應(yīng)用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究建筑光環(huán)境對(duì)近視的影響

陳 茜，吳 蔚，王育良

(1.南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 南京 210093；2.南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬江蘇省中醫(yī)院，江蘇 南京 210029)

引言

我國(guó)兒童青少年近視問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]，影響兒童青少年近視高發(fā)的因素有很多，有大量的研究表明采光照明對(duì)兒童青少年近視的發(fā)生、發(fā)展有著重要影響[2，3]。然而，引起兒童近視的誘因很多，主要包括個(gè)人因素如遺傳和個(gè)人用眼習(xí)慣，環(huán)境因素如采光照明，以及很多的社會(huì)影響因素，并且近視的發(fā)生和發(fā)展是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，如何能夠在不受其他因素影響下，量化研究建筑光環(huán)境對(duì)兒童青少年眼睛發(fā)育影響并不容易。

本文在總結(jié)目前醫(yī)學(xué)界和建筑界對(duì)采光照明近視研究的文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，嘗試探討將醫(yī)學(xué)界在近視領(lǐng)域常用的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)法，運(yùn)用到建筑光環(huán)境研究中的可行性，以及需要注意的問(wèn)題，以期擴(kuò)展建筑采光照明對(duì)兒童青少年視力影響的研究方法。

1 利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究近視的原因

我國(guó)近些年來(lái)兒童青少年近視的發(fā)病率高，醫(yī)藥學(xué)、采光照明等很多領(lǐng)域都在關(guān)注這個(gè)問(wèn)題[4，5]。由于引起近視發(fā)生和發(fā)展的誘因較多，近視研究尚存在不少問(wèn)題，目前較常采用的研究方法主要包括社會(huì)調(diào)查法和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)兩種。社會(huì)調(diào)查法能較好地考慮各種因素對(duì)近視的影響，如2018年，Landis等[6]通過(guò)記錄澳大利亞昆士蘭102位10～15歲兒童青少年課外活動(dòng)課中暴露在室外的光照強(qiáng)度，在長(zhǎng)達(dá)一年的跟蹤調(diào)查中研究天然光與兒童近視發(fā)生和發(fā)展的關(guān)系。在我國(guó)，黃坤等[7]對(duì)廣州市多個(gè)中小學(xué)采光照明進(jìn)行調(diào)查。2021年，許建興[8]在廈門(mén)市多個(gè)中小學(xué)進(jìn)行采光照明調(diào)研。上述研究皆發(fā)現(xiàn)了學(xué)校教室的采光照明與中小學(xué)生視力不良存在著統(tǒng)計(jì)顯著性。盡管社會(huì)調(diào)查法能夠較深入地了解近視發(fā)生的整體影響，但很難控制多個(gè)影響變量，同時(shí)也存在時(shí)間長(zhǎng)、花費(fèi)大、樣本量難以控制等一系列問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)法能較好地控制近視的多個(gè)影響變量，但存在著難以重現(xiàn)復(fù)雜的環(huán)境、社會(huì)因素，以及這些因素如何長(zhǎng)期影響近視等困難，因此有必要尋找一個(gè)新的研究方法來(lái)研究光環(huán)境對(duì)近視的影響。

早在公元前4世紀(jì)至公元前3世紀(jì)，醫(yī)學(xué)界就利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來(lái)研究各種疾病[9]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)(animal laboratory)是指在特定條件下以實(shí)驗(yàn)動(dòng)物為研究對(duì)象，采用各種實(shí)驗(yàn)手段研究動(dòng)物受試過(guò)程中的應(yīng)激反應(yīng)、臨床表現(xiàn)及其發(fā)生發(fā)展規(guī)律的一種方法[10]。18至19世紀(jì)，隨著實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)的崛起，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物被廣泛地用在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。20世紀(jì)以后，遺傳背景明確、微生物和寄生蟲(chóng)得以控制，以科學(xué)研究為宗旨的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科[11]。至20世紀(jì)50年代末，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)被廣泛運(yùn)用于醫(yī)學(xué)的各分支學(xué)科[12]，因此在醫(yī)學(xué)界很早以前就利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來(lái)研究近視，其主要優(yōu)勢(shì)包括[13]：

