殷利軍 陳 輝 熊利澤△
(1 同濟(jì)大學(xué)附屬上海市第四人民醫(yī)院麻醉與圍術(shù)期醫(yī)學(xué)科,上海 200434;2 上海市麻醉與腦功能調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200434;3 同濟(jì)大學(xué)附屬上海市第四人民醫(yī)院腦功能與人工智能轉(zhuǎn)化研究所,上海 200434;4 同濟(jì)大學(xué)麻醉與圍術(shù)期醫(yī)學(xué)臨床研究中心,上海 200434;5 寧波市婦女兒童醫(yī)院麻醉科,寧波 315012)
神經(jīng)病理性疼痛(neuropathic pain, NP)是由軀體感覺系統(tǒng)的損傷或疾病引起的疼痛[1],表現(xiàn)為自發(fā)痛,伴或不伴誘發(fā)痛,如持續(xù)灼痛、刺痛、陣發(fā)性疼痛、冷或觸摸誘發(fā)的異位痛等[2]。研究報(bào)道,普通人群NP 的發(fā)病率為6.9%~10%,且疼痛與特定神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)聯(lián)程度各不相同[3]。即使相同病因所致的NP 病人,其疼痛的癥狀和體征也有可能不同。由于NP 發(fā)病率高、治療手段有限,療效也不盡如人意,因而給病人的生活質(zhì)量和身心健康造成了顯著影響,故一直是臨床與基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)[4]。
NP 缺乏有效的治療手段,且一線藥物療效并不滿意[2,4],可能與其致病機(jī)制尚未完全闡明有關(guān)。因此,選擇與建立合適的動物模型對NP 致病機(jī)制進(jìn)行深入研究具有十分重要意義。目前動物模型多根據(jù)NP 病因進(jìn)行分類,如外周神經(jīng)損傷或疾病、中樞神經(jīng)損傷或疾病、病毒、藥物和代謝異常等,不利于研究者對動物模型的篩選比較以及建模。故本文擬根據(jù)神經(jīng)受損的不同方式,如單次損傷、持續(xù)損傷、全身疾病或藥物誘導(dǎo)損傷等,對常用NP 模型的動物選擇和分類進(jìn)行總結(jié)論述,以期為動物模型的選擇與建立提供參考,從而構(gòu)建出更加符合NP 的動物模型,為NP 的致病機(jī)制研究奠定基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)動物種屬繁多[5]。靈長類動物與人類高度相似,能較完整地模擬疾病進(jìn)程,是NP 模型理想動物,但受來源、飼養(yǎng)、成本和倫理等限制,使用較少。豬、犬等動物可用于NP 研究,也因飼養(yǎng)、繁殖、倫理及尚無客觀痛覺評估工具,而較少使用。目前,NP 模型構(gòu)建中使用最廣泛的是嚙齒類動物,其優(yōu)勢包括來源充足、繁殖快、體型適中、成本低、飼養(yǎng)和觀察方便,可進(jìn)行大樣本的研究。另外,嚙齒類動物研究具有較好地可重復(fù)性實(shí)驗(yàn)、結(jié)果可靠,便于向臨床轉(zhuǎn)化。
此外,動物性別和品系[6]對研究也有影響。脊髓損傷 (spinal cord injury, SCI) 模型中,雌雄NP 大鼠均存在熱痛覺過敏,但僅雄性表現(xiàn)出機(jī)械性痛覺過敏[7];而雌雄SCI 小鼠出現(xiàn)NP 的概率幾乎相同[8]。另外,不同化療藥導(dǎo)致的NP 成功率和穩(wěn)定性也相差甚遠(yuǎn),可能受品系與性別的影響?;熣T導(dǎo)NP模型中,紫杉醇處理的C57BL/6 雌性小鼠、CD1 雄性小鼠以及順鉑處理的C57BL/6 雄性小鼠,NP 發(fā)病率較為穩(wěn)定[9]。
