《Journal of Translational Research》：A novel method of polytrauma with traumatic brain injury and hemorrhage in swine
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创伤性脑损伤（TBI）是多发伤患者的主要死因；然而，相互矛盾的治疗指南表明，需要进一步研究TBI合并出血性多发伤的最佳复苏策略。尽管大型动物模型因其与人类相似的生理学而常被使用，但很少有模型能同时展示TBI和不可控腹腔出血，而这需要动物处于仰卧位。本研究旨在开
创伤性脑损伤（TBI）是多发伤患者的主要死因；然而，相互矛盾的治疗指南表明，需要进一步研究TBI合并出血性多发伤的最佳复苏策略。尽管大型动物模型因其与人类相似的生理学而常被使用，但很少有模型能同时展示TBI和不可控腹腔出血，而这需要动物处于仰卧位。本研究旨在开发一个可重复的、设定于不可控腹腔出血背景下的TBI猪模型，使用电子控制皮质撞击器（eCCI）诱导TBI，并通过开腹术同时造成肝脏损伤。研究人员构建了一个定制的立体定位框架和撞击器支架以适应独特的仰卧位姿势。撞击器尖端内置的电动势（EMF）传感器被用于在硬脑膜边界建立撞击器设定点。在11头猪中，与4.0 m/s和10.99 mm的编程值相比，eCCI读数显示平均TBI撞击速度为3.46 m/s（标准差 0.041），深度为10.77 mm（标准差 0.042）。该模型有效产生了可重复的TBI eCCI校准和撞击测量，证明了在仰卧位TBI多发伤猪模型中诱发合并伤的可行性。
创伤性脑损伤（TBI）合并多发伤是全球导致发病和死亡的主要原因之一，这既源于原发性脑外伤，也源于继发性损伤。当多发伤中的TBI伴有严重的失血性损害并需要积极的液体复苏以恢复血流动力学稳定时，复苏的管理、脑灌注的调控以及脑水肿的控制变得极具挑战性，同时还需要考虑治疗对多系统损伤级联反应的影响。历史上，为了防止继发性脑损伤，监测严重TBI患者的一种方法是监测颅内压（ICP）和脑灌注压（CPP），因为这些变量的升高可能表明患者预后恶化和死亡率增加。据推测，继发性脑损伤是由脑血流受损引起的，而脑灌注压是反映这一状态的替代测量指标。尽管TBI后患者护理取得了进展，但在TBI模型中，实时同步监测脑室内ICP、CPP和平均动脉压（MAP）的多模态监测仍然是患者监测和护理的关键方面，并且可能仍有助于降低TBI患者的发病率和死亡率。
虽然单独的TBI会导致患者预后不良，但在合并伤患者中死亡率高出24%，尤其是那些伴有出血性损伤的患者。有许多提出的机制来解释多发伤患者中死亡率增加和继发性损伤的原因，然而，关于TBI和出血患者的有效复苏指南仍存在相互矛盾的证据。这一知识空白凸显了对TBI多发伤模型进行持续研究的必要性。
第一个机械性脑损伤实验模型是使用活体雪貂中的冲程限制气动撞击器创建的。随后，更新的控制皮质撞击模型使用电磁驱动的活塞，称为电子控制皮质撞击器（eCCI），这提供了更好的便携性和操控性。eCCI方法已成为公认的TBI模型，因为它能控制生物力学参数并实现TBI损伤的可重复性。eCCI模型还可以扩展以适应更大的动物，例如猪，由于其脑部解剖结构与人类相似，表明其对TBI损害具有相似的生理和病理反应，因此在某些TBI实验模型中可能更受青睐。研究还表明，大型动物模型允许监测TBI损害后的关键患者护理数据，如ICP波动、脑脊液（CSF）代谢、脑水肿或脑疝以及分子变化。大型动物模型在TBI多发伤研究中得到了文献的充分支持，尤其是在猪模型中。
