贫铀(Depleted Uranium, DU)是天然铀矿经富集、提取核反应堆或核武器使用的235U后剩余的副产品, 与天然铀一样是238U、235U和234U的混合物, 其中238U含量占99.8%。由于贫铀的化学性质和低廉的价格, 决定了它的应用前景[1]。十几年来, 贫铀被广泛地应用于军事、航空以及其他领域, 但由此引发的对人员的危害和对环境的污染, 也倍受关注, 特别是美国在"海湾战争"和"科索沃战争"中使用大量贫铀武器, 以及战后"海湾战争综合症"和"科索沃综合症"的出现, 使得贫铀的危害再一次成为人们研究和关注的焦点[2, 3]。本研究模拟了战时条件下贫铀武器的发射, 并通过病理学和形态计量学方法对吸入贫铀气溶胶1~14个月的大鼠主要器官(肺、肾、脾、肝、脑)进行了近期和远期的组织病理、形态计量学观察, 其目的是探讨贫铀燃烧时产生的气溶胶对机体健康的影响。
1 材料与方法 1.1 大鼠分组及中毒方法[4]二级纯种Wistar雌性大鼠(由本院实验动物中心提供)200只, 体重180~220 g, 随机分为4组, 每组50只。除对照组外, 其余3组大鼠置于封闭罩室内, 罩室内倾斜放置20 cm厚的钢板, 动物离钢板4.5 m并用约1 m高的沙包屏蔽。将DU棒(4.0 kg)用高速发射器以1400 m/s左右速度穿透钢板, 穿透距离约67 cm。3个中毒组分别吸入1、2和5根DU棒产生的DU气溶胶。每根DU棒发射后停留30 min, 供大鼠充分吸入DU气溶胶, 再用抽风机抽出罩室内空气中剩余的DU气溶胶后, 再发射下1根DU棒。于发射1、2、5根之后各取出10只动物, 用于肺组织铀含量测定。中毒完成后, 从罩室内取出大鼠, 洗消表面污染, 5只/笼饲养。
1.2 大鼠肺组织铀含测定取大鼠肺组织称量, 经干湿混合消化法[5]消化后, 用激光-时间分辨分光光度法测定铀含量。
1.3 组织病理观察分别在吸入DU气溶胶后4、7和14个月活杀大鼠, 取大鼠主要器官组织以10%福尔马林固定, 用常规病理制片法, 常规取材、石蜡包埋, 制成5 μm厚切片, HE染色。切片在光学显微镜下进行组织病理观察。
1.4 图像分析及数据处理分析仪器:四川大学研制的MIAS-2000型图像分析系统; 选用必要的形态计量学参数, 分析和测量。各组间进行显著性检验。
2 结果 2.1 大鼠吸入DU量对DU中毒后立即活杀的大鼠, 测定肺组织铀含量, 以此估算大鼠吸入铀量, 结果每根DU棒产生的DU气溶胶所致大鼠平均肺铀量为(45.79 ±12.65)μg/只(动物数为10)。
2.2 肿瘤发生率大鼠吸入贫铀气溶胶后, 各时间点计141只大鼠(包括饲养期间死亡的6只大鼠, 其中5只因肺脓肿死亡, 死亡时间分别为吸入贫铀气溶胶后5、9、9、12、14个月; 1只因双侧肾结石死亡, 死亡时间为吸入贫铀气溶胶后5个月。)在已观察的组织中, 尚无一例肿瘤发生, 即主要器官的肿瘤发生率为零。
2.3 肺组织的改变 2.3.1 肺实质淋巴细胞浸润随着DU吸入量增加和吸入后时间的延长, 肺组织内严重淋巴细胞浸润有明显加重的趋势, 且呈现明显的规律性。晚期(14个月)吸入不同DU剂量的大鼠发病率达100%, 发生部位多集中在各级支气管以及血管周围。
2.3.2 严重支气管炎随着DU吸入量增加和吸入后时间的延长, 支气管上皮(纤毛)发生粘连, 倒伏, 甚至脱失, 晚期(14个月)部分支气管上皮变为立方或扁平形, 大量炎细胞浸润, 累及支气管各层。
2.3.3 肺出血肺出血的形式表现多样, 既有局部出血也有肺实质内的普遍出血, 部分大鼠肺组织中还可见陈旧性出血。晚期出血的范围加重, 发病例数增多(表 1)。
