脊髓损伤模型进展

秦峰综述 董大明审校



综 述

脊髓损伤模型进展

秦峰综述 董大明审校

脊髓损伤；模型；脊髓损伤模型

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

脊髓损伤模型对于试验性治疗的评估以及更好地了解脊髓损伤后相关级联反应是不可缺少的。脊髓损伤模型的目的是尽可能地重建人类脊髓损伤的特征，这些模型因损伤施加的部位和损伤的机制不同而各有差异。近年来脊髓损伤模型不断改进，本文将对常用模型做一综述。

1 实验动物种系

大鼠是最常用于起始实验研究的实验动物，因为它们相对便宜、容易获得，且已展示出与人类脊髓损伤相似的电生理和形态学表现，目前应用最为广泛[1]。非人类的灵长动物的脊髓束损伤模型—包括狨猴、猕猴和松鼠猴比啮齿类动物更接近人类脊髓束损伤，并且它们能够适应复杂的损伤变量以及用来对康复治疗的研究评估[2]。新领域灵长类动物比旧领域灵长类更有优势，因为它们体积更小、容易控制、有更好的繁殖功能并且可以在实验室克隆繁殖。脊髓损伤模型包含大动物如猪、狗等，在进一步试验时也可应用。

2 损伤部位意义

实验性脊髓损伤常选择低位颈髓、 胸髓及腰髓。用于脊髓损伤修复研究时常采用中下胸段，损伤节段越高，伤后早期越易出现呼吸、心血管等系统并发症，病死率亦越高，大部分学者选择T10节段。尽管大部分研究已经成功诱导致胸水平的损伤，但基于临床相关性，近期研究则聚焦于颈水平的损伤模型[3]。人类脊髓束损伤通常发生于颈水平，这些模型比胸椎水平损伤更容易引起神经损伤表现，更有利于治疗方案的评估研究[3]。

3 脊髓损伤模型分类

依据损伤机制，脊髓束损伤模型可分为挫伤、压缩、分离滑脱、横断、化学模型等。挫伤模型由一短暂的力对脊髓造成破坏，包括落锤冲击、电磁和空气压力设备等。压缩模型以长时间脊髓束压缩为特征。分离模型则应用相反的牵引力来伸展脊髓束损伤，然而滑脱模型则利用脊椎侧面的位移造成损伤。横断模型包括在特定水平脊髓束的部分或完全离断损伤。化学模型主要研究损伤后二次级联反应等特殊方面。

3.1 挫伤模型 挫伤设备的设计是用来对脊髓束造成短暂、严重的损伤。包括落锤冲击、电磁撞击器和一种近期被开发的气枪设备。

3.1.1 纽约大学撞击器： 模型建立需先将目标脊髓水平椎板切除后用钳夹固定以保持椎体稳定。通过外力，通常10 g物体从脊髓束表面坠落诱导脊髓损伤。通过控制记录撞击和脊髓压缩的重量、时间、速率，使试验具有可控性。纽约大学撞击器被应用于动物脊髓损伤研究(MASCIS)[4]，并重命名为MASCIS撞击器。推荐使用标准化的Evans大鼠(77±1)d大小，使用戊巴比妥45～60 mg/kg诱导麻醉，后分别施加(60±1)min的伤害时间[5]。MASCIS II采用电磁推动重量释放机制，然而MASCIS II没有电脑接口，不能对参数进行数字记录。2012年研制出MASCIS III结合了先前2种的优点，包括数字记录和电磁重力释放。

MASCIS最开始用于大鼠模型，现已被改进用于小鼠和猕猴，并且MASCIS已经用来制作颈髓损伤的大鼠模型[3]。依据MASCIS装置原理出现了猪和狗的落锤冲击方法[6，7]。MASCIS在大鼠模型中被广泛应用，然而在重量坠落之后撞击器的弹跳作用于脊髓束产生的变异性，可导致多样的脊髓损伤，并且撞击的时间也不能被控制。

3.1.2 水平(IH)撞击器： IH设备利用一个可控力撞击取代落差或位移制造创伤。通过一个分级发动机与一台电脑配合来产生一个可控力的撞击。首先将目标脊髓水平椎板切除，通过金属撞击承受器制造创伤，并附加传感器记录撞击器和脊髓束之间力的变化。IH也同样被应用于颈水平脊髓损伤模型，这个装置可应用于小鼠这类体积较小的啮齿类动物，即简单地把撞击器更换为更小的型号[8]。

目前IH设备的钳子还不能完全稳固地钳住脊柱，研究者已经改进钳夹系统来克服这些问题[9]。尽管可控制力的撞击器损伤技术理论上不影响精细运动，但试验过程中组织和功能的损伤却已有报道。

3.1.3 俄亥俄州立高校(OSU)撞击器： OSU与IH撞击器类似，OSU设备用电脑反馈控制电磁撞击器。触发后探针接触脊髓并在30 mm起始点重复运动，然后压缩脊髓束一个预先设定的长度，通常0.8～1.1 mm之间，时间4～5 ms。OSU设备避免了额外撞击，因为撞击器完成工作后立即离开脊髓束。OSU撞击器可控制传向脊髓束的力和位移，最大限制避免额外损伤。与MASCIS和IH设备相比，OSU撞击器可更好应用于诱导大鼠颈髓损伤[10]。

