸的時(shí)間間隔約為10分鐘。2次暴露組為急性組，在每次沖擊波暴露后測量ABR、DPOAE和中潛伏期反應(yīng)(MLR)。3次暴露組為漸進(jìn)組，在沖擊波暴露后第1、4、7天分別測量ABR、DPOAE和MLR。研究顯示雖然BOP水平是一個(gè)重要因素，但爆炸次數(shù)對聽力損傷存在疊加效應(yīng)。

3 模型鑒定的檢測指標(biāo)

3.1 影像學(xué)分析

相較于其他分析手段及檢測指標(biāo)，基于影像學(xué)非侵襲性的優(yōu)勢，影像學(xué)不僅可以用來探索爆震暴露后耳部結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的改變，還可以研究多種神經(jīng)結(jié)構(gòu)的變化，來闡述爆震暴露與耳鳴及聽力損失之間的聯(lián)系。電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)（CT）、磁共振成像（MRI）通常用來分析客觀性耳鳴的病因。如杜昱平等[18]利用CT、MRI分析搏動性耳鳴患者的具體病灶。噪聲所致耳鳴通常為主觀性耳鳴，單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像(SPECT)、功能磁共振成像(fMRI)和正電子發(fā)射斷層成像(PET)通常用于研究耳鳴及聽力損失患者的聽覺中樞結(jié)構(gòu)及代謝的變化[7]。Arnold等[19]首次將PET用于研究耳鳴，發(fā)現(xiàn)耳鳴患者聽覺皮層代謝活動增加。其后Lockwood等[20]應(yīng)用PET通過測量人腦血流量來證明耳鳴相關(guān)的腦活動，發(fā)現(xiàn)耳鳴響度增大時(shí)，對側(cè)聽皮層腦血流量增加。Richard等[21]用PET研究耳鳴，發(fā)現(xiàn)單側(cè)噪聲暴露導(dǎo)致耳聾顯著抑制海馬新生神經(jīng)元的生成，并導(dǎo)致噪聲暴露動物的記憶損傷。在動物研究中，錳增強(qiáng)磁共振成像(MEMRI)已被用作一種活動依賴性和順磁性對照劑來研究解釋說明耳鳴及聽力損失發(fā)生時(shí)相關(guān)神經(jīng)結(jié)構(gòu)的電活動情況。錳是一種依賴于活動的順磁性造影劑，主要在突觸上通過電壓門控鈣通道在活躍的神經(jīng)元中積累，并作為結(jié)構(gòu)和功能的指示器。Brozoski等[22]利用MEMRI來評估具有心理物理證據(jù)的慢性聲暴露性耳鳴大鼠中樞聽覺通路的神經(jīng)活動模式。在大鼠單邊暴露于以16kHz為中心，峰值強(qiáng)度為115 dB SPL的窄帶噪聲前24-28小時(shí)接受20 mg/kg腹腔注射MnCl2，在成像之前立即注射致命劑量的戊巴比妥-異丙醇鈉混合物，暴露后斬首,切除頭皮和下頜骨后成像26片，經(jīng)后期軟件處理得到MEMRI圖像，研究表明爆震暴露后大鼠同側(cè)聽覺通路的神經(jīng)活動增強(qiáng)，有慢性耳鳴心理物理證據(jù)的大鼠聽覺腦干神經(jīng)活動增強(qiáng)。目前為止，MEMRI在耳鳴動物的研究中發(fā)現(xiàn)，耳蝸背核(DCN)、腹側(cè)耳蝸核(VCN)、下丘(IC)和副絨球中錳的積累或活性增加。

3.2 行為測試

Morris水迷宮是目前評價(jià)認(rèn)知功能最經(jīng)典和普遍的方法，用來觀察動物模型在爆震暴露前后發(fā)生的行為、認(rèn)知、學(xué)習(xí)及記憶改變。趙曉雨等[23]采用此方法來研究強(qiáng)噪聲急性暴露后豚鼠的神經(jīng)認(rèn)知功能改變，發(fā)現(xiàn)120dB的白噪聲持續(xù)暴露4h可引起豚鼠不適和緊張恐懼的趨避行為、焦慮和抑郁樣行為以及神經(jīng)系統(tǒng)器質(zhì)性損傷所致的運(yùn)動功能障礙等。飲水抑制法是Jastreboff等[24]于1988年為證明動物耳鳴的發(fā)生，在背景噪音中,煩渴的大鼠可自由舔水,背景噪音停止時(shí)舔水被電擊,使大鼠形成“聲音存在時(shí)飲水,安靜不飲水”的條件反射。間隙檢測聲學(xué)驚嚇反射是Turner等[25]發(fā)現(xiàn)的驚嚇可由噪聲產(chǎn)生聽覺驚跳反射，是一種通過確定動物耳鳴的知覺和特征來測量耳鳴表現(xiàn)的心理物理特征的行為方式。跳臺反射法是由Guitton等[26]訓(xùn)練大鼠建立一種“聲音刺激-足底電擊-跳臺逃避”的條件反射來觀察耳鳴。張恩柱等[27]用跳臺法來證明水楊酸動物耳鳴的產(chǎn)生。

