动物颈脊髓压迫模型的研究进展

姜 昊，田自开，徐浩钦，王瑞军，彭宝淦

动物颈脊髓压迫模型的研究进展

姜 昊，田自开，徐浩钦，王瑞军，彭宝淦

脊髓型颈椎病是导致成人脊髓功能障碍最常见的疾病。矛盾的是，对于脊髓型颈椎病患者脊髓神经组织进展性功能丧失的病理生物学机制却不甚清楚。经过20世纪本领域科学家的大量研究证实，脊髓压迫模型不论是在研究治疗脊髓型颈椎病功效方面还是在探索其发病机制方面都是重要的。脊髓压迫的临床前研究需要一个可分级、可量化、可重复的动物模型。笔者从动物的选择、动物模型的制作和脊髓损伤神经功能评估三个方面分别来阐述动物脊髓压迫模型的建立。

脊髓型颈椎病；脊髓压迫；脊髓损伤

脊髓型颈椎病是一种常见的运动和感觉功能渐进损害性疾病。脊髓型颈椎病是由于颈椎退行性改变造成的颈脊髓的损害[1,2]。据报道，脊髓型颈椎病在人群中的发病率约为1.6/105,且在亚洲男性及欧洲白人女性中发病率最高[3,4]。近些年，越来越多的学者致力于动物颈脊髓压迫的研究，且国内外学者为了更好应对脊髓型颈椎病病理机制及其与相关疾病的关系进行研究，建立了多种脊髓压迫模型[5-7]。笔者现从动物的选择、动物模型的制作和脊髓损伤动物实验模型神经功能评估等方面分别来阐述动物脊髓压迫模型的建立。

1 动物的选择及模型制作

1.1 动物的选择 脊髓压迫的临床前研究需要一个实验结果可分级、可量化、可重复的动物模型。通常，脊髓压迫模型目标是产生非极量损害，可通过干预程度的调节来改善或加重损伤的程度。用于脊髓压迫的动物种类很多，如鼠、猴、羊、犬、猪、猫、兔等。从解剖角度来说，猴、猿、狗等动物，越接近人类，越易可靠的观察脊髓受压后肢体功能情况，但是考虑实验动物的来源及价格状况，鼠因其相对便宜、具有较强的抗感染能力和生命力且易于处理，普遍应用于实验室脊髓压迫研究的初期试验。但是，若要考虑愈接近人类的实验，则推荐选择猴、猿等动物。

1.2 模型制作

1.2.1 螺钉压迫脊髓模型 该模型为使用螺钉通过颈前路或颈后路穿透椎体或者椎板压迫硬膜囊从而形成椎管内占位，造成脊髓压迫。1982年，Schramm[8]设计了后路螺钉直接压迫模型，通过后路椎板，拧入直径3 mm，螺距0.5 mm螺钉，拧入速率0.25 mm/次，4～7次/d，建立50%的压迫模型。由于脊髓慢性压迫所致脊髓病的发展和病理过程并未被完全阐明，Kanchiku等[9]等通过塑料螺钉建立了一个前路压迫模型，并且用其来研究因慢性受压所致脊髓病的病理表现。组织学发现，灰质损伤与压扁的前角及前角细胞的消失和坏死有关，且在灰质中发现轻度的胶质细胞增生，然而，白质显示海绵样变性、轴索变性和轻微脱髓鞘改变。笔者发现，脊髓诱发电位可以用一个导管电极通过颈椎硬膜外将其安全记录下来。通过脊髓动作电位，研究者不仅可以精确判定脊髓的病理学状况，还可以观察不同压缩程度模型的神经损害症状。近些年来，螺钉压迫脊髓模型被广泛应用于各领域，Ning等[10]采用螺钉制作大鼠亚急性脊髓受压模型，研究重组人红细胞生成素阻止大鼠运动神经元细胞凋亡，数据显示，重组人红细胞生成素可以被用于阻止由于亚急性压迫引起的损伤，且可以保护颈椎亚急性脊髓损伤后运动功能，该方法的优点：采用螺钉建立脊髓压迫模型可以根据螺钉的拧入控制压迫程度，利于长期持续加压；缺点：植入压迫螺钉需要在不同时间反复拧入螺钉，这种造模方法的感染率和病死率较高。