(1)皮膚肌肉切口牽拉 (skin/muscle-incision and retraction, SMIR) 模型
SMIR 模型[10]最早由Flatters 開發(fā),模擬術(shù)中牽拉切口與外周神經(jīng)導(dǎo)致的持續(xù)性痛覺過敏,疼痛持續(xù)至少4 周,是研究術(shù)后慢性疼痛較好的模型,主要表現(xiàn)為痛覺過敏和誘發(fā)痛。術(shù)后1~3 天即出現(xiàn)機(jī)械性疼痛閾值下降,術(shù)后12 天最為顯著,至少持續(xù)22 天,術(shù)后32 天完全消失。Flatters 使用vonFrey 刺激后爪中心(非隱神經(jīng)支配區(qū)域)評估疼痛,說明SMIR 痛覺過敏可能與外周或中樞敏化密切相關(guān)[11],這或許能解釋為何術(shù)后短時鎮(zhèn)痛并不能完全消除術(shù)后慢性疼痛的現(xiàn)象。SMIR 建模簡單,評估疼痛方法成熟,痛覺過敏長達(dá)3 周,可較好地反映術(shù)后慢性疼痛。其機(jī)制可能與活性氧或炎癥反應(yīng)激活傷害性感受器有關(guān),但仍需進(jìn)一步研究證實(shí)。
(2)坐骨神經(jīng)分支選擇損傷 (spared nerve injury,SNI)模型
大鼠SNI 模型首先由Decosterd 和Woolf 報(bào)道[12]。術(shù)后早期 (24 h) 和6 個月,腓腸神經(jīng)支配區(qū)可檢測到持續(xù)、重復(fù)的機(jī)械痛超敏和冷熱覺超敏。SNI 疼痛和并發(fā)癥的可能原因有:①早期可能與神經(jīng)損傷誘發(fā)中樞敏化有關(guān);②中期可能與異位興奮性及傳入去抑制有關(guān);③ 晚期可能與維持神經(jīng)性疼痛敏感結(jié)構(gòu)變化有關(guān)[12]。此外,SNI 大鼠的疼痛變化也具有時間依賴性。
小鼠SNI 模型中疼痛也比較穩(wěn)定。Cichon 等[13]研究顯示,SNI 小鼠出現(xiàn)一致、可重復(fù)和持久的機(jī)械痛超敏、冷熱痛超敏。SNI 小鼠術(shù)后2 天即出現(xiàn)機(jī)械痛超敏,至少持續(xù)4 周,甚至可達(dá)19 周,但早期的疼痛有可能由炎癥所導(dǎo)致,因?yàn)榧偈中g(shù)小鼠也存在該現(xiàn)象。Bilbao 等[14]研究發(fā)現(xiàn),與假手術(shù)小鼠相比,SNI 小鼠術(shù)后7 天出現(xiàn)機(jī)械痛覺和冷痛覺超敏,術(shù)后12 周達(dá)到峰值。上述研究表明,SNI 小鼠疼痛慢性化存在以誘發(fā)痛反應(yīng)增強(qiáng)為特征的時間階段。SNI 優(yōu)點(diǎn):①易暴露坐骨神經(jīng)及其分支;②可重復(fù)性好,因損傷神經(jīng)纖維類型和數(shù)目一致,個體差異??;③存在穩(wěn)定、持久的機(jī)械痛超敏、冷熱痛超敏;④SNI 能真實(shí)再現(xiàn)許多NP 的臨床特征。然而,SNI 模型導(dǎo)致腓總神經(jīng)和脛神經(jīng)損傷,為更準(zhǔn)確地評估腓腸神經(jīng)支配的后足外側(cè),需重復(fù)進(jìn)行撤足試驗(yàn)。
(3)脊髓損傷(spinal cord injury, SCI) 模型