在临床环境中，TBI损伤特征依赖于结构成像和格拉斯哥昏迷评分，该评分考虑了神经反应性、意识丧失和遗忘程度等因素。这些数据点在转化研究中不一定可用，因此必须寻找其他参数来描述动物模型中TBI的严重程度。这些包括以下eCCI参数，这些参数可以改变以创建可重复的、理论上等效损伤的TBI撞击：TBI撞击的速度、深度和力量，以及撞击头尖端的形状、直径和在脑表面的停留时间。
历史上，小型动物eCCI模型基于上述eCCI参数以及伤后测量（如行为分析和组织学发现）来评估TBI损害严重程度。这些小型动物模型中用于调整TBI严重程度的两个最重要参数是撞击深度和撞击头尖端形状。总的来说，减小这些参数会导致较轻的TBI损伤，而增加一个或多个这些参数则会导致中度或更严重的TBI损害。这一趋势也在更大的动物研究中得到证实，这些研究表明，增加撞击器深度和/或速度会导致TBI损害严重程度和随之而来的脑损伤增加。对于圆柱形撞击头尖端，与球形尖端相比，较平坦的尖端似乎会产生更严重的TBI损害。尽管有这些一般性指导原则，但这些参数的确切值范围尚未明确定义，也没有在各研究实验室中普遍用于重现特定水平的TBI损害严重程度。
该TBI模型反映了Osier等人描述的猪常用eCCI参数，并进行了微调，目标是产生反映多发伤情况的严重TBI损害。值得注意的是，该模型是一项更大研究的一部分，该研究考察了在使用部分或间歇性复苏性主动脉球囊阻断术（分别为pREBOA和iREBOA）期间的多发伤和分布性休克。
本研究的目的是使用电子控制皮质撞击器，结合定制的撞击器支架和立体定位框架，开发一个可重复的TBI皮质撞击模型，以适应撞击时所需的动物仰卧位姿势。本研究并未检查TBI损伤的严重程度，而是侧重于在大型动物多发伤模型中，利用新型体位创建可重复TBI撞击的可行性。
本文将描述用于在仰卧位创建可重复TBI撞击模型的方案、定制设备和校准技术。证明可重复性的主要结果是TBI撞击速度（m/s）、撞击深度（mm）以及从基线到撞击时间的电动势变化（mV）。
研究人员采用了一个先前测试过的、在Davidson等人中描述的不可控出血性肝损伤模型，该模型在TBI损害完成后立即创建。所有分析均使用R统计软件（v4.4.0；R Core Team 2024）进行。正态性通过Shapiro-Wilkes检验（α<0.05）和Q-Q图进行评估。对速度和撞击深度的编程值与观察值之间的比较通过单尾和双尾t检验进行评估。由于样本量小，也对速度和撞击深度进行了Wilcoxon符号秩检验。对于代表性连续数据，没有进行进一步的统计分析，因为这些结果是为该模型开发提供的示例。
研究结果表明，在11头猪中，撞击器电动势（mV）相对于基线的变化呈正态分布（p = 0.45），平均值（标准差，SD）为3.32 mV（1.25）。速度（p = 0.60）和撞击深度（p = 0.78）值也呈正态分布。与预期的4 m/s编程值相比，观察到的平均（SD）速度为3.46 m/s（+/? 0.04）；双尾t检验（p = 8.48e-13）和单尾t检验（p = 4.24e-13）显示观察值显著低于预期值。Wilcoxon符号秩检验（p = 3.79e-3）也证实了这种统计学显著性。与预期的10.99 mm编程深度相比，观察到的平均（SD）撞击深度为10.77 mm（+/? 0.04）；双尾t检验（p = 7.80e-09）和单尾t检验（p = 3.90e-09）显示观察值显著低于预期值。Wilcoxon符号秩检验（p = 3.75e-3）也证实了这种统计学显著性。
