賈 蕤 郭立國 聶 闖 李雨心 宋飛龍 夏麗萍馬紅磊 任 逸 羅 靈*

(1.解放軍醫(yī)學院, 北京 100853; 2.中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊特色醫(yī)學中心, 北京 100101;3.中國航天員科研訓練中心, 北京 100094; 4.首都醫(yī)科大學附屬北京朝陽醫(yī)院, 北京 100020)

1 引言

航天器的返回再入是載人登月任務中的關鍵過程。 當航天器以第二宇宙速度返回地球時,反推火箭的動力減速和大氣層的氣動減速會使航天員處于高重力(高G 值)過載環(huán)境中,引起機體生理系統(tǒng)機能的改變,全身體液發(fā)生重新分布,體液沿著慣性力方向轉移,流體靜壓增加,可導致腦血流量下降和缺氧[1]。 戰(zhàn)斗機飛行員突然轉變飛行方向時也會承受過載,當過載值較高時,會引起飛行員視野缺陷,周邊視力喪失(中心視力仍然存在)等眼部表現(xiàn)[2],甚至導致意識喪失(G-induced Lose of Consciousness,G-LOC)[3]。 眼損傷導致的視力下降會直接降低航天員和飛行員的工作能力,甚至造成失能。 目前,過載對眼壓(Intraocular Pressure,IOP)和視神經(jīng)影響的研究較少,Kim 等[4]研究了10 G 過載暴露4 h 對小鼠眼壓的影響,發(fā)現(xiàn)暴露于過載環(huán)境會導致眼壓降低。 因此,了解航天返回階段過載環(huán)境對眼壓的影響對保障航天員避免眼損傷有重要意義。

目前跳躍式再入軌道返回模式可減小月地返回航天員受到的過載峰值。 美國阿波羅組號返回艙進入大氣層后在大氣層內彈跳;嫦娥5 號返回器在第一次進入大氣層后穿出,然后二次進入大氣層。 在神舟飛船返回艙內航天員為臥姿狀態(tài),臥姿座椅背角為20°,航天員腿部蜷曲,雙腳收于腳踏上。 在阿波羅號航天器內航天員為躺姿狀態(tài),躺姿座椅背角為0°,航天員腿部垂直,雙腳收于腳踏上[5]。 航天器返回時,過載曲線和航天員姿勢不同,對航天員的身體機能影響也不同。 本文對獼猴進行模擬過載實驗, 旨在研究模擬嫦娥號和阿波羅號過載曲線下航天員不同姿勢對于眼壓和視神經(jīng)的影響。

2 方法

2.1 實驗動物與分組

雄性獼猴12 只,購自北京中科靈瑞生物技術有限公司,年齡4～8 歲,體重7～11 kg,體長80～100 cm,健康、無人畜共患病,不攜帶B 病毒和結核桿菌等致病因子。 獼猴在常規(guī)飼養(yǎng)期間,保持室內溫度25 ℃左右及良好的濕度和通風條件,定時投放食物和水,每組喂養(yǎng)條件相同。 該實驗通過了中國航天員科研訓練中心倫理委員會審核批準。

按照實驗過載暴露曲線不同,12 只獼猴隨機分為2 組:臥姿的嫦娥組(A 組)和躺姿的阿波羅組(B 組),每組6 只獼猴。

2.2 藥品與試劑

主要藥品與試劑:肌肉注射氯胺酮(按體重10 mg/kg 給藥),復方托品酰胺滴眼液(北京雙鶴現(xiàn)代醫(yī)藥技術公司),眼球固定液(北京天悅東方基因技術有限公司),二甲苯(國藥集團化學試劑有限公司),蘇木素染液(北京中杉金橋生物技術有限公司),伊紅染液(北京中杉金橋生物技術有限公司)。

2.3 實驗設備

采用中國航天員科研訓練中心自行研發(fā)的數(shù)控動物離心機,由機械系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)等部分構成,可使離心機輸出過載指標與試驗設計過載環(huán)境保持較好的一致性;iCare 手持式回彈眼壓計(芬蘭iCare 公司),測量范圍7～50 mmHg,顯示范圍0～99 mmHg,可測量動物眼壓;超聲生物顯微鏡檢查UBM(Ultrasound Biomicroscopy,天津市索維電子技術有限公司),可觀察眼前節(jié)組織結構的細微改變。

