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编号:10239797
创伤性脑水肿的在体研究
http://www.100md.com 《中华创伤杂志》 2000年第1期
     作者:刘海鹏 王正国 张可成 尹志勇 谢伯林 刘宝松 朱佩芳 陈海斌

    单位:刘海鹏 张可成(第三军医大学附属新桥医院神经外科 重庆 400037);王正国 尹志勇 谢伯林 刘宝松 朱佩芳 陈海斌(第三军医大学附属大坪医院野战外科研究所)

    关键词:脑水肿,创伤性;电阻抗

    中华创伤杂志000109摘 要:目的 探讨在体研究创伤性脑水肿的方法。 方法 选择15个频率点,测量大鼠中度颅脑创伤后伤区组织的电阻抗,分析脑水肿的变化。 结果 伤后早期细胞外液电阻(Re)明显下降,细胞内液电阻(Ri)无明显变化,Re/Ri也明显下降;6 h 后Re略有升高,Ri 明显下降,Re/Ri明显增加;伤后24~72 h脑水肿达高峰,伤后7 d基本恢复。 结论 伤后早期电阻抗的变化提示发生了血管源性脑水肿,伤后6 h电阻抗变化表明细胞内液增多,细胞毒性脑水肿形成。多频率点电阻抗测试可在体反映创伤性脑水肿的发生发展。
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    Study on traumatic brain edema in vivo

    LIU Haipeng WANG Zhengguo, ZHANG Kecheng, et al.

    (Dept. of Neurosurgery, Xinqiao Hospital, The Third Military University, Chongqing 400037,China)

    Abstract:Objective To explore a method of observing traumatic brain edema in vivo. Methods After a moderate brain trauma in rats, the electrical impedance of the traumatic brain tissue was measured at different 15 frequency pots. The changes of brain edema were then analyzed. Results The resistance of extracellular fluid(Re) and Re/Ri significantly decreased in the early stage of trauma. However, there were no significant changes in resistance of intracellular fluid. Six hours later, Re increased slightly, Ri decreased markedly; and Re/Ri elevated significantly. The brain edema reached a summit of severity 24-72 hours after trauma, and recovered 7 days later. Conclusions In the early period of trauma, the change of the electrical impedance indicated an appearance of vasogenic brain edema. Six hours later, the change showed an increase of extracellular fluid and an occurrence of cytotoxic brain edema. The test of multi-frequency electrical impedance suggested the existence and development of traumatic brain edema in vivo.
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    Key words:Brain edema, traumatic; Electrical impedance▲

    交通事故已成为现代社会的一大公害。在交通事故中,颅脑伤的发生率为50%~80%[1]。颅脑创伤是脑水肿的常见原因,脑水肿主要变化为脑实质内液体成分增加,引起脑体积增大[2],是颅脑创伤后继发性脑损害的重要组成部分。动物实验中研究脑水肿的方法主要有干湿重法、特殊比重法等[3-5]。这些方法均不能在体研究脑水肿。而在临床上,常以CT、MRI的影像变化和颅内压(ICP)、脑血流量(CBF)的变化以及临床表现等间接判断脑水肿的发生发展情况,缺乏直接的、无创或微创的研究手段。因此,笔者利用生物组织电阻抗特性在颅脑创伤后的变化,对创伤性脑水肿进行在体研究。

    材料与方法

    1. 实验动物:Wistar大鼠10只,雌雄各半,体重(210±5) g。
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    2. 中度颅脑创伤的制作[6]: 大鼠以戊巴比妥钠麻醉(30 mg/kg体重腹腔内注射)。将大鼠俯卧位固定于立体定向仪上,头部剪毛、消毒,正中矢状切开头皮,暴露颅骨,于中线左侧旁开2 mm,前囟后3 mm钻一直径3 mm的孔,露出硬脑膜,注意保持硬脑膜完整。将动物移至自行研制的气体冲击致伤装置上,调整脑表面与冲击管口的距离为4 mm,调节气源压力为600 kPa,随即进行致伤,波宽(60±0.3) ms。致伤后大鼠出现四肢抽搐,呼吸暂停数秒钟,说明致伤成功。动物清醒后分笼喂养。