脊髓損傷是NP 最常見的原因之一,建模方法繁多[15],如脊髓壓迫、脊髓完切或半切、光化學(xué)誘導(dǎo)缺血、脊髓擠壓、挫傷或興奮性神經(jīng)毒素等。目前多選胸腰脊髓,由重量下降技術(shù)構(gòu)建,表面出血可證實(shí)脊髓損傷。術(shù)后1 周,SCI 大鼠出現(xiàn)適度的機(jī)械痛超敏和持久的熱痛過敏[7],持續(xù)到術(shù)后30天運(yùn)動恢復(fù)[16]。表明SCI 與自發(fā)痛和誘發(fā)痛有關(guān),可導(dǎo)致痛覺過敏和痛覺超敏。小鼠的SCI 模型也較為穩(wěn)定。但有研究發(fā)現(xiàn),SCI 小鼠可出現(xiàn)機(jī)械痛超敏和熱痛過敏,而NP 相關(guān)行為未出現(xiàn)顯著變化[8]。SCI 的另一特征是存在性別差異。SCI 模型中,雌雄NP 大鼠均存在熱痛覺過敏,但只有雄性表現(xiàn)出機(jī)械性痛覺過敏[7],而雌雄SCI 小鼠產(chǎn)生NP 的概率幾乎相同[8]。此外,SCI 制備方法簡單易行、成本低,接近臨床的SCI 過程,但是重物下落點(diǎn)不易控制,且可能會向上彈起,對脊髓造成二次損傷。
(1)坐骨神經(jīng)慢性壓迫性損傷 (chronic constriction injury, CCI)模型
CCI 模型首先由Bennett 和Xie 報(bào)道[17],模擬了結(jié)扎線所致的免疫反應(yīng),引起神經(jīng)水腫、神經(jīng)壓迫、神經(jīng)外炎性病變及Wallerian 變性[18],目前仍被廣泛使用。術(shù)后大鼠出現(xiàn)類似NP 行為,存在自發(fā)痛[19];術(shù)后24 h 出現(xiàn)痛覺超敏;術(shù)后1 周出現(xiàn)機(jī)械痛超敏、熱痛過敏、冷覺誘發(fā)痛、過度舔、警戒、跛行以及避免將體重放在患側(cè)等疼痛癥狀,持續(xù)至少7 周。CCI 小鼠也存在痛覺過敏和痛覺超敏[20]。
CCI 造成周圍神經(jīng)病變,是同時伴隨炎性痛的復(fù)合模型,方法簡單,與NP 病人表現(xiàn)接近;模型動物可出現(xiàn)運(yùn)動受限,癥狀出現(xiàn)早且持續(xù)時間長。結(jié)扎線的不同,會影響傷害反應(yīng),如鉻腸線結(jié)扎可引起炎癥反應(yīng),這與臨床神經(jīng)損傷伴炎癥反應(yīng)的現(xiàn)象相符[21],是目前最常用的NP 模型。構(gòu)建CCI 模型成功的關(guān)鍵是結(jié)扎松緊度,松緊度不同則神經(jīng)損傷程度也不同,進(jìn)而導(dǎo)致行為學(xué)差異。CCI 模型的缺點(diǎn)是鉻腸線的結(jié)扎手法和松緊度難以量化,造成動物行為學(xué)個體差異大;坐骨神經(jīng)包含感覺和運(yùn)動神經(jīng),結(jié)扎會導(dǎo)致運(yùn)動障礙;鉻腸線輕扎對神經(jīng)機(jī)械傷害較小,機(jī)械痛敏不如SNI 模型明顯。
(2)慢性壓迫背根神經(jīng)節(jié) (chronic compression of the dorsal root ganglion, CCD)模型
CCD 模型首先由Hu 和Xing 報(bào)道[22],模擬背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglion, DRG)或神經(jīng)根受壓或繼發(fā)炎癥所致的坐骨神經(jīng)痛。術(shù)后1 天大鼠出現(xiàn)明顯行為學(xué)改變,表現(xiàn)為機(jī)械痛過敏和熱痛過敏,伴自發(fā)痛,即術(shù)側(cè)后肢出現(xiàn)抬足舔足等,術(shù)后2 周疼痛顯著,可持續(xù)6~8 周。CCD 操作簡單、成功率高,可有效模擬椎旁組織炎癥和/或壓迫造成的疼痛及病理生理改變,出現(xiàn)穩(wěn)定的自發(fā)痛和誘發(fā)痛癥狀[23]。CCD 優(yōu)點(diǎn):完全保留外周初級神經(jīng)傳入和傳出功能,且DRG神經(jīng)元胞體受到直接持續(xù)壓迫和炎癥刺激,與根性痛病人的情況相似。缺點(diǎn)是置入鋼棒會隨動物運(yùn)動產(chǎn)生輕微移位,隨實(shí)驗(yàn)周期延長可能出現(xiàn)鋼棒脫落等;分離椎旁軟組織暴露椎間孔時,增加了造模難度,且易出現(xiàn)術(shù)后感染等問題。