2.4 造模及處理

模擬試驗A 組,以嫦娥號再入過載曲線[6]為輸入曲線,獼猴前傾20°以模擬臥姿坐于離心機長臂上;模擬試驗B 組,以阿波羅號再入過載曲線[6]為輸入曲線,獼猴模擬躺姿垂直坐于離心機長臂上。 獼猴模擬姿態(tài)及再入過載曲線如圖1 所示,A 組過載曲線Gz軸為G總·sin20°,Gx軸為G總·cos20°;B 組Gz軸為0,Gx軸為G總。 根據(jù)以往獼猴高過載試驗結果推測,在最大峰值15 G 以上時會出現(xiàn)重要臟器損傷。 因此,本實驗分別模擬嫦娥號和阿波羅號載入過載曲線,等比放大后過載最大峰值分別為+13 G 和+15 G。 13 G 過載暴露后,停留24 h 后,再進行15 G 過載暴露。

圖1 過載曲線及過載姿勢Fig.1 Hypergravity curve and hypergravity position

2.5 眼部觀察

獼猴麻醉后,分別于散瞳后使用iCare 手持式回彈眼壓計測量13 G 過載前(基線)、13 G 過載后、15 G 過載前、15 G 過載后獼猴眼壓,均由同一實驗人員實施,眼壓測量6 次后記錄平均值。

2.6 離體UBM

獼猴麻醉后處死,立即取眼球,保留視神經(jīng),將新鮮的眼球及視神經(jīng)放入眼球固定液中。 固定24 h 后,將離體眼球放入裝有無菌注射用水的眼杯中,UBM 探頭垂直于角膜緣觀察獼猴眼球前房結構。

2.7 蘇木素-伊紅染色

固定24 h 后,取出眼球,小心分離出小梁網(wǎng)、視神經(jīng)及視盤,脫水,包埋在石蠟中,沿視神經(jīng)橫切面進行切片,再進行蘇木素-伊紅染色(Hematoxylin-eosin staining,HE),脫水,透明,封片;在倒置相差顯微鏡下觀察。

2.8 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 26.0 軟件進行統(tǒng)計學分析,對2組獼猴雙眼眼壓進行重復測量方差分析,結果以平均數(shù)±標準差(ˉx±s)表示。 對2 組獼猴眼壓降低幅度進行單因素ANOVA 方差分析。P＜ 0.05認為差異具有統(tǒng)計學意義。

3 結果

3.1 眼壓

過載前后獼猴眼壓變化如圖2(a)所示,B 組1 只獼猴眼壓異常升高,剔除該獼猴眼壓數(shù)值。 A組、B 組基線眼壓無統(tǒng)計學差異,15 G 過載前眼壓與基線水平無統(tǒng)計學差異。

圖2 A、B 組過載前后眼壓變化對比Fig.2 Changes in IOP before and after hypergravity in group A and group B

A 組13 G 過載后,與基線相比眼壓降低,眼壓均 值(8.92 ± 1.83)mmHg,較 基 線(12.08 ±2.02) mmHg 降 低(3.17 ± 1.64) mmHg (P=0.000);15 G 過載后,眼壓均值(8.00±0.95)mm-Hg,較基線(12.08±2.02)mmHg 降低(4.08±1.83)mmHg(P=0.000)。

B 組13 G 過載后,與基線相比眼壓降低,眼壓均 值(9.60 ± 1.04) mmHg, 較 基 線(10.60 ±0.97)mmHg 降低(1.50±1.43)mmHg(P=0.027);15 G 過載后,眼壓均值(9.60±1.58)mmHg,較基線(10.60±0.97)mmHg 降低(2.00±0.71)mmHg(P=0.019)。

過載后眼壓降低幅度變化如圖2(b)所示。13 G 過載后 A 組眼壓降低幅度(3.17 ±1.64)mmHg 大于B 組眼壓降低幅度(1.50±1.43)mmHg(P=0.021),15 G 過載后A 組眼壓降低幅度(4.08±1.83)mmHg 大于B 組眼壓降低幅度(2.00±0.71)mmHg(P=0.005)。 過載后眼壓均降低,對眼壓的影響B(tài) 組小于A 組。