(1)避免了近視研究對(duì)人體帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。光對(duì)眼睛造成的傷害大多是不可逆的，利用動(dòng)物在人為設(shè)計(jì)的近視實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行研究，可以避免在如極強(qiáng)光、高頻閃這種極端的實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)給人眼造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)可以節(jié)約研究近視的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。人類近視多發(fā)生于兒童青少年時(shí)期，而人類成長(zhǎng)周期長(zhǎng)達(dá)18年，動(dòng)物的生長(zhǎng)周期較快，所需要的實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短。以豚鼠為例，從出生到成年，只需要5個(gè)月，大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

(3)可以嚴(yán)格控制近視實(shí)驗(yàn)條件，分析不同近視影響因素對(duì)近視的影響。造成人近視的因素有很多，包括遺傳、用眼習(xí)慣、日常行為、視看環(huán)境等[14-16]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)動(dòng)物標(biāo)準(zhǔn)及其飼養(yǎng)環(huán)境等實(shí)驗(yàn)條件，最大程度地限定可變因素，增強(qiáng)不同近視影響因素對(duì)近視的影響。

(4)有助于更全面地認(rèn)識(shí)近視的本質(zhì)與發(fā)展過(guò)程。如在近視實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，鞏膜會(huì)在數(shù)天甚至數(shù)小時(shí)發(fā)生變化[17]，利用動(dòng)物可以較為輕松地實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)生眼軸伸長(zhǎng)的視覺(jué)刺激后，間隔檢查并跟蹤眼軸變化，甚至在實(shí)驗(yàn)需要時(shí)及時(shí)處死動(dòng)物、收集樣本，這在人體實(shí)驗(yàn)中是難以辦到的。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)近視研究起到了極其重要的推動(dòng)作用。如研究人員一直無(wú)法搞清近視的發(fā)生機(jī)制，通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)與臨床聯(lián)合研究，才使得近視發(fā)生發(fā)展機(jī)制有了突破性的研究成果[18]。目前，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)界對(duì)兒童青少年近視研究中不可替代的重要支撐。相較于社會(huì)調(diào)查法和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)法，利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究青少年近視問(wèn)題有很多優(yōu)點(diǎn)，因此不可避免地?cái)U(kuò)展到其他領(lǐng)域，如很多人工照明領(lǐng)域也開(kāi)始應(yīng)用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)法。

2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在人工照明中的應(yīng)用研究

研究人員早在20世紀(jì)就開(kāi)始利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究人工光源對(duì)近視的影響，如Feldkaempier等[19]利用小雞研究了光照水平對(duì)小雞形覺(jué)剝奪性近視的影響。到如今，很多人工照明對(duì)近視影響的研究都采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)法，如2011年，Yu[20]等利用小鼠實(shí)驗(yàn)，研究了閃光對(duì)近視的影響；2017年，Gawne等[21]通過(guò)對(duì)樹(shù)鼩的研究，探究了波長(zhǎng)為 626 nm 紅光對(duì)抑制樹(shù)鼩眼軸增長(zhǎng)的作用；2022年，Hu等[22]通過(guò)將恒河猴飼養(yǎng)在不同色溫條件下，研究了不同色溫對(duì)近視的緩解作用。