    3. 电阻抗测试装置的组成及原理:自行研制的电阻抗测试装置由正弦波信号发生器、恒流源、隔离放大器、监幅器、监相器及示波器等组成。由正弦波信号发生器产生不同频率的可变电流,选择0.4,2,5,10,50,100,200,500 Hz和5,10,50,100,500,1 000 kHz等15个频率点进行测定。外层2个电极用于发生可变电流(电流强度维持在50 μA水平),内层2个电极用于测量电阻抗。4个电极均布放于伤区。
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    4. 电阻抗测试方法及计算:电阻抗测量采用4电极法,分别于伤前、伤后0.5,1,3,6,16,24,48,72,168 h 进行电阻抗测试。

    生物组织在频散段内可以看成是由细胞外液电阻、细胞内液电阻和细胞膜容抗组成的三元简单电路[7],见图1。根据此电路及三元模型的本构方程1/Z=1/Re+1/(Ri+1/jωc),即可通过测量各频率点的电阻抗值,计算出Re,Ri和Cm的值(Re为细胞外液电阻,Ri为细胞内液电阻,Cm为容抗)。本实验中仅计算Re、Ri及Re/Ri,为便于比较,将伤后各时相点的Re、Ri和Re/Ri分别除以伤前值,以百分率表示。统计学方法采用t检验。

    图1 Re、Ri和Cm组成的三元模型

    结 果
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    颅脑创伤后Re、Ri和Re/Ri的变化见表1(2只动物死亡未计在内)。伤后0.5 h,Re明显下降(P<0.05),至伤后3 h下降明显(P<0.01),伤后16~48 h 明显升高(P<0.01),伤后72 h 以后无明显变化; 在伤后3 h以内,Ri无明显变化,Re/Ri在伤后1 h及伤后3 h明显下降;伤后6 h,Ri明显下降(P<0.01,而Re却有升高,则Re/Ri明显增高(P<0.01);伤后72 h,Re/Ri仍高于伤前(P<0.01);伤后168 h,Re/Ri基本恢复正常。

    表1 大鼠颅脑创伤后Re,Ri和Re/Ri的变化 [百分率(%),±s] 伤后

    时间

    (h)

    鼠数
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    Re

    Ri

    Re/Ri

    0.5

    8

    96.17±4.26*

    100.00±1.41

    96.20±5.03

    1

    8

    87.50±1.87**

    99.00±1.41
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    88.40±2.47**

    3

    8

    84.67±1.86**

    98.83±1.83

    85.69±2.23**

    6

    8

    99.83±1.47

    87.00±1.41**

    114.79±3.26**
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    16

    8

    102.67±1.75**

    79.83±1.47**

    128.66±4.30**

    24

    8

    104.83±0.75**

    76.00±2.61**

    138.05±4.14**
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    48

    8

    103.00±1.41**

    75.17±2.32**

    137.17±5.62**

    72

    8

    99.33±1.21

    92.33±3.27**

    107.71±4.54**

    168
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    8

    101.00±2.37

    100.17±1.72

    100.85±2.49

    与伤前(100.00%)比较: *P<0.05 **P<0.01

    讨 论

    1. 生物组织电阻抗特性及测量原理:构成生物组织的基本单元是细胞。细胞由细胞膜、细胞内液组成。在细胞外则有细胞外液和细胞间质。细胞间质由胶原纤维、弹性纤维等高分子物质组成,可将其看成电绝缘体。细胞内液包含各种细胞器,具半流动性质,就电特性而言,可将细胞内液看作电解液。细胞膜的化学成分主要为脂类和蛋白质,二者通过非共价键的作用而形成膜,在细胞膜内部由于有复杂生物化学结构控制着离子的移动和物质的转运,其电压、电流特性非常复杂。尽管如此,在外加电流强度很小时,仍可将其近似为电解质。
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    由图1可见,在频率较低时,外加电流绕过细胞膜,流经细胞内外液;而随频率增加,膜电容的容抗减小,外加电流穿过细胞膜流经细胞内外液。根据上述原理及三元模型的本构方程,即可通过测量各频率点的电阻抗值,计算出Re、Ri和Cm的值。本实验中计算Re、Ri及Re/Ri,以明确创伤性脑损伤(TBI)后脑水肿变化与细胞内外液积聚转移的关系。

    2. 创伤性脑水肿的在体监测:颅脑创伤是脑水肿的常见原因。创伤性脑水肿的发生机制十分复杂,主要与创伤导致了神经元过度去极化、离子稳态的失衡、血管通透性增加、离子转运变化、膜泵功能丧失、细胞内钙积聚、兴奋性氨基酸释放、自由基产生、脂质过氧化等不同的病理生理过程有关[4,5,8]