(3)脊神經(jīng)結(jié)扎 (spinal nerve ligation, SNL)模型
SNL 模型首先由Kim 和Chung 報(bào)道[24],模擬了脊神經(jīng)根性痛的病理改變。一種方式為分別結(jié)扎L5和L6脊神經(jīng),術(shù)后1~2 天出現(xiàn)機(jī)械痛超敏、熱痛過敏和自發(fā)痛,持續(xù)4 個月;另一種建模方式[25]是僅結(jié)扎L5脊神經(jīng),但其NP 癥狀較輕。Kiso 等[26]在小鼠 (L5~L6) 成功構(gòu)建了SNL 模型,建模后出現(xiàn)機(jī)械痛超敏,且術(shù)后1 天疼痛行為開始改變,并持續(xù)至少2 個月。
SNL 的癥狀類似于周圍神經(jīng)損傷后出現(xiàn)的燒灼痛。SNL 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)扎部位和結(jié)扎強(qiáng)度變異小,主要影響因素來自大鼠個體之間的差異;脊髓損傷和非損傷節(jié)段完全分開,更接近臨床,有利于比較損傷和非損傷節(jié)段的初級傳入是否以及如何參與疼痛發(fā)生和慢性化。SNL 會造成肌肉損傷,操作相對復(fù)雜,小鼠造模更困難,且容易發(fā)生感染。
(4)眶下神經(jīng)慢性縮窄術(shù) (chronic constriction injury of the infraorbital nerve, ION-CCI) 模型
ION-CCI 模型是目前使用最普遍的三叉神經(jīng)痛動物模型,首先由Imamura 等[27]報(bào)道。最初所有切口都通過口腔內(nèi)進(jìn)行,沿齦頰緣做一個約1 cm 長的切口(始于第一磨牙近端),暴露眶下神經(jīng)0.5 cm,用2 根4-0 鉻線進(jìn)行結(jié)扎,松緊度以延遲神經(jīng)傳導(dǎo),但不完全阻滯傳導(dǎo)為宜,同側(cè)熱痛閾顯著下降且持續(xù)12 天。后經(jīng)過改良[28],采用右側(cè)顴骨下緣切開1 cm,暴露眶下神經(jīng)后結(jié)扎,結(jié)果顯示,模型組大鼠同側(cè)面部的機(jī)械性痛閾明顯下降,持續(xù)28 天。該模型成功模擬了臨床上三叉神經(jīng)受壓引起的痛覺敏化,操作簡單,痛敏維持時間長。其缺點(diǎn)與CCI模型類似,結(jié)扎松緊度不易統(tǒng)一,致使神經(jīng)受損程度不同,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果差距較大。
(1)糖尿病性神經(jīng)病理性疼痛 (diabetic neuropathic pain, DNP) 模型
DNP 是全球最常見的神經(jīng)病變[29],可導(dǎo)致感覺功能喪失、自發(fā)痛、機(jī)械痛超敏和痛覺過敏癥狀。DNP 模型可以采用藥物誘導(dǎo)、飲食誘導(dǎo)、轉(zhuǎn)基因等方式構(gòu)建,最常見的DNP 模型采用注射鏈脲佐菌素(streptozotocin, STZ)構(gòu)建糖尿病模型[30]。研究發(fā)現(xiàn),STZ 注射1 周后大鼠C 纖維神經(jīng)傳導(dǎo)速度降低,后爪機(jī)械傷害性閾值降低,并出現(xiàn)異常疼痛,持續(xù)2 個多月。STZ 缺點(diǎn)是會導(dǎo)致其他的癥狀,例如早期高血糖和糖尿病、體重減輕或身體殘疾等。