研究人員在利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究人工光源對(duì)近視影響中，注意到不同動(dòng)物模型在近視研究中存在著很大區(qū)別，如早期采用小雞[23]、樹(shù)鼩[24]、小鼠[25]等，這些實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有的在眼球大小、結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)制上與人類差異較大，有的存在著全基因序列數(shù)據(jù)缺乏等方面的局限性，選擇與人類相近的靈長(zhǎng)類動(dòng)物如獼猴、短尾猴等[26]時(shí)，則存在著動(dòng)物飼養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)、成本高、配合性差等問(wèn)題。近些年來(lái)，豚鼠被逐漸應(yīng)用在動(dòng)物近視研究中，這主要是因?yàn)殡嗍蟮难鄄拷馄式Y(jié)構(gòu)、生物學(xué)結(jié)構(gòu)和生理功能與人類和靈長(zhǎng)類動(dòng)物相似，即對(duì)形態(tài)剝奪和晶狀體誘導(dǎo)很敏感[27]。此外，豚鼠具有脾氣溫和、易于飼養(yǎng)，且飼養(yǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。如2004年，邸悅[28]就開(kāi)始將豚鼠飼養(yǎng)在不同頻率的頻閃光下，研究頻閃光對(duì)眼正視化的影響；2011年，Liu等[29]通過(guò)建立不同單色光的豚鼠近視模型，研究不同單色光對(duì)近視的影響。

在邸悅[28]的實(shí)驗(yàn)中，研究人員將豚鼠飼養(yǎng)在如圖1所示的籠具里(長(zhǎng)×寬×高=50 cm×40 cm×60 cm)，各豚鼠籠間由遮光布遮光以確保不受外界光環(huán)境干擾，可調(diào)節(jié)發(fā)光二極管用細(xì)鐵絲分別固定于鼠籠四角高處。Liu等[29]采用的籠具尺寸(長(zhǎng)×寬×高=80 cm×50 cm×40 cm)與邸悅的實(shí)驗(yàn)相近，只是在白色籠具內(nèi)壁、天花板和底部安裝了4～6個(gè)不同波長(zhǎng)的單色光光源。在這些照明對(duì)近視影響的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，研究人員僅考慮了動(dòng)物生長(zhǎng)所需的空間，主要強(qiáng)調(diào)的是人工光源對(duì)動(dòng)物影響，并沒(méi)有考慮建筑光環(huán)境的影響。當(dāng)僅考慮人工照明時(shí)，建筑光環(huán)境是由人工光源產(chǎn)生的光照(照度水平和分布、照明的形式)與顏色(色調(diào)、色飽和度、室內(nèi)顏色分布、顏色顯現(xiàn))在室內(nèi)建立的同房間形狀有關(guān)的光物理環(huán)境。因此建筑光環(huán)境不僅僅需要考慮光源本身，還要考慮光源的位置、室內(nèi)各種建筑材料的光物理特性、室形指數(shù)等的綜合影響。當(dāng)需要考慮天然光環(huán)境時(shí)，則還需要考慮采光口的朝向、大小等設(shè)計(jì)因素。

圖1 研究人員利用豚鼠研究人工照明對(duì)近視的影響[28，29]Fig.1 Researchers studied the effect of artificial lighting on myopia using guinea pigs

3 利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的建筑光環(huán)境先導(dǎo)性研究

研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[30]、《住宅建筑設(shè)計(jì)原理》[31]、《建筑設(shè)計(jì)資料集》等[32，33]，將典型住宅房間尺寸定為長(zhǎng)×寬×高=4 500 mm×3 300 mm×2 800 mm，并基于目前住宅建筑的采光現(xiàn)狀，選出了3種具有代表性的采光形式：?jiǎn)蝹?cè)窗、封閉陽(yáng)臺(tái)、陽(yáng)光房。不同采光形式的典型房間具體尺寸見(jiàn)表1。

表1 不同采光形式下典型房間與實(shí)驗(yàn)籠具尺寸

在將天然光環(huán)境下的建筑房間轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)籠具時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為需要注意到以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

