秦峰綜述 董大明審校

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綜 述

脊髓損傷模型進展

秦峰綜述 董大明審校

脊髓損傷；模型；脊髓損傷模型

【DOI】 10.3969 / j.issn.1671-6450.2015.04.035

脊髓損傷模型對于試驗性治療的評估以及更好地了解脊髓損傷后相關級聯(lián)反應是不可缺少的。脊髓損傷模型的目的是盡可能地重建人類脊髓損傷的特征，這些模型因損傷施加的部位和損傷的機制不同而各有差異。近年來脊髓損傷模型不斷改進，本文將對常用模型做一綜述。

1 實驗動物種系

大鼠是最常用于起始實驗研究的實驗動物，因為它們相對便宜、容易獲得，且已展示出與人類脊髓損傷相似的電生理和形態(tài)學表現(xiàn)，目前應用最為廣泛[1]。非人類的靈長動物的脊髓束損傷模型—包括狨猴、獼猴和松鼠猴比嚙齒類動物更接近人類脊髓束損傷，并且它們能夠適應復雜的損傷變量以及用來對康復治療的研究評估[2]。新領域靈長類動物比舊領域靈長類更有優(yōu)勢，因為它們體積更小、容易控制、有更好的繁殖功能并且可以在實驗室克隆繁殖。脊髓損傷模型包含大動物如豬、狗等，在進一步試驗時也可應用。

2 損傷部位意義

實驗性脊髓損傷常選擇低位頸髓、 胸髓及腰髓。用于脊髓損傷修復研究時常采用中下胸段，損傷節(jié)段越高，傷后早期越易出現(xiàn)呼吸、心血管等系統(tǒng)并發(fā)癥，病死率亦越高，大部分學者選擇T10節(jié)段。盡管大部分研究已經(jīng)成功誘導致胸水平的損傷，但基于臨床相關性，近期研究則聚焦于頸水平的損傷模型[3]。人類脊髓束損傷通常發(fā)生于頸水平，這些模型比胸椎水平損傷更容易引起神經(jīng)損傷表現(xiàn)，更有利于治療方案的評估研究[3]。

3 脊髓損傷模型分類

依據(jù)損傷機制，脊髓束損傷模型可分為挫傷、壓縮、分離滑脫、橫斷、化學模型等。挫傷模型由一短暫的力對脊髓造成破壞，包括落錘沖擊、電磁和空氣壓力設備等。壓縮模型以長時間脊髓束壓縮為特征。分離模型則應用相反的牽引力來伸展脊髓束損傷，然而滑脫模型則利用脊椎側面的位移造成損傷。橫斷模型包括在特定水平脊髓束的部分或完全離斷損傷?；瘜W模型主要研究損傷后二次級聯(lián)反應等特殊方面。

3.1 挫傷模型 挫傷設備的設計是用來對脊髓束造成短暫、嚴重的損傷。包括落錘沖擊、電磁撞擊器和一種近期被開發(fā)的氣槍設備。

3.1.1 紐約大學撞擊器： 模型建立需先將目標脊髓水平椎板切除后用鉗夾固定以保持椎體穩(wěn)定。通過外力，通常10 g物體從脊髓束表面墜落誘導脊髓損傷。通過控制記錄撞擊和脊髓壓縮的重量、時間、速率，使試驗具有可控性。紐約大學撞擊器被應用于動物脊髓損傷研究(MASCIS)[4]，并重命名為MASCIS撞擊器。推薦使用標準化的Evans大鼠(77±1)d大小，使用戊巴比妥45～60 mg/kg誘導麻醉，后分別施加(60±1)min的傷害時間[5]。MASCIS II采用電磁推動重量釋放機制，然而MASCIS II沒有電腦接口，不能對參數(shù)進行數(shù)字記錄。2012年研制出MASCIS III結合了先前2種的優(yōu)點，包括數(shù)字記錄和電磁重力釋放。

MASCIS最開始用于大鼠模型，現(xiàn)已被改進用于小鼠和獼猴，并且MASCIS已經(jīng)用來制作頸髓損傷的大鼠模型[3]。依據(jù)MASCIS裝置原理出現(xiàn)了豬和狗的落錘沖擊方法[6，7]。MASCIS在大鼠模型中被廣泛應用，然而在重量墜落之后撞擊器的彈跳作用于脊髓束產(chǎn)生的變異性，可導致多樣的脊髓損傷，并且撞擊的時間也不能被控制。