3.2 高眼壓

B 組有1 只獼猴(雙眼)在+15 G 過載后出現(xiàn)眼壓異常升高(右眼46 mmHg/左眼58 mmHg ),并出現(xiàn)了睫狀充血等急性高眼壓癥狀,10 min 后再次測量右眼眼壓恢復至17 mmHg,左眼眼壓恢復至15 mmHg。

3.2.1 眼部表現(xiàn)

眼壓異常升高獼猴眼部表現(xiàn)如圖3 所示。15 G 過載后眼壓異常升高獼猴結膜睫狀充血、水腫,瞳孔無明顯變化。

圖3 15 G 過載暴露后眼壓異常獼猴眼部表現(xiàn)Fig.3 Ocular manifestation of macaques with abnormal elevation of IOP after 15 G hypergravity

3.2.2 離體UBM

離體眼球進行UBM 檢查如圖4。 異常眼壓獼猴與15 G 過載處理后眼壓未升高獼猴相比,未發(fā)現(xiàn)房角狹窄,虹膜膨隆等異常。

圖4 過載暴露后眼壓異常獼猴與眼壓未升高獼猴離體UBM 房角結構Fig.4 Angle structure of macaques after hypergravity with and without elevated IOP by UBM

3.2.3 小梁網(wǎng)HE 染色

小梁網(wǎng)HE 染色如圖5 所示。 異常眼壓獼猴與15 G 過載處理后眼壓未升高獼猴相比,未發(fā)現(xiàn)小梁網(wǎng)組織排列紊亂等異常。

圖5 過載暴露后眼壓異常獼猴與眼壓未升高獼猴小梁網(wǎng)Fig.5 The macaque TM with and without elevated IOP in HE staining after 15 G hypergravity

3.2.4 視神經(jīng)及視網(wǎng)膜脈絡膜HE 染色

過載后獼猴視神經(jīng)HE 染色如圖6 所示,15 G 過載處理后異常眼壓獼猴與眼壓未升高獼猴相比,未發(fā)現(xiàn)炎性細胞增多、空泡樣細胞、視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞減少等異常。

圖6 過載暴露后眼壓異常獼猴與眼壓未升高獼猴視神經(jīng)及視網(wǎng)膜脈絡膜HE 染色Fig.6 The macaque ON, retina and choroid with and without elevated IOP in HE staining after 15 G hypergravity

4 討論

2 組獼猴13 G 及15 G 過載后眼壓均值下降且差異具有統(tǒng)計學意義,說明過載的峰值、曲線及過載姿勢對眼壓均有影響,躺姿對眼壓的影響小于臥姿。

影響眼壓的主要因素是睫狀體房水生成與通過小梁網(wǎng)和Schlemm 管以及葡萄膜鞏膜流出途徑的排出之間的動態(tài)平衡[7]。 Russomano 等[3]通過離心機和心血管系統(tǒng)模型模擬1.5 G 和7.0 G 過載下心血管系統(tǒng)變化,觀察到當Gz力增加時,血液逐漸向毛細管系統(tǒng)末端移動。 同時,Konishi等[1]經(jīng)離心機使受試者暴露于1.5 G 過載下,經(jīng)顱多普勒超聲監(jiān)測(Transcranial Doppler,TCD)發(fā)現(xiàn)大腦中動脈血流量顯著降低。

影響血液重新分布的主要因素是過載時長和過載時姿勢。 當加速度時間超過0.5 s 時,就會對血液和器官系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響。 持續(xù)性加速度通常是指作用時間超過1 s,甚至持續(xù)更長時間的加速度[8],航天員經(jīng)歷的超重過載持續(xù)時間一般在數(shù)十秒至數(shù)分鐘之間。 過載的作用方向、數(shù)值大小、持續(xù)時間以及變化速率是描述航天員所承受的超重載荷的主要參數(shù)[9]。 持續(xù)時間和峰值與航天器返回時的再入角和航天器本身的動力狀態(tài)有關。 人體大血管沿身體縱軸分布,因此,Gz軸對血流分布影響最大。 A 組臥姿頭盆向過載分量為G總·sin20°,B 組躺姿頭盆向過載分量為0,因此A 組獼猴血流分布更易受到過載影響。 過載會導致血流重新分布,腦部血流量減少,進而引起眼部變化[10]。