讨论部分指出，创伤性脑损伤在合并伤患者中预后更差，这呼吁加强对TBI多发伤患者的研究。研究多发伤情况下TBI影响的一种方法是使用大型动物模型，如猪，因为它们在大脑解剖结构和对损伤的生理反应方面与人类相似。本模型的开发允许在动物处于仰卧位时进行一致的TBI撞击输送，从而便于快速创建伴随损伤。
该TBI模型的另一个独特方面是用于寻找撞击器校准设定点的硬脑膜敲击技术。以前在猪模型中，曾使用轻微的ICP变化来创建撞击器尖端接触硬脑膜的设定点，因为猪的颅骨和脑部解剖结构使得视觉上难以确定这个设定点。然而，通过LabChart软件利用撞击器的电动势测量记录是一种新颖的方法，可以更准确地确定撞击器尖端在脑部的位置和硬脑膜边界。
撞击器的电动势与颅内压同时记录，在本模型中，颅内压是使用Millar导管记录的。该导管此前已成功用于监测猪模型中的颅内压连续波动。研究者的TBI模型似乎证实了Millar导管在准确记录ICP测量值方面的优势，并且能够同时利用这些数据与平均动脉压实时计算脑灌注压。在本模型中，ICP数据主要用于实验后分析。然而，该模型收集实时ICP数据与MAP和CPP相结合的能力，表明了一个独特的特点，这将允许在未来多发伤TBI模型中对动物状态进行更多评估，包括如何将这些数据纳入这些模型的管理和治疗策略。对这些数据的分析超出了本文的范围，但对于纳入各种复苏策略的更大研究具有重要意义。
该模型设计的主要目标之一是通过评估TBI撞击速度（m/s）、撞击深度（mm）和从基线到撞击时间的电动势变化（mV）来确定模型的可重复性。所有数值均呈正态分布，这表明速度、撞击深度和TBI撞击期间电动势变化的观察值都在受约束的范围内。这可以解释为所有受试者接受了相似的TBI撞击输送，因为收集的eCCI值没有异常值。这也可以表明eCCI机器本身在受试者之间持续再现和记录了相似的TBI损害。
根据制造商（Custom Design & Fabrication, Inc.）的说法，本研究中使用的eCCI机器的编程指标代表TBI速度和撞击深度的估计值，并不保证与TBI损伤模型中观察到的实际指标相匹配，这一现象已在先前的研究中描述过。研究数据与此一致，单尾和双尾t检验以及Wilcoxon符号秩检验表明，11头猪的平均记录速度和撞击深度与编程值相比显著低于编程值。根据制造商的说法，这种差异是预期的结果，因此并不反映eCCI机器的缺陷或故障，也不反映在本研究中使用该设备的问题。令人放心的是，相关指标的观察标准差可接受地低，表明在这个独特的大动物多发伤模型中实现了TBI撞击参数输送的可重复性。
在本研究中，有八头猪被排除在最终分析之外，因为它们接受了早期一代eCCI撞击器设备的TBI撞击，该设备产生了不一致的速度和深度读数。由于本研究侧重于基于这些测量值的TBI撞击可重复性，因此必须减少两台不同eCCI机器之间的偏差引入。这有助于限制本研究中的机器间变异性，并加强了在功能正常的eCCI机器中证明TBI在该新颖猪模型中的可重复性。另一头使用相同eCCI机器的猪因ICP数据不完整而被排除。虽然这种事后排除导致样本量略有减少，但一项敏感性分析包括了这头猪的速度（3.4 m/s）和撞击深度（10.82 mm），对队列均值的影响极小，速度从3.46 ± 0.04 m/s变为3.45 ± 0.04 m/s，深度从10.77 ± 0.04 mm变为10.77 ± 0.04 mm。然而，研究者承认有限的样本量限制了统计功效和普遍性，未来需要更大、标准化队列的研究来验证这些发现。