3.1.2 水平(IH)撞擊器： IH設備利用一個可控力撞擊取代落差或位移制造創(chuàng)傷。通過一個分級發(fā)動機與一臺電腦配合來產(chǎn)生一個可控力的撞擊。首先將目標脊髓水平椎板切除，通過金屬撞擊承受器制造創(chuàng)傷，并附加傳感器記錄撞擊器和脊髓束之間力的變化。IH也同樣被應用于頸水平脊髓損傷模型，這個裝置可應用于小鼠這類體積較小的嚙齒類動物，即簡單地把撞擊器更換為更小的型號[8]。

目前IH設備的鉗子還不能完全穩(wěn)固地鉗住脊柱，研究者已經(jīng)改進鉗夾系統(tǒng)來克服這些問題[9]。盡管可控制力的撞擊器損傷技術理論上不影響精細運動，但試驗過程中組織和功能的損傷卻已有報道。

3.1.3 俄亥俄州立高校(OSU)撞擊器： OSU與IH撞擊器類似，OSU設備用電腦反饋控制電磁撞擊器。觸發(fā)后探針接觸脊髓并在30 mm起始點重復運動，然后壓縮脊髓束一個預先設定的長度，通常0.8～1.1 mm之間，時間4～5 ms。OSU設備避免了額外撞擊，因為撞擊器完成工作后立即離開脊髓束。OSU撞擊器可控制傳向脊髓束的力和位移，最大限制避免額外損傷。與MASCIS和IH設備相比，OSU撞擊器可更好應用于誘導大鼠頸髓損傷[10]。

3.1.4 氣槍撞擊器： 氣槍撞擊器是2012年依據(jù)大鼠模型改良的一種新的挫傷設備[11]。它利用精確控制的高壓力氣流來制造脊髓束損傷。黏貼鉗鉗夾鄰近椎骨，用牙齒鉆孔機在目標椎骨的椎弓根上鉆一個直徑2 mm的孔洞，插入注射器可無直接接觸但能夠給硬腦膜施加壓力。造成脊髓損傷的結果可以用核磁、組織學和運動評估分析。對于大部分模型可以成功地制造分等級的損傷。然而，在運動評估中對中等、嚴重創(chuàng)傷組和可控的輕度創(chuàng)傷組之間的差異沒有統(tǒng)計學意義。因其沒有明確的創(chuàng)傷定量，這個模型的可靠性和可復制性需要進一步研究。

3.2 壓縮模型 壓縮模型與挫傷模型的不同在于脊髓的長時間壓迫損傷。事實上這些模型都是壓縮—挫傷模型，包括急性挫傷及長時間壓迫損傷。這一情況在骨折脫位和爆裂性骨折造成脊髓損傷時得以表現(xiàn)。

3.2.1 鉗夾壓縮： 鉗夾壓縮使用一個改良的大鼠動脈瘤鉗夾來制造脊髓束損傷。首先將目標脊髓水平椎板切除，使用鉗夾夾閉脊髓束，產(chǎn)生一個急性損傷后壓縮脊髓束一個特定時間，至少1 min。使用50 g和30 g的力分別可產(chǎn)生嚴重和中度創(chuàng)傷。鉗夾不同的時間可產(chǎn)生不同程度的損傷。在大鼠中可以根據(jù)功能和組織學需要來制造不同程度的胸椎損傷，這個模型已應用于頸椎和腰椎，并且也適用于小鼠[12]。近期研究證實小鼠血管夾的使用也是有效的[13]。彈簧夾同樣被應用于制造豬的胸椎損傷[14]。

鉗夾壓縮的優(yōu)點是它提供了一個壓縮—挫傷模型，相對便宜，且能夠產(chǎn)生分級脊髓損傷模型。鉗夾壓縮技術也可用于阻斷特定時間內特定脊髓束的部分血流從而制造缺血—再灌注類型的脊髓損傷[15]。這一模型類似于臨床醫(yī)源性脊髓損傷，比如外科手術中可能發(fā)生的胸主動脈損傷等。