(1)實(shí)驗(yàn)籠具的尺寸大小。建筑模型縮小尺寸后，當(dāng)其光物理特性不改變的情況下，模型室內(nèi)的光環(huán)境與真實(shí)建筑內(nèi)的光環(huán)境應(yīng)該一致，但這是建立在人的尺寸也按比例縮小了。由于人眼高度與身高的比例與動(dòng)物眼高和身高的比例不同，要想實(shí)驗(yàn)籠內(nèi)的光環(huán)境真實(shí)還原建筑的光環(huán)境，必須使動(dòng)物視野中光環(huán)境情況和人眼中的光環(huán)境情況相似。此外，飼養(yǎng)籠也需要滿足動(dòng)物的生長(zhǎng)空間，保證籠內(nèi)通風(fēng)條件良好、便于清潔，以便營(yíng)造出健康飼養(yǎng)環(huán)境。

(2)實(shí)驗(yàn)籠具的材料選擇。應(yīng)注意對(duì)照建筑房間中材料的光物理特性。當(dāng)飼養(yǎng)籠放置在室外時(shí)，還要注意飼養(yǎng)籠保溫、防水等問(wèn)題。此外，豚鼠為嚙齒類動(dòng)物，實(shí)驗(yàn)籠具還要考慮被啃食的問(wèn)題。

(3)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的選擇。動(dòng)物的眼睛生長(zhǎng)周期與人的眼睛生長(zhǎng)周期不同，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該注意將動(dòng)物的生長(zhǎng)年齡與人的生長(zhǎng)年齡相對(duì)應(yīng)。

基于上述考慮因素，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)確定飼養(yǎng)籠尺寸大小。首先應(yīng)滿足豚鼠的生長(zhǎng)環(huán)境。醫(yī)學(xué)常使用的豚鼠實(shí)驗(yàn)籠具尺寸(長(zhǎng)×寬×高=440 mm×330 mm×200 mm)，如果將實(shí)驗(yàn)籠具按側(cè)窗式典型住宅房間實(shí)際長(zhǎng)寬高的1∶10縮放，其長(zhǎng)×寬×高=450 mm×330 mm×280 mm。在確定基礎(chǔ)尺寸后，其次研究的是如何將豚鼠視野中的建筑光環(huán)境與人眼中的建筑光環(huán)境相匹配。豚鼠眼部所處高度為55 mm(豚鼠眼高35 mm+墊料高20 mm)，人眼高度為1 500 mm，研究團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)模擬分析，比較典型住宅房間在人眼高度的光環(huán)境和籠具內(nèi)豚鼠眼中的光環(huán)境，發(fā)現(xiàn)如果將飼養(yǎng)籠完全按照典型建筑的長(zhǎng)、寬、高縮放到1∶10比例后，其人眼和鼠眼中的室內(nèi)光環(huán)境差異較大。因此在盡量不改變醫(yī)學(xué)界慣用的飼養(yǎng)條件情況下，即長(zhǎng)寬比例不變的情況，分別將實(shí)驗(yàn)籠具高度按典型住宅房間實(shí)際高度的1∶10—1∶20逐一進(jìn)行模擬比較實(shí)驗(yàn)，模擬結(jié)果顯示，鼠籠高度與典型住宅房間高度比例為1∶17時(shí)，實(shí)驗(yàn)籠具內(nèi)部豚鼠眼中的照度曲線與典型住宅房間人眼中的照度曲線最為吻合，測(cè)點(diǎn)的誤差率較小，光環(huán)境情況最為相似。最終實(shí)驗(yàn)籠具尺寸長(zhǎng)寬高見(jiàn)表1，室內(nèi)光環(huán)境模擬分析研究見(jiàn)表2。

表2 豚鼠眼中的光環(huán)境與典型房間中人眼中的光環(huán)境比較分析

在選擇實(shí)驗(yàn)籠具材料時(shí)，實(shí)驗(yàn)籠具主要的實(shí)體部分使用3 mm塑料板；為防止籠具實(shí)體部分有光線透入內(nèi)部并保持室內(nèi)溫度，籠具的外表面貼黑色保溫材料；籠具的內(nèi)表面貼與房間實(shí)際白墻反射率相似的白色墻紙；為了滿足實(shí)驗(yàn)籠具通風(fēng)需要，開(kāi)窗部分選擇鐵絲網(wǎng)而非透明玻璃。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)間的選擇方面，選擇1個(gè)月大豚鼠，實(shí)驗(yàn)周期為3個(gè)月，以對(duì)應(yīng)人類的3～15歲。