1.2.2 肿瘤细胞压迫模型 肿瘤细胞压迫模型为通过后路接种一定浓度的肿瘤细胞系到指定的区域，使肿瘤组织在硬膜外腔生长，逐渐对脊髓产生压迫。1980年，Ikeda等[11]利用病毒诱导表皮样癌建立兔肿瘤压迫脊髓模型，压迫模型组织学结果揭示：一个阶段的脊髓受压通常位于后外侧或者前外侧，在压迫早期，脊髓压迫阶段存在白质的肿胀，在压迫晚期，白质的改变更加明显，且伴随着坏死和出血，相比于白质，灰质相对保持完好。Delattre等[12]建立压迫模型，研究地塞米松在肿瘤压迫模型脊髓中剂量反应，研究结果支持地塞米松治疗由肿瘤引起的硬膜外脊髓压迫，而且证实高剂量地塞米松在治疗方面优于低剂量。实验数据表明，地塞米松可直接降低压迫阶段区域毛细血管对于小分子物质的通透性[12]。肿瘤细胞压迫法常被人们用来制作脊髓压迫模型，但这种方法的局限性包括：（1）恶性肿瘤细胞会损害正常脊髓组织，甚至引起脊髓神经纤维和神经细胞功能的改变；（2）其生长速度较快，不适于脊髓慢性压迫的研究；（3）无法控制肿瘤组织的形状及大小，并且难以复制、重复实验结果等。

1.2.3 膨胀材料压迫模型 随着科技的飞速发展，可膨胀材料逐渐进入人们的视野，采用可膨胀材料置于硬膜外特定位置压迫脊髓建立压迫模型变得日益成熟。1981年，de la Torre[13]把酪蛋白塑料物质移植到椎板与脊髓之间建立了新型脊髓压迫模型,并用此模型研究了脊髓损伤时诱发电位的改变。Kim等[14]采用膨胀的尿烷化合物为膨胀材料制作脊髓压迫模型，此材料24 h内膨胀至原有体积的230%，且能保持16 d。组织病理学观察发现，脊髓压迫阶段神经元缺失，偶尔在剩余的神经元出现染色质溶解；静脉窦状小管膨胀和灰质小空泡也被发现，未发现白质的脱髓鞘改变。实验数据表明，在慢性压迫情况下，运动功能障碍只有在大量运动神经元缺失的情况下才发生，在模型中可以观察到，运动神经元减少先于运动功能障碍[14]。2012年，Wang等[15]采用由聚乙烯醇和聚丙烯醇构成的渗透聚合物网络凝胶吸水材料制作脊髓压迫模型用来研究透明质酸四糖在大鼠慢性脊髓压迫后自我修复的关系，组织学观察发现，在轻度压迫和重度压迫组大鼠出现不同程度的脱髓鞘改变，而对照组大鼠脊髓形态正常，髓鞘排列紧密。2015年，Cheng等[16]利用吸水膨胀材料制作脊髓压迫模型，研究发现颈脊髓前动脉和前根动脉在慢性颈脊髓压迫后有明显改变，颈脊髓前动脉和前根动脉在慢性颈脊髓压迫组神经功能改变方面有重要作用。以上材料，无论是酪蛋白塑料物质、甲基纤维素-聚丙烯腈还是尿烷化合物等都有其膨胀速度快的缺点，用于研究脊髓慢性压迫有一定局限性。而且膨胀材料需要提前植入实验动物，观察是否有炎性反应或组织变化以防排异反应。试想将来如果有一种可以人为控制膨胀速度、膨胀方向、长期稳定保持形状、与组织无排异反应的材料，脊髓压迫模型的研究将迎来飞速发展。

1.2.4 气囊压迫模型 气囊压迫模型的原理是在硬膜囊外椎板下植入一个小气囊，气囊外连接一个导管向气囊内充气，从而对脊髓造成压迫损伤。1953年，Tarlov等[17]首次采用气囊设备制作脊髓压迫模型，该设备是应用液压原理，其核心是一个金属压缩机组和一个压缩单元，由聚乙烯和金属管连接两个橡胶气球，将手术植入装置，待动物恢复后，通过拧紧压缩螺钉使硬膜外气囊充气压迫脊髓，螺钉拧入的圈数决定了气囊膨胀和脊髓受压的程度。Vanický等[18]建立了一个新型气囊模型，采用一个Fogarty导管经过胸10椎弓植入硬膜外，通过灌注盐水使气囊膨胀从而对脊髓造成压迫。最近，Cao等[7]运用气囊技术制作脊髓压迫模型，结果发现如果经颅运动诱发电位信号丢失被发现且立即去除对脊髓的压迫，术后小鼠的功能正常，然而，在延迟5 min去除脊髓压迫组，术后会有严重的功能不足。因为制作此模型仅需一个微小手术，且造模过程快速、设备易于操作，气囊模型被多次用于动物实验研究。然而，气囊膨胀时囊内压力并非呈直线样改变等缺点仍限制其广泛使用。