    对脑水肿的实验研究多采用干湿重法、特殊比重法等[3-5]。这些方法都需处死动物,无法在体研究脑水肿的变化。

    本实验中利用生物组织电阻抗特性在脑水肿时的变化,以多频率点检测伤区脑组织的电阻抗变化, 计算Re、Ri、Re/Ri,从而判断脑水肿时的液体分布状况。电阻抗测量已用于评价多种病理生理情况下的脑水肿,但这些研究中,电阻抗测量在固定频率下进行,仅能反映细胞外间隙的变化[7,9]。如能以变化的频率进行电阻抗测量,即可推算Re、Ri,从而判断液体的分布状况[10],说明水肿的发展情况。这一方法在评价创伤性脑水肿方面目前尚未见报道。
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    本研究中应用电阻抗法对大鼠脑损伤后脑水肿过程进行了连续监测,结果表明:在TBI后3 h内Re持续下降,而Ri无明显变化,Re/Ri也有下降的趋势,这表明在伤后早期,因伤区血管通透性的增加,液体由血管渗透漏至细胞外间隙(extracellular space, ECS),导致Re和Re/Ri的下降,而细胞内间隙(intracellular space,ICS)则无明显变化,即Ri基本持平。TBI后6 h因损伤导致某些介质如自由基、兴奋性氨基酸等,而使细胞膜破坏,膜泵功能丧失,水分随钠、氯等的内流而进入细胞内形成细胞内水肿,则导致Ri下降,而此时血管通透性仍较高,则ECS中丧失的水分可从渗漏的血液中获得一定的补偿,但ECS仍有所缩小,即Re有所升高,但Re/Ri明显增加;上述过程一直持续至伤后 72 h,此刻Re/Ri虽较伤后48 h 明显下降,但仍明显高于伤前;伤后 7 d,细胞膜功能逐渐恢复,导致ECS和ICS的液体分布基本平衡,即Re/Ri恢复至伤前水平。

    本实验中以电阻抗法对创伤性脑水肿进行在体测量,进一步证明了脑水肿在颅脑创伤后早期即已形成,在伤后24~72 h 达到高峰,以后逐渐消退。此外,本方法还可反映水肿的类型:在伤后早期的脑水肿主要为血管源性脑水肿,表现为Re下降,Re/Ri也下降;在伤后数小时至数天内,因介质的活化,细胞膜功能丧失,形成细胞毒性脑水肿,又因血管源性脑水肿的影响,使脑水肿达高峰。随时间的延长,水肿逐渐消退,细胞膜功能恢复,细胞内外液体平衡得以维持,Re/Ri恢复至伤前水平。
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    虽然在本实验电阻抗测试中仅计算了Re、Ri、Re/ Ri 3项指标,但已反映了细胞内或细胞外水肿的情况。如能在此基础上更进一步推算总体液电阻和细胞膜容抗,则可对脑水肿时的液体分布变化有更全面的认识。由此可见,与其他研究脑水肿的方法相比,多频率点电阻抗测试法具有可连续性在体观察、实验误差小、损伤轻微、节约动物等优点。该方法目前仍在向细胞水平发展,通过检测单细胞水平上神经元[9]或内皮细胞[11,12]的电阻,说明细胞的水肿状况和BBB电屏障的变化。

    参考文献:

    [1]王正国,主编.交通医学. 第1版. 天津:天津科学技术出版社,1997. 100-117.

    [2]王忠诚,主编. 神经外科学. 第1版. 武汉:湖北科学技术出版社, 1998. 55-56.

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    [5]Mathiesen T, Holmin S. Biphasic edema development after experimental brain contusion in rat. Neurosci Lett, 1995,194:97-100.

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    [8]Soares HD, Thmas M, Cloherty K, et al. Development of prolonged focal cerebral edema and regional cation changes following experimental brain injury in the rat. J Neurochem, 1992,58:1845-1849.

    [9]Demirci M, Ayata C, Dackara T, et al. Monitoring cellular edema at single-neuron level by electrical resistance measurements. J Neurosci Methods, 1997,72:175-183.

    [10]殷均斐,彭承琳.阻抗法人体成分测量装置研制. 中国医疗器械杂志,1997,21:87-90.
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    [11]Erben M, Decker S, Franke H, et al. Electrical resistance measurments on cerebral capillary endothelial cells: a new technique to study small surface areas. J Biochem Biophys Methods, 1995,30:22764-22770.

    [12]Crone C, Olesen SP. Electrical resistance of brain microvascular endothelium. Brain Res, 1982,241:49-54.

    收稿日期:1998-12-29, 百拇医药