3.2.2 校準鉗夾壓縮： 校準鉗夾壓縮是為了避免挫傷模型產(chǎn)生的一些生物力學問題而制造的一個實用性模型。首先需將目標脊髓水平椎板切除，使用一對鉗夾將脊髓束壓縮在一個特定的寬度內持續(xù)一定時間。類似的方法可應用于大鼠，并且使用不同的壓縮寬度可制造不同程度的損傷。這項技術同樣適用于小鼠，并能夠制造不同等級的脊髓束損傷模型[16]。

盡管校準鉗夾技術是一種簡單且便宜的模型，但它缺乏鉗夾壓縮和挫傷模型中精確撞擊組件。因此校準鉗夾壓縮不能模擬最通常人類脊髓損傷，使它不如其他損傷模型應用普遍。

3.2.3 氣球壓縮： 通常氣球壓縮需在硬腦膜外或硬膜下腔插入一個有膨脹性氣球的導管末端[17]，然后球內充入生理鹽水或空氣達到一個固定體積壓縮脊髓束產(chǎn)生損傷。氣球在持續(xù)特定的時間后排空，開始前也需將目標脊髓水平椎板切除。脊髓損傷可以依據(jù)膨脹體積、壓縮時間分為不同等級。盡管在大鼠模型已經(jīng)被廣泛應用，對于狗、兔子和靈長類尚處于改進階段[18]。這一模型的優(yōu)點是相對便宜且較少需要外科準備。然而，氣球的快速膨脹可能增加臨近脊髓水平的損傷。

3.2.4 脊髓捆扎： 脊髓捆扎是一種新的脊髓損傷技術，開發(fā)者將其命名為SC-STRAPPER[19]。這個技術首先在動物的側面插入帶縫線的外科手術針，然后在硬腦膜外用縫線纏繞目標水平脊髓束，在大鼠的另一面穿出?？p線的一頭固定在實驗設備上，另一頭通過一個簡單的滑輪固定在一個懸浮物體上。當物體下降時壓縮損傷啟動，持續(xù)壓縮1 min。研究者利用3種不同重量的物體在大鼠身上來制造輕、中和重度損傷。這項技術的優(yōu)勢是它是一個相對的非侵入的方法，不需要切除椎板引起出血，并且有報道大鼠可以100%存活[20]。這個裝置可造成脊髓束每個面的損傷，而不僅僅是背腹側或橫向的損傷。盡管這個模型壓縮的力可以通過物體的重量預測，但造成創(chuàng)傷的其他相關參數(shù)既不能被測量也不能被控制。

3.3 分離模型 分離模型通過控制脊髓束的距離拉伸達到模仿脊髓束受拉力損傷的目的。這種類型的創(chuàng)傷已經(jīng)在貓、狗、猴子和豬試驗過，尚處于熱門研究階段。

3.3.1 哈林頓分離器： 2004年，Dabney等[21]詳細描述了使用這個裝置在大鼠中制造胸段脊髓損傷。這項技術首先將目標脊髓水平椎板切除，目標上位椎體下緣與下位椎體上緣的薄層下放置改良的哈林頓拉鉤。這些拉鉤連接電腦控制的分級發(fā)動機，用于控制分離的長度、速度和持續(xù)時間。黃韌帶切斷分離3、5、7 mm的長度分別能制造輕、中、重度的脊髓損傷。然而，這個裝置分離速度局限在1 cm/s，對于模仿人類脊髓損傷速率太低。因此盡管哈林頓分離器證實可造成脊髓損傷分離模型，但還處于試驗階段。

3.3.2 不列顛哥倫比亞大學(UBC)多能裝置： UBC多能裝置作用于大鼠具有多種用途，它可以造成挫傷、分離和脫位等損傷[22]，并且可以自動調節(jié)脊髓分離和壓縮損傷。UBC多能裝置使用鉗夾固定椎體橫突，研究員操作加速裝置以較高速度牽拉鉗夾，在制造脊髓損傷模型同時可無脊椎滑脫。除了鉗夾裝置外，UBC類似于OSU和IH的撞擊裝置。研究者們可以操縱位移變量造成中、重度的脊髓損傷。