最后，為了更好地配合豚鼠飼養(yǎng)，研究團(tuán)隊(duì)將籠具頂部部分設(shè)計(jì)為可以完全打開(kāi)，便于實(shí)驗(yàn)員對(duì)籠具內(nèi)進(jìn)行清潔，并在鐵絲網(wǎng)底部加上3 cm的透明玻璃，以防墊料溢出。

醫(yī)學(xué)中飼養(yǎng)豚鼠的籠子尺寸是醫(yī)學(xué)界在長(zhǎng)期開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中摸索出來(lái)的，當(dāng)將飼養(yǎng)籠改造成為一個(gè)典型住宅房間模擬室內(nèi)光環(huán)境時(shí)，有許多地方需要注意：

(1)醫(yī)學(xué)中的實(shí)驗(yàn)籠具大多并排放置在實(shí)驗(yàn)架上，尺寸一般為長(zhǎng)×寬×高=440 mm×330 mm×200 mm，一籠可滿足飼養(yǎng)6只豚鼠所需的空間，這是醫(yī)學(xué)界長(zhǎng)期摸索出來(lái)的較為經(jīng)濟(jì)且合理的空間尺度，因此在改造實(shí)驗(yàn)籠具時(shí)應(yīng)盡量參考醫(yī)學(xué)常用實(shí)驗(yàn)籠具尺寸。

(2)豚鼠產(chǎn)生的排泄物會(huì)產(chǎn)生不良?xì)馕叮視?huì)污染籠內(nèi)環(huán)境，因此實(shí)驗(yàn)籠具要有通風(fēng)口，而籠具頂部最好可以完全打開(kāi)便于實(shí)驗(yàn)員清潔。

(3)由于實(shí)驗(yàn)籠具在清洗時(shí)需要晾曬一段時(shí)間，因此在條件允許時(shí)，應(yīng)該為每一個(gè)籠具準(zhǔn)備一個(gè)替換裝。

(4)制作實(shí)驗(yàn)籠具的材料要足夠堅(jiān)固，防止豚鼠啃食，并在蓋子上加上扣鎖，以防豚鼠跳躍時(shí)將盒蓋頂開(kāi)。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑光環(huán)境對(duì)兒童青少年視力發(fā)育有著重要的影響，但想要量化研究建筑光環(huán)境對(duì)兒童青少年視力的影響并不容易，醫(yī)學(xué)界的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以屏蔽很多近視誘因，規(guī)避許多倫理問(wèn)題，在短時(shí)間內(nèi)研究近視的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律和防治近視的機(jī)理，值得在做建筑光環(huán)境近視研究時(shí)借鑒。然而，建筑物理領(lǐng)域的研究與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究有著許多區(qū)別，將動(dòng)物實(shí)驗(yàn)運(yùn)用到建筑光環(huán)境近視研究中時(shí)需要注意許多問(wèn)題。

本文在分析與總結(jié)醫(yī)學(xué)界利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行近視研究的基礎(chǔ)上，探討將動(dòng)物實(shí)驗(yàn)法運(yùn)用到建筑光環(huán)境研究中的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)研究團(tuán)隊(duì)的先導(dǎo)性研究，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中需要注意的地方，目前動(dòng)物飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行，飼養(yǎng)方對(duì)飼養(yǎng)籠反應(yīng)良好。在此需要指出的是，盡管利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究建筑光環(huán)境對(duì)近視的影響有很多優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)閯?dòng)物與人在生理、行為、藥代動(dòng)力學(xué)和遺傳學(xué)方面的差異[34]，光環(huán)境對(duì)動(dòng)物與人產(chǎn)生的影響之間也必然存在著一定的差異性，所以將動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果應(yīng)用到人體上時(shí)，還應(yīng)謹(jǐn)慎考量。