本研究的一个局限性是缺乏组织学数据来表征TBI损伤的严重程度。这将需要在TBI撞击后立即对猪实施安乐死。鉴于这些动物是一项更大研究的一部分，并被进一步随机分配到两种不同的复苏策略中，预期会产生不同的生理和组织学结果，在更大研究结束时收集的组织学数据将无法有效证明实验开始时撞击严重程度的可重复性。
尽管有这一局限性，其他研究已使用eCCI机器研究具有一致速度和撞击深度参数的撞击，这些参数与TBI损伤严重程度水平成正比。Manley等人证明，在猪eCCI TBI模型中，编程撞击深度为12 mm，与较低的撞击深度相比，在TBI撞击后立即具有更严重的ICP增加。此外，随着撞击深度的增加，组织学变化也逐渐恶化，表明高撞击深度与所诱发的TBI严重程度相关。一项研究将2.6 - 2.8 m/秒、9 mm深度和400 ms停留时间的CCI损伤归类为猪的中度TBI损伤。一个仔猪模型显示，在编程速度为4.0 m/s和撞击深度为7 mm时，具有轻度至中度的TBI损伤严重程度；另一个模型证明，速度和撞击尺寸的增加与脑病变尺寸的增加相关，因此与所诱发脑损伤的范围相关。在气动撞击器雪貂模型中，Lighthall等人证明，高速度（编程为4.0 m/s）的TBI撞击导致皮质变形增加，表明在较高速度下TBI损害更严重。许多小鼠TBI模型也显示，无论是解剖学上还是功能上，TBI严重程度的增加都与更高的速度和撞击深度相关。
有趣的是，所有将TBI撞击指标与TBI损伤严重程度相关联的研究仅报告了编程值而非观察值。在这些类似的机器上，编程值也可能高于实际诱发的速度和撞击深度。即使存在这些潜在的差异，增加编程的速度和撞击深度值也会导致TBI撞击严重程度的增加，这表明本模型的高速度和高编程深度可能接近先前研究报告的严重程度参数。然而，由于本研究没有评估组织学或功能性结局，如前所述，研究者无法确认是否达到或再现了类似的损伤严重程度。
本研究的另一个额外局限性是缺乏使用外部测量方法对eCCI报告的速度和撞击深度值进行独立验证。根据制造商的说法，eCCI设备报告的观察速度和撞击深度预期是高度准确的，这在先前的研究中也已在该设备上得到验证。因此，本研究的重点不是证明该设备按照制造商的预期运行，而是利用这个经过验证的设备来开发所述的新型动物模型，研究者通过成功证明11头猪的速度和撞击深度值的低变异性实现了这一目标。尽管如此，研究者承认，缺乏通过独立调查对这些报告的速度和撞击深度数值进行独立的外部验证，确实代表了本研究的一个局限性。收集这些外部数据来验证eCCI机器读数将加强未来的研究，特别是那些评估多个受试者TBI撞击严重程度的研究。
另一个潜在的局限性是，本多发伤模型仅由成年猪代表，未考虑遭受多发伤的儿科人群。然而，在技术设置方面，定制的立体定位框架以及定制的撞击器支架和尖端很可能可以调整以适应儿科模型。这可能需要调整立体定位框架本身，创建一个比本研究目前提出的更小的版本，同时还需要调整eCCI机器、撞击器尖端的形状和直径以及eCCI参数，以对幼猪产生实质性但非致命的TBI撞击。这是一个潜在的研究领域，可能有助于扩展对儿科多发伤患者复苏策略的认识。
结论部分总结道：大型动物模型在多发伤模型的应用中具有优势，特别是那些伴有合并出血和TBI损伤的模型。本研究证明了在经历合并肝损伤导致不可控躯干出血的猪中创建可重复TBI撞击模型的能力，同时指出需要进一步的脑组织死后组织学分析以评估TBI损害水平的可重复性。他们独特的多发伤模型需要开发定制的撞击器支架和立体定位框架来补偿猪的仰卧位，以及实施新技术，例如使用LabChart软件辅助硬脑膜敲击校准、撞击器尖端数据收集和实时ICP监测。这种独特的多发伤模型的开发为未来将生理数据监测纳入多发伤损伤管理的研究奠定了基础。