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表 1 大鼠肺各类病理组织学改变发生的例数 |
肺脓肿是大鼠死亡的主要原因之一, 在死亡的6只大鼠中5只因肺脓肿死亡。结合本研究发现, 早期, 贫铀弹爆炸产生的气溶胶和异物通过呼吸道进入肺脏, 大量巨噬细胞、炎细胞浸润, 间质纤维包绕, 形成结节。晚期, 结节中心坏死, 液化, 形成脓肿, 镜下可见, 脓肿内有大量细菌、霉菌存在, 脓肿不断扩大和小脓肿融合成大脓肿, 中心形成空洞, 部分脓肿周围肺组织伴肺出血。机体抵抗力强的动物, 脓肿被厚纤维层包绕, 而机体抵抗力弱的大鼠, 脓肿沿支气管方向扩散、相互融合, 本实验最大的脓肿直径可达1.2 cm, 其面积占整个肺叶的78.6%。
2.3.5 肺囊泡、肺大泡样病变晚期(14个月)肺组织出现肺囊泡、肺大泡样病变。且随着吸入DU气溶胶剂量的增大, 发生率明显增高。表明随着吸入DU气溶胶后时间的延长, 肺功能明显减退, 且有明显的剂量-效应关系。各组肺病理组织学主要病理学改变的例数见表 1。
由表 1数据可以看出:①吸入同等剂量DU气溶胶的大鼠, 病变发生的例数随存活时间延长而增多; ②存活时间相同的大鼠, 吸入DU气溶胶越多的大鼠, 发生病变的例数就越多; ③本实验不论吸入多少"DU气溶胶", 肺产生严重病变似乎有一个时间"阈值", 即半年之后。
2.4 肾组织的改变 2.4.1 肾组织病理学改变(1) 部分皮质肾小管、部分肾乳头小管明显扩张。肾小管扩张是大鼠吸入贫铀气溶胶后肾组织中最明显的改变, 且随DU吸入量增加和吸入后时间延长, 肾小管扩张有加重的趋势, 尤以5根DU棒组14个月时间点最明显。
(2) 皮质、髓质及(或)乳头肾小管中含有蛋白液体(即透明管型), 早期(7个月)管型在皮质和髓质以及肾乳头中呈零星分布, 晚期(14个月)管型在上述组织中明显增多, 有的管型呈片状和带状分布, 说明肾小管的各个节段均不同程度地受到损伤。
(3) 间质有明显的慢性炎细胞浸润及(或)纤维组织增生。
(4) 个别大鼠可见肾皮质、髓质以及肾盂粘膜下出血, 部分大鼠肾组织中可见有含吞噬铁血黄素的细胞围绕肾小管存在, 说明肾组织有陈旧性出血。
上述病变一般在吸毒后6个月前出现极少, 6个月后各组大鼠肾病理组织学改变的例数见表 2。可以看出, 随吸入DU气溶胶量增高以及吸入后时间延长, 发生病变的例数增加。
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表 2 大鼠肾各类病理组织学改变发生的例数 |
(5) 晚期(14月)对吸入不同量气溶胶大鼠的观察中, 部分大鼠肾乳头小管有少数呈现明显的病理改变, 管壁由单层立方上皮改变为多层扁平上皮, 细胞排列紊乱, 管腔形状不规则, 细胞核大小及形状不一, 部分细胞核出现空泡、胞浆着色较深, 上述病理改变提示乳头小管呈现上皮异常增生的迹象, 但由表 3可见, 发生肾乳头小管异常增生的例数并没有明显的规律性。
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表 3 大鼠吸入贫铀气溶胶后(14月)肾乳头小管异常增生的例数 |