1.2.5 后纵韧带骨化模型 慢性脊髓压迫归因于颈椎病、椎间盘突出[19]、后纵韧带骨化等诱发的退行性脊髓变化，如髓鞘破坏、白质和灰质中轴突和少突细胞丧失等。1981年，Hosoda等[20]采用转基因技术培养出一种随着年龄增长致颈椎体钙化沉积物增多的小鼠，该小鼠通常踮脚尖爬行,称为Twy（tiptoe-walking Yoshimura）小鼠。Takenouchi等[21]利用Twy小鼠对慢性压迫的病理及组织学改变进行了研究，在慢性压迫小鼠脊髓检测到细胞凋亡的表达和神经元缺失、脱髓鞘改变等，并且证实细胞凋亡可能导致组织退变。Yu等[22]利用Twy小鼠进行研究发现，在脊髓压迫阶段伴随神经元密度的明显减少；并且免疫组化分析证实，在Twy小鼠脊髓压迫区域证实胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic portein，GFAP）是增加的。Twy小鼠是仅有的无创慢性进行性动物压迫模型；病程发展缓慢，符合慢性压迫的病理改变；无异物植入，不存在排异反应。但此模型在慢性压迫过程中不能认为控制压迫程度等精细调节，且无法重复实验结果。

2 脊髓损伤动物实验模型神经功能评估

2.1 Talov评分标准 修订版Talov运动功能评估标准分5级[7]：（1）0级，不能自主运动；（2）1级，可察觉关节、下肢活动；（3）2级，关节可活动自如，但无法站立；（4）3级，可以站立和行走，但不能跑动；（5）4级，正常。Talov法比较简单，用于脊髓损伤程度的初步评估，不能观察脊髓损伤后恢复的全过程。Cao等[7]采用此标准对脊髓损伤的山羊行神经行为评分，以初步评估脊髓损伤的程度。

2.2 BBB评分标准 BBB（Basso-Beattie-Bresnahan）评分标准[16,23]包括下肢运动、躯干的姿态和稳定性、步态、协调性、爪位置、脚趾间隙和尾巴位置。BBB评分主要代表脊髓损伤后的恢复情况，体现脊髓损伤后恢复的全过程。Cheng等[16]采用BBB评分来评估大鼠慢性脊髓压迫模型瘫痪程度。

2.3 斜扳试验 斜扳试验同样为评估脊髓损伤后小鼠运动功能的方法[24,25]，该方法为把动物放置在一个可以调节不同倾斜度的斜面上，增大倾斜角度，则动物可以维持其位置5 s的倾斜度为最大角度。斜扳试验设备简单、检测迅速、重复性好，适用于对整体功能进行评价，缺点为无法体现细微运动恢复情况。Morris等[24]采用斜扳试验测量脊髓损伤小鼠的最大角度，来评估脊髓损伤后小鼠的运动功能。

2.4 皮层体感诱发电位 皮层体感诱发电位[26]（cortical somatosensory evoked potentials, CSEP）是检测脊髓感觉的电生理检查之一，能够准确对脊髓功能做出诊断及定量分析。CSEP分4型，Ⅰ型主要指Franke A级，Ⅱ型主要指Franke B、C级，Ⅲ型主要指Franke C、D级，Ⅳ型主要指Franke D、E级（表1）。其反应灵敏，能较早反应病情变化，可根据潜伏期缩短程度判断预后情况。Jiang等[26]对脊髓损伤的山羊行CSEP检测，以准确的分析损伤脊髓的功能。

表1 Frankel脊髓损伤分级

综上所述，设计实验动物模型的目的是为了模拟临床疾病的发病机制，尽管许多学者应用以上方法进行动物实验，然而，无论任何方法均有其自身的局限性，目前仍需要创建一种动物模型使其病理过程恰如其分的复制到动物模型上，因此，此需要满足以下要求：（1）可重复性；（2）可定量分级；（3）再现性好；（4）适用性广泛。在研究中可要根据实验的需求选用合适的动物模型。总之，相信不久的将来构建脊髓压迫模型的方法会不断得到改进和完善，并更好地服务于脊髓型颈椎病的病理生理学机制和治疗等研究。

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（2017-01-20 收稿 2017-04-10 修回）

（本文编辑 潘奕婷）

Advances in the animal model of cervical cord compression

JIANG Hao, TIAN Zikai, XU Haoqin, WANG Ruijun, and PENG Baogan. Department of Spine Surgery, General Hospital of Chinese People's Armed Police Force, Beijing 100039，China

PENG Baogan, E-mail: pengbaogan@163.com

Cervical spondylotic myelopathy is the most common cause of spinal cord dysfunction in adults. Paradoxically, the pathobiological mechanisms associated with the progressive loss of neural tissue in the spinal cord of cervical spondylotic myelopathy patients is not clearly understood. The results of many studies in this field in 20th century have shown that spinal cord compression models are indispensible not only in investigating the efficacy of therapeutic interventions but also in gaining a better understanding into the molecular pathways involved. Preclinical studies on spinal cord compression require a reproducible, gradable, and quantifiable animal model. In this paper, the author elaborates on the establishment of an animal model of spinal cord compression from the aspects of the selection of animals, the production of animal models and neurological assessment in spinal cord injury.

cervical spondylotic myelopathy; spinal cord compression; spinal cord injury

R681.55

10.13919/j.issn.2095-6274.2017.05.014

武警总医院临床类创新预研（WZ2015003）

100039 北京，武警总医院脊柱外科

彭宝淦，E-mail：pengbaogan@163.com