3.1.4 气枪撞击器： 气枪撞击器是2012年依据大鼠模型改良的一种新的挫伤设备[11]。它利用精确控制的高压力气流来制造脊髓束损伤。黏贴钳钳夹邻近椎骨，用牙齿钻孔机在目标椎骨的椎弓根上钻一个直径2 mm的孔洞，插入注射器可无直接接触但能够给硬脑膜施加压力。造成脊髓损伤的结果可以用核磁、组织学和运动评估分析。对于大部分模型可以成功地制造分等级的损伤。然而，在运动评估中对中等、严重创伤组和可控的轻度创伤组之间的差异没有统计学意义。因其没有明确的创伤定量，这个模型的可靠性和可复制性需要进一步研究。

3.2 压缩模型 压缩模型与挫伤模型的不同在于脊髓的长时间压迫损伤。事实上这些模型都是压缩—挫伤模型，包括急性挫伤及长时间压迫损伤。这一情况在骨折脱位和爆裂性骨折造成脊髓损伤时得以表现。

3.2.1 钳夹压缩： 钳夹压缩使用一个改良的大鼠动脉瘤钳夹来制造脊髓束损伤。首先将目标脊髓水平椎板切除，使用钳夹夹闭脊髓束，产生一个急性损伤后压缩脊髓束一个特定时间，至少1 min。使用50 g和30 g的力分别可产生严重和中度创伤。钳夹不同的时间可产生不同程度的损伤。在大鼠中可以根据功能和组织学需要来制造不同程度的胸椎损伤，这个模型已应用于颈椎和腰椎，并且也适用于小鼠[12]。近期研究证实小鼠血管夹的使用也是有效的[13]。弹簧夹同样被应用于制造猪的胸椎损伤[14]。

钳夹压缩的优点是它提供了一个压缩—挫伤模型，相对便宜，且能够产生分级脊髓损伤模型。钳夹压缩技术也可用于阻断特定时间内特定脊髓束的部分血流从而制造缺血—再灌注类型的脊髓损伤[15]。这一模型类似于临床医源性脊髓损伤，比如外科手术中可能发生的胸主动脉损伤等。

3.2.2 校准钳夹压缩： 校准钳夹压缩是为了避免挫伤模型产生的一些生物力学问题而制造的一个实用性模型。首先需将目标脊髓水平椎板切除，使用一对钳夹将脊髓束压缩在一个特定的宽度内持续一定时间。类似的方法可应用于大鼠，并且使用不同的压缩宽度可制造不同程度的损伤。这项技术同样适用于小鼠，并能够制造不同等级的脊髓束损伤模型[16]。

尽管校准钳夹技术是一种简单且便宜的模型，但它缺乏钳夹压缩和挫伤模型中精确撞击组件。因此校准钳夹压缩不能模拟最通常人类脊髓损伤，使它不如其他损伤模型应用普遍。

3.2.3 气球压缩： 通常气球压缩需在硬脑膜外或硬膜下腔插入一个有膨胀性气球的导管末端[17]，然后球内充入生理盐水或空气达到一个固定体积压缩脊髓束产生损伤。气球在持续特定的时间后排空，开始前也需将目标脊髓水平椎板切除。脊髓损伤可以依据膨胀体积、压缩时间分为不同等级。尽管在大鼠模型已经被广泛应用，对于狗、兔子和灵长类尚处于改进阶段[18]。这一模型的优点是相对便宜且较少需要外科准备。然而，气球的快速膨胀可能增加临近脊髓水平的损伤。

3.2.4 脊髓捆扎： 脊髓捆扎是一种新的脊髓损伤技术，开发者将其命名为SC-STRAPPER[19]。这个技术首先在动物的侧面插入带缝线的外科手术针，然后在硬脑膜外用缝线缠绕目标水平脊髓束，在大鼠的另一面穿出。缝线的一头固定在实验设备上，另一头通过一个简单的滑轮固定在一个悬浮物体上。当物体下降时压缩损伤启动，持续压缩1 min。研究者利用3种不同重量的物体在大鼠身上来制造轻、中和重度损伤。这项技术的优势是它是一个相对的非侵入的方法，不需要切除椎板引起出血，并且有报道大鼠可以100%存活[20]。这个装置可造成脊髓束每个面的损伤，而不仅仅是背腹侧或横向的损伤。尽管这个模型压缩的力可以通过物体的重量预测，但造成创伤的其他相关参数既不能被测量也不能被控制。