超重與失重相反,以往失重研究報道較多,而超重研究少有報道,通過失重研究可以不同程度推測超重的生理變化。 在失重狀態(tài)下,尾吊大鼠微重力模型引起眼壓增高[11];空間站的航天員在微重力下眼壓升高[12-14];推測失重時液體向頭部移動導致鞏膜靜脈壓增高,房水流出阻力增加[12-14];微重力下顱內壓增高,導致睫狀體增生,房水分泌增加,最終導致眼壓升高[15-16]。 因此,推測過載導致頭部血流減少[1,3],導致顱內壓降低,鞏膜靜脈壓降低,房水流出更加通暢,繼而導致眼壓下降;脈絡膜血流減少,睫狀體房水生成減少,這均會導致眼壓降低。

本文研究發(fā)現(xiàn),B 組1 只獼猴眼壓異常升高,右眼眼壓高達46 mmHg,左眼眼壓高達58 mm-Hg,10 min 后再次測量右眼眼壓恢復到17 mmHg,左眼眼壓恢復到15 mmHg。 但離體UBM 并未發(fā)現(xiàn)獼猴房角狹窄,虹膜膨隆等異常。對小梁網(wǎng)進行HE 染色后未發(fā)現(xiàn)小梁網(wǎng)排列紊亂等異常。 眼壓異常升高原因:①超重過程中房角急性關閉甚至一過性睫狀環(huán)阻滯。 但因其為一過性,處死后取眼球行離體眼球UBM 檢測與活體有一定差異,并不能完全代表當時情況;②測量誤差,雖經(jīng)不同實驗人員進行測量但這種情況也不能完全排除。 本文實驗獼猴眼壓升高的原因還需進一步研究。

本文研究未發(fā)現(xiàn)視神經(jīng)大體形態(tài)的異常。 視神經(jīng)組織處于眼內腔和顱內腔之間,眼壓與顱壓之間的壓力差跨過篩板,沿視神經(jīng)形成壓力梯度,為跨篩板壓力差[17]。 既往研究表明,與跨角膜壓力差相比,跨篩板壓力差對壓力相關引起的視神經(jīng)病理改變更為重要[18],視網(wǎng)膜血供減少會造成視神經(jīng)損傷[19]。 由于過載跨篩板壓力差發(fā)生變化,并且過載導致視網(wǎng)膜血供減少,但獼猴視神經(jīng)及視網(wǎng)膜HE 染色并未發(fā)現(xiàn)篩板變薄、視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞丟失、視神經(jīng)排列紊亂等異常表現(xiàn),推測可能短時間的過載并不會對獼猴視神經(jīng)結構功能上造成不可逆的損傷。

本文實驗也存在局限性,過載峰值時的眼壓無法實時測得,只能通過離心機停止旋轉時的眼壓來模擬。 雖然已經(jīng)盡可能減少此時間差,但仍會產(chǎn)生一定的誤差,后續(xù)模擬實驗可采用眼內植入探頭實時監(jiān)測眼壓;盡管HE 染色未發(fā)現(xiàn)明顯異常,但短暫的損傷細胞器變化會早于細胞形態(tài),電鏡下也許會有超微結構的改變。

5 結論

1) 不同曲線下及不同姿勢模擬航天過載對眼壓產(chǎn)生一定的影響,13 G、15 G 過載暴露后獼猴眼壓均顯著性下降,躺姿對眼壓的影響小于臥姿;

2)躺姿組有1 只獼猴雙眼出現(xiàn)眼壓異常升高伴睫狀充血等急性高眼壓癥狀,離體UBM 未觀察到其前房變淺及房角狹窄等異常,HE 染色未發(fā)現(xiàn)小梁網(wǎng)、視神經(jīng)異常,異常原因有待進一步研究;

3)從對眼壓和視神經(jīng)形態(tài)的影響角度,模擬阿波羅號的影響可能小于模擬嫦娥號。