研究顯示,病人[31]及嚙齒動物高脂飲食與DNP 有聯(lián)系。糖尿病db/db 小鼠正常飲食不會引起DNP,如飲食中脂肪含量適中,小鼠就可出現(xiàn)高血糖和神經(jīng)病變[32]。非糖尿病小鼠僅高脂飲食就可誘發(fā)糖尿病前期和相關(guān)神經(jīng)病變的癥狀。表明飲食[33]在DNP 早期動物模型中的重要性。飲食誘導(dǎo)的DNP 模型缺點(diǎn)是不能模擬糖尿病長達(dá)10 年以上出現(xiàn)的相關(guān)并發(fā)癥,主要受動物壽命限制,在動物有限的生命內(nèi),模型不會出現(xiàn)明顯的神經(jīng)病變。
(2)帶狀皰疹后神經(jīng)痛 (post-herpetic neuralgia,PHN) 模型
目前,水痘-帶狀皰疹病毒 (varicella-zoster virus,VZV) 誘發(fā)痛僅在大鼠進(jìn)行了研究,造模方法較少。1999 年Fleetwood-Walker 等[34]首次注射VZV 到大鼠足部制備NP 模型,目前已被用于疼痛治療的療效評估。近期,有研究[35]報(bào)道VZV 接種胡須墊構(gòu)建面部PHN 模型,并研究了機(jī)械痛敏和熱痛敏的發(fā)展過程,該區(qū)域類似于人體的三叉神經(jīng)上頜支支配區(qū)域;同時,也已開發(fā)出專門評估面部疼痛的測試,如PEAP 測試(大鼠避免有害機(jī)械刺激)和口腔面部刺激測試(測量感受疼痛時飲水活動的擾動)。面部疼痛模型大鼠的疼痛行為及其發(fā)展,與性別有關(guān)[36],因?yàn)榇菩院托坌源笫蟮奶弁创嬖陲@著差異;與對照組相比,雌性大鼠的疼痛行為持續(xù)時間更長。
針對小鼠采用單純皰疹病毒[37](herpes simplex viruses, HSV) 構(gòu)建類似PHN 的模型。與VZV 誘導(dǎo)的PHN 相比,HSV 模型大鼠機(jī)械痛超敏的穩(wěn)定性較差,但小鼠對HSV 的易感性更高,接種后形成的周圍神經(jīng)病變證實(shí)了這一點(diǎn)。需要指出的是,大鼠不是VZV 的自然宿主,雖然模型提供了分析感染性NP 的框架,重現(xiàn)了非感染性模型的許多特征,但仍缺乏紅疹和病毒血癥、病毒在神經(jīng)節(jié)內(nèi)擴(kuò)散(DRG 內(nèi)長期檢測)、細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)以及缺乏體內(nèi)再激活等過程。因此,急需研究新的PHN大鼠模型,有助于深入探討PHN 的致病機(jī)制。
(3)化療后周圍神經(jīng)病變模型
化療后周圍神經(jīng)病變是化療的嚴(yán)重不良反應(yīng)之一,發(fā)病率[38]為30%~40%。藥物作用于感覺神經(jīng),降低動作電位,減慢傳導(dǎo)速度導(dǎo)致疼痛,這種疼痛在化療結(jié)束后仍會持續(xù)很長一段時間。另外,NP會導(dǎo)致下調(diào)化療劑量或提前終止化療,從而導(dǎo)致癌癥復(fù)發(fā)和降低病人生存率。不同類別的化療藥物均可誘導(dǎo)NP,如順鉑[39]、長春新堿[40]和紫杉醇[41]等。
用于構(gòu)建化療誘導(dǎo)的NP 模型最有效和最可靠的藥物[9]有紫杉醇和順鉑,其中3 種模型較為穩(wěn)定:紫杉醇處理的C57BL/6 雌性小鼠、CD1 雄性小鼠和順鉑處理的C57BL/6 雄性小鼠。研究[38]報(bào)告,順鉑或奧沙利鉑處理的小鼠表現(xiàn)出機(jī)械性超敏及后爪和尾巴的冷熱痛敏。此外,采用尾靜脈注射奧沙利鉑誘發(fā)NP 的小鼠,也會出現(xiàn)機(jī)械痛超敏和冷痛超敏。大鼠腹腔注射紫杉醇可引起熱痛過敏、機(jī)械痛過敏和冷痛過敏,注射后數(shù)天內(nèi)出現(xiàn)痛覺過敏,持續(xù)數(shù)周。研究證實(shí),奧沙利鉑和紫杉醇誘導(dǎo)的癌癥疼痛模型動物存在持續(xù)疼痛[9]。