3.3 電生理測試

為了闡明爆震所致耳鳴發(fā)生的神經(jīng)機(jī)制，研究人員利用電生理記錄研究了耳蝸背核、下丘、聽覺皮質(zhì)等聽覺腦結(jié)構(gòu)的電生理活動變化。這些研究表明，耳鳴與神經(jīng)自發(fā)放電增加、神經(jīng)纖維重塑等相關(guān)。Levine[28]推測噪聲暴露后短暫耳鳴發(fā)生的病理生理可能是因?yàn)槁犐窠?jīng)輸入的減少會導(dǎo)致背側(cè)耳蝸核的抑制解除，中樞聽覺系統(tǒng)的自發(fā)活動增加。Luo等[8]發(fā)現(xiàn)，在爆震引起的耳鳴中，耳蝸背核和下丘的自發(fā)放電率升高發(fā)生在發(fā)病早期（1天或1個(gè)月)，聽覺皮層中自發(fā)放電率延遲升高(3個(gè)月)。從時(shí)間上看，急性耳鳴可能主要由下丘的過度活躍引起，而慢性耳鳴可能主要由高級聽覺結(jié)構(gòu)介導(dǎo)。

由于動物不能主觀表述爆震暴露后聽力的變化情況，常采用聽覺電生理客觀判斷其爆震效果。常用指標(biāo)如下：ABR、MLR、DPOAE。ABR常用在爆震前后比較評估實(shí)驗(yàn)動物外周的聽覺系統(tǒng)與腦干聽覺傳導(dǎo)通路的變化情況，其結(jié)果可靠，操作簡便。Wang等[2]將大鼠暴露于BOP，分別對兩組BOP暴露大鼠和對照組大鼠進(jìn)行了ABR和DPOAE評價(jià)，在爆震前(3-5天)測量ABR和DPOAE作為基線，并在爆震后第1、7、14、28天測量爆震暴露組與對照組ABR和DPOAE,發(fā)現(xiàn)在整個(gè)測試頻率范圍內(nèi)（4-40 kHz），爆震暴露組持續(xù)1個(gè)月聽力損失,在亞急性時(shí)間點(diǎn)的恢復(fù)階段，低頻(如4-8 kHz)的聽力改善比高頻(如32-40 kHz)相對更早。

3.4 組織病理學(xué)改變

爆震后可導(dǎo)致耳外傷，如耳廓及外耳道斷裂、撕裂等，影響外耳對聲波的增壓及對聲源的定位作用。爆震暴露后可以觀察到鼓膜破裂，且穿孔處出現(xiàn)紅腫、邊緣外翻、邊緣倒置等情況；聽小骨的移位和（或）斷裂，鼓膜張肌、鐙骨肌等韌帶的損傷可影響來自外耳道的聲能傳遞到耳蝸，常引起傳導(dǎo)性聽力喪失[10-14]。對暴露于爆炸環(huán)境下的嚙齒動物的內(nèi)耳進(jìn)行組織病理學(xué)檢查（如耳蝸基底膜鋪片及染色、掃描電鏡等方法），發(fā)現(xiàn)耳蝸基底膜破裂，耳蝸毛細(xì)胞受到創(chuàng)傷。聲音誘發(fā)的振動是由毛細(xì)胞頂端表面的靜纖毛傳導(dǎo)的,毛細(xì)胞靜纖毛束將聲音的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電化信號，由于其高度的機(jī)械敏感性，容易被響亮的聲音破壞，毛細(xì)胞通過多種途徑發(fā)生死亡，導(dǎo)致永久性聽力喪失，表現(xiàn)為聽覺閾值升高。爆震產(chǎn)生的壓力波可造成耳蝸外毛細(xì)胞的靜纖毛束損傷，鉀離子排出受阻，內(nèi)淋巴積液，過多的內(nèi)淋巴液刺激毛細(xì)胞釋放過量的谷氨酸，過量谷氨酸的興奮性毒性導(dǎo)致離子和水進(jìn)入突觸，引起突觸病變，Kim等[29]研究了暴露在簡易爆炸裝置的沖擊波中的老鼠，體內(nèi)耳蝸成像顯示內(nèi)淋巴液的體積增加，機(jī)械敏感毛細(xì)胞靜纖毛損傷引起內(nèi)淋巴積水、毛細(xì)胞丟失和內(nèi)淋巴K+潴留導(dǎo)致的谷氨酸依賴的耳蝸突觸病。鐙骨的劇烈活動可導(dǎo)致圓窗膜破裂、迷路的震蕩性損傷,引起Corti器、耳蝸神經(jīng)及螺旋神經(jīng)節(jié)等處的損傷，迷路震蕩又可造成耳石膜移位或者耳石脫落，患者可出現(xiàn)耳鳴、聽力下降等癥狀[30]。

4 結(jié)語

近年來，隨著軍事力量及新型裝備武器的發(fā)展，爆震性耳鳴及聽力損失的發(fā)生率也在不斷提高，造成的個(gè)人與社會負(fù)擔(dān)也越來越沉重。想要明確爆震引起耳鳴及聽力損失的詳細(xì)機(jī)制而開發(fā)該疾病的預(yù)防和治療手段，建立合理的動物模型就顯得尤為重要。根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)動物自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究制定最佳的爆震參數(shù)可以幫助人們明確爆震性耳鳴及聽力損失的潛在機(jī)制，并為有效防治措施的建立提供可靠依據(jù)。