3.3.3 德克薩斯大學阿靈頓(UTA)牽引器： UTA牽引器可使脊髓雙向分離而UBC多能裝置則只產(chǎn)生單向分離造成脊髓損傷。UTA用特制的鉗夾固定于椎體，這些特制的鉗夾附帶線性牽引器，同時讓2個椎體分離。這種相對非侵入性的方法不破壞椎板，并且可通過計算機記錄損傷過程中力的傳遞[23]。將牽張距離設定為3 mm、5 mm、7 mm分別創(chuàng)造輕、中、重度脊髓損傷，利于肌電、行為和組織學方法判定損傷等級，但在行為評分中的高變異性限制了分離器的使用。UTA分離器相比UBC裝置在低分離速度下同樣可造成脊髓損傷，可更大程度模仿人類脊髓損傷。

3.4 橫斷模型 部分和完全橫斷模型在組織工程、探討神經(jīng)元損傷后再生方面應用廣泛。模型對評估軸突再生及再生后功能的恢復表現(xiàn)突出。然而這些模型對于研究脊髓損傷后復雜的病理生理并不理想，因為脊髓橫斷在臨床環(huán)境中并不常見。

3.4.1 完全橫斷模型： 完全橫斷模型為脊髓前后的完整離斷，這有利于模型的重復性。脊髓離斷后，隨之產(chǎn)生一個復雜的軸突再生和瘢痕形成的病理生理級聯(lián)反應。通過完全橫斷動物模型為研究脊髓運動通路提供了重要證據(jù)[24]。

3.4.2 部分橫斷模型： 部分橫斷損傷的脊髓涉及到脊髓的選擇性毀損，這些模型較完全橫斷更接近于臨床脊髓損傷。例如，脊髓半切可以用來研究運動功能和不同脊髓束的關系，以及同側病變與對側運動功能的影響等。這項技術還被用于研究對脊髓損傷很有前途的神經(jīng)移植的外科治療[25，26]。此外由于損傷較完全橫斷小，模型更容易培養(yǎng)。

3.5 化學模型 通過使用化學方法模仿繼發(fā)脊髓損傷級聯(lián)反應的許多模型已被開發(fā)。這些模型在研究各種治療方法對脊髓損傷影響的分子機制方面作用突出。但是，化學模型在脊髓損傷后的整體相似度極差。

3.5.1 光化學誘導缺血模型： 光化學誘導缺血模型需要注射或直接應用無毒的光敏試劑，如孟加拉玫瑰紅，隨后給予不同時間的激光照射。有些反應物如超氧陰離子、羥自由基、亞硝酸鹽等可產(chǎn)生活性氧，導致脂質和蛋白質的過氧化，從而損害神經(jīng)元?？赏ㄟ^注射酵母多糖，激活巨噬細胞造成神經(jīng)炎性反應。注射磷酸二脂酶可產(chǎn)生炎性反應引起細胞損傷，模擬外傷性脊髓損傷的特點[27]。

3.5.2 脫髓鞘化學模型： 脫髓鞘化學模型對神經(jīng)再生研究有重大作用，模型建立通過注射溴化乙錠、小鼠肝炎病毒、髓鞘特異性抗體和補體的混合物，另外還可將雙環(huán)己酮草酰二腙應用于動物飲食等。髓鞘在任何情況下都可自然發(fā)生，但根據(jù)處理方式的不同生長速度不同[28]。脊髓空洞癥出現(xiàn)在20%脊髓損傷病例中，化學技術重現(xiàn)了這種情況。

4 總結與展望

鑒于人類脊髓損傷的復雜性，沒有一個模型包括了所有方面的損傷。每個模型目的在于產(chǎn)生一個盡可能接近人類脊髓損傷的可重復的梯度損傷模型，在過去20年的時間里新模型的出現(xiàn)和發(fā)展已經(jīng)取得了實質性的進展。神經(jīng)損傷后軸突的存活量和損傷后運動功能的維持之間的關聯(lián)研究依賴于損傷模型。雖然新的脊髓損傷模型更接近于人類的各個方面，但需要進一步的改進和驗證。對于一個給定研究模型的最優(yōu)選擇取決于研究目的、參數(shù)和資源的調查。脊髓損傷模型對研究人類脊髓損傷有廣泛的應用前景。

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