NP 是目前最具挑戰(zhàn)性的公共健康問題之一。開發(fā)有效的NP 診斷和治療手段,依賴于對NP 機(jī)制的深入了解,其中動物模型是疾病機(jī)制研究的重要載體,理想的動物模型是研究NP 潛在機(jī)制與治療靶點(diǎn)的良好基礎(chǔ)。目前,尚無單一動物模型可囊括NP 的所有方面,但現(xiàn)有模型的多樣性為闡明NP病理生理機(jī)制提供了一種選擇。
不同NP 模型的疼痛行為學(xué)和研究結(jié)果可能存在差異,甚至沖突,主要與神經(jīng)受損部位、方式、程度和持續(xù)時間等不同有關(guān),因?yàn)檫@些差異導(dǎo)致建模后機(jī)體出現(xiàn)不同反應(yīng)程度和持續(xù)時間等病理生理變化,如SNL 模型中僅結(jié)扎L5脊神經(jīng)所致的NP癥狀比分別結(jié)扎L5和L6脊神經(jīng)的癥狀輕。因此,應(yīng)根據(jù)擬研究的NP 特征、方向和實(shí)驗(yàn)方案,選擇恰當(dāng)動物模型(不同模型的優(yōu)勢與不足,見表1)。如研究術(shù)后早期炎癥且未直接損傷神經(jīng)的術(shù)后慢性疼痛,可選用SMIR 模型或開胸術(shù)后慢性疼痛模型。如果擬研究的NP 與神經(jīng)性損傷和炎性損傷有關(guān),則建議選擇CCI 模型和CCD 模型,兩者均可模擬NP發(fā)展過程,不同的是前者側(cè)重炎性損傷,后者側(cè)重機(jī)械性壓迫。此外,選擇時仍需考慮模型的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。例如,SCI 模型穩(wěn)定性較差,因脊髓損傷程度主要是由打擊距離和打擊物重量決定,故加大了建模難度,需反復(fù)練習(xí)或準(zhǔn)確固定脊髓等來增加造模成功率和穩(wěn)定性。與CCI 相比,SNI 模型的可重復(fù)性較好,其主要原因是:SNI 損傷神經(jīng)纖維類型和數(shù)目一致,故機(jī)械痛超敏、冷熱痛過敏是穩(wěn)定的;CCI 構(gòu)建成功的關(guān)鍵是結(jié)扎松緊度,然而鉻腸線結(jié)扎手法和松緊力度難以量化,松緊度不同則神經(jīng)損傷程度也不同,進(jìn)而導(dǎo)致行為學(xué)表現(xiàn)差異。
表1 NP 動物模型的特點(diǎn)總結(jié)
此外,目前NP 模型研究中也存在一些問題。首先,動物模型只是簡單模擬了人類NP 可能的最終臨床表現(xiàn),而不能反映NP 的病程進(jìn)展。其次,動物無法交流,絕大多數(shù)測試均借助神經(jīng)反射評估疼痛,即誘發(fā)痛評估(易受測試者主觀影響),而自發(fā)痛評估往往被忽視或不易評估,目前尚缺乏評估機(jī)械、冷熱痛敏的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。最后,NP 病人多伴有焦慮、失眠甚至抑郁等,與疼痛有相互促進(jìn)作用,影響臨床診療。因此,開發(fā)有效的、針對NP模型動物的相關(guān)評估,對于模型的研究也至關(guān)重要,是未來NP 研究的一個方向,
綜上所述,動物模型在研究NP 致病機(jī)制中發(fā)揮了關(guān)鍵作用,但仍存在諸多問題,因此選擇模型時,應(yīng)結(jié)合模型特點(diǎn)與臨床特征,以便較好地模擬NP 發(fā)病過程,有利于機(jī)制探究。
利益沖突聲明:作者聲明本文無利益沖突。