各组大鼠单位体积肾乳头小管的平均直径、体积和表面积见表 4, 由表 4可以看出, 吸入气溶胶后7个月的各实验组数据与对照组相比差异有显著性(P<0.025~P<0.01), 表明肾小管的平均直径、体积和表面积明显增大。14个月实验各组与同剂量7个月实验组比较, 肾乳头小管的平均直径、体积和表面积均大于7个月实验各组, 统计学分析差异均有显著性。表明大鼠吸入贫铀气溶胶后, 不论何种原因所致的肾小管扩张, 其远期效应是明显的。各组大鼠肾脏皮质肾小球的体视学参数在光镜水平下测量无明显改变。
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表 4 各组大鼠单位体积肾乳头小管的平均直径、体积和表面积 |
镜下:脾组织的白髓面积减少, 白髓区域内的淋巴小结明区相对暗淡, 细胞稀疏; 晚期(14个月)未见进一步改变的迹象。红髓区域早期无明显规律性改变, 晚期则呈现有大量陈旧性出血, 并且胞浆内吞有退变细胞的核碎屑。整个脾组织吸入贫铀气溶胶实验组与对照组相比, 巨核细胞的细胞数及核分裂相减少, 晚期更为明显。
2.5.2 脾组织的形态计量学改变各组大鼠脾横断面面积、白髓面积、白髓面积与脾的横断面积之比见表 5, 由表 5可以看出, 吸入气溶胶后4、7个月的各实验组数据与对照组相比有显著性差别(P<0.05~P<0.01), 表明脾脏的白髓面积、以及白髓在脾横断面内所占的比例明显减少。结合肺、肾组织改变可见, 脾的病理改变要早于其他组织改变。14个月实验各组与同剂量7个月实验组比较, 白髓面积、以及白髓在脾横断面内所占的比例无明显改变, 统计学分析无显著性差别。表明大鼠吸入贫铀气溶胶后, 晚期白髓在脾横断面内所占的比例其远期效应是不明显的, 也有可能是白髓再生所致。结合脾的病理观察, 表明大鼠吸入贫铀气溶胶对脾脏的免疫功能和造血功能是有影响的。
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表 5 各组大鼠脾横断面测量参数 |
在光镜水平下, 观察的各时间点内, 未发现肝、脑组织异常改变。
3 讨论肺、肾、脾出血是大鼠吸入贫铀气溶胶后重要的病理改变之一, 但引起出血的原因又是很复杂的。例如:是爆炸造成的冲击伤?是感染所致的并发症?是贫铀颗粒机械的损伤[6]?还是辐射、化学对血管造成的损伤?另外个别的动物肺、肾组织内发现有陈旧性出血, 说明肺、肾出血也并不局限于半年以后, 但是究其何种原因引起的肺出血, 有待进一步研究。
本研究所获得的肾组织的病理改变、形态计量学改变, 比文献[1]报道的改变要重的多, 结果也不一致, 如当暴露停止后, 肾功能在大多数情况下会恢复[1]。本研究发现, 随着活杀时间点的延长, 其病理改变不但没有减轻, 反而明显加重, 且出现上皮异常增生的迹象(何种原因所致, 有待本研究的其他辅助实验进一步证实)。
文献报道饮水中铀的存在似乎与蛋白尿有关[7]在本研究中得到进一步的证实, 但何种原因所致的肾小管扩张?作为尿生成的主要功能单位组成部分的肾小球, 为何又没有明显的组织病理改变?所有这些都有待以后的实验作更加深入的探讨。
与肾的损伤相比[4], 肺组织的损伤[8]要比肾组织损伤要重的多, 说明肺是DU气溶胶损伤的重要靶器官, 二者的病理改变均重于脾等器官, 但脾的病理改变却早于其他器官, 由此可见, 大鼠免疫功能、造血功能的改变有可能是加重其他器官病理改变的原因之一。
(樊飞跃、于水、邹晓颖、谷庆阳刘东山、张荣芳、李世彦、韩旺、董承岭、左永召、刘玮、尤汉虎、吕兰海、李桂兰、葛志红等同志参加了此项工作, 在此谨表谢意。感谢核工业总公司二零二厂全体员工给予的大力支持和帮助!)
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