3.3 分离模型 分离模型通过控制脊髓束的距离拉伸达到模仿脊髓束受拉力损伤的目的。这种类型的创伤已经在猫、狗、猴子和猪试验过，尚处于热门研究阶段。

3.3.1 哈林顿分离器： 2004年，Dabney等[21]详细描述了使用这个装置在大鼠中制造胸段脊髓损伤。这项技术首先将目标脊髓水平椎板切除，目标上位椎体下缘与下位椎体上缘的薄层下放置改良的哈林顿拉钩。这些拉钩连接电脑控制的分级发动机，用于控制分离的长度、速度和持续时间。黄韧带切断分离3、5、7 mm的长度分别能制造轻、中、重度的脊髓损伤。然而，这个装置分离速度局限在1 cm/s，对于模仿人类脊髓损伤速率太低。因此尽管哈林顿分离器证实可造成脊髓损伤分离模型，但还处于试验阶段。

3.3.2 不列颠哥伦比亚大学(UBC)多能装置： UBC多能装置作用于大鼠具有多种用途，它可以造成挫伤、分离和脱位等损伤[22]，并且可以自动调节脊髓分离和压缩损伤。UBC多能装置使用钳夹固定椎体横突，研究员操作加速装置以较高速度牵拉钳夹，在制造脊髓损伤模型同时可无脊椎滑脱。除了钳夹装置外，UBC类似于OSU和IH的撞击装置。研究者们可以操纵位移变量造成中、重度的脊髓损伤。

3.3.3 德克萨斯大学阿灵顿(UTA)牵引器： UTA牵引器可使脊髓双向分离而UBC多能装置则只产生单向分离造成脊髓损伤。UTA用特制的钳夹固定于椎体，这些特制的钳夹附带线性牵引器，同时让2个椎体分离。这种相对非侵入性的方法不破坏椎板，并且可通过计算机记录损伤过程中力的传递[23]。将牵张距离设定为3 mm、5 mm、7 mm分别创造轻、中、重度脊髓损伤，利于肌电、行为和组织学方法判定损伤等级，但在行为评分中的高变异性限制了分离器的使用。UTA分离器相比UBC装置在低分离速度下同样可造成脊髓损伤，可更大程度模仿人类脊髓损伤。

3.4 横断模型 部分和完全横断模型在组织工程、探讨神经元损伤后再生方面应用广泛。模型对评估轴突再生及再生后功能的恢复表现突出。然而这些模型对于研究脊髓损伤后复杂的病理生理并不理想，因为脊髓横断在临床环境中并不常见。

3.4.1 完全横断模型： 完全横断模型为脊髓前后的完整离断，这有利于模型的重复性。脊髓离断后，随之产生一个复杂的轴突再生和瘢痕形成的病理生理级联反应。通过完全横断动物模型为研究脊髓运动通路提供了重要证据[24]。

3.4.2 部分横断模型： 部分横断损伤的脊髓涉及到脊髓的选择性毁损，这些模型较完全横断更接近于临床脊髓损伤。例如，脊髓半切可以用来研究运动功能和不同脊髓束的关系，以及同侧病变与对侧运动功能的影响等。这项技术还被用于研究对脊髓损伤很有前途的神经移植的外科治疗[25，26]。此外由于损伤较完全横断小，模型更容易培养。

3.5 化学模型 通过使用化学方法模仿继发脊髓损伤级联反应的许多模型已被开发。这些模型在研究各种治疗方法对脊髓损伤影响的分子机制方面作用突出。但是，化学模型在脊髓损伤后的整体相似度极差。

3.5.1 光化学诱导缺血模型： 光化学诱导缺血模型需要注射或直接应用无毒的光敏试剂，如孟加拉玫瑰红，随后给予不同时间的激光照射。有些反应物如超氧阴离子、羟自由基、亚硝酸盐等可产生活性氧，导致脂质和蛋白质的过氧化，从而损害神经元。可通过注射酵母多糖，激活巨噬细胞造成神经炎性反应。注射磷酸二脂酶可产生炎性反应引起细胞损伤，模拟外伤性脊髓损伤的特点[27]。

3.5.2 脱髓鞘化学模型： 脱髓鞘化学模型对神经再生研究有重大作用，模型建立通过注射溴化乙锭、小鼠肝炎病毒、髓鞘特异性抗体和补体的混合物，另外还可将双环己酮草酰二腙应用于动物饮食等。髓鞘在任何情况下都可自然发生，但根据处理方式的不同生长速度不同[28]。脊髓空洞症出现在20%脊髓损伤病例中，化学技术重现了这种情况。

4 总结与展望

鉴于人类脊髓损伤的复杂性，没有一个模型包括了所有方面的损伤。每个模型目的在于产生一个尽可能接近人类脊髓损伤的可重复的梯度损伤模型，在过去20年的时间里新模型的出现和发展已经取得了实质性的进展。神经损伤后轴突的存活量和损伤后运动功能的维持之间的关联研究依赖于损伤模型。虽然新的脊髓损伤模型更接近于人类的各个方面，但需要进一步的改进和验证。对于一个给定研究模型的最优选择取决于研究目的、参数和资源的调查。脊髓损伤模型对研究人类脊髓损伤有广泛的应用前景。

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国家自然科学基金项目(No.81371368)

150086 哈尔滨医科大学附属第二医院骨外科

董大明，E-mail:dongdaming1965@hotmail.com

2014-11-03)