腰痛相关动物模型的研究进展

李赫桐，勾禹，田发明，张柳,4*

(1. 华北理工大学附属医院骨科，唐山 063000； 2. 河北医科大学研究生院，石家庄 050017；3. 华北理工大学医学实验研究中心，唐山 063210； 4. 煤炭总医院，北京 100028)

腰痛(low back pain，LBP)是腰部、腰骶部、骶髂或臀部疼痛的统称，它是临床高发且常见的多因素疾病[1]。LBP不仅导致医疗花费巨大，还因导致工作时间减少和效率下降造成直接或间接损失[2]。LBP致病因素多种多样，大多由腰椎间盘退变、腰椎关节突关节损伤、肌肉筋膜炎症或椎管狭窄等疾病引起，致病机制尚不明确[3-4]。目前的治疗手段还不适用于大多数患者且只能缓解症状，疗效差，复发率高[5-6]。随着社会各界特别是医学界对于LBP的重视，一些动物模型已被开发出来用于研究和了解LBP的发病机制、探索预防及治疗方法。目前腰痛模型的动物选择主要集中在大鼠、小鼠和兔，羊、猪等其他哺乳动物模型较少[7-10]。本文按动物种类进行分类，结合不同腰痛诱因的造模方法做一综述。

1 大鼠

大鼠是LBP研究中的常用实验动物，大鼠椎间盘和关节突关节在解剖结构和生理生化上与人类高度相似，且大鼠体积大、方便解剖操作、对疾病抵抗力强，可选造模方式多，精确度良好[11-12]。大鼠最常用于建立椎间盘源性和关节突关节源性腰痛模型。

1.1 椎间盘源性模型

椎间盘病变是引发腰痛的主要原因之一。大鼠椎间盘源性腰痛模型建立方式多样。Kim等[13]采用腹侧入路成功建立了大鼠椎间盘源性疼痛模型，该模型采用显微外科钻破坏L4-L5和L5-L6 椎间盘，同时去除髓核组织。术后9周，影像学显示椎间盘高度降低，组织学发现椎间盘结构破坏且炎症细胞侵润，疼痛行为学测量显示实验组痛觉计造成大鼠发声的压力值显著下降。Hirata等[14]在大鼠第8和第10尾椎上安装了一个体外弹簧压缩装置，它可以对两尾椎的椎间盘施加额外的轴向应力，用来模拟人的腰椎在不同负重和负重时间长短下所产生的形态学和生物化学的改变，实验结果发现随着压缩时间的延长和轴向应力的增加能显著降低椎间盘高度，椎间盘内凋亡细胞增多，退行性变也更加严重。此外，椎间盘源性腰痛也可通过椎间盘内注射不同因子而被诱导，Lee等[15]采用26G针头在L5-L6椎间盘内注射10 μL弗氏佐剂(complete Freund’s adjuvant，CFA)成功建立一种椎间盘源性腰痛模型，他们发现CFA注射组大鼠双侧后爪撤退性阈值显著下降，同时该模型也呈现出椎间盘退变的特征以及背根神经节中疼痛介导因子显著提高，证实腰痛动物模型建立成功。

1.2 关节突关节源性模型

腰椎小关节炎是引起长期慢性腰背部疼痛的另一项重要病因[16]，且发病机制不明。目前腰痛的临床常规检查对小关节病变的重视程度不高，且治疗措施也较为有限，近年来在LBP基础研究中，腰椎小关节源性腰痛逐渐成为了热点。Kim等[17]建立了一种微创经皮穿刺法诱导腰椎小关节炎模型，这是一种非开放性造模方法，它能成功引起腰椎关节突关节面的损伤，来诱发关节炎相关的疼痛行为。在大鼠L3-L4、L4-L5、L5-L6关节突关节处利用21G套管针进行定位，26G细针进行小关节关节面的穿刺来完成此模型的建立，实验组大鼠软骨表面和软骨下骨出现严重退变，蛋白多糖被大量分解，整体痛阈降低，关节损伤数量越多，动物表现出的疼痛反应越大。Henry等[18]用改良手术钳将大鼠L5-L6右侧关节突关节压缩至1 mm持续3 min，术后观察到大鼠痛觉敏感性升高，生化分析显示TNF-α、IL-1α、IL-1β等炎性细胞因子升高，成功建立了一种新型腰椎小关节源性LBP模型。由此认为，使用经皮穿刺或体外加压等物理诱导能够制备一种新型关节突关节源性腰痛动物模型。

化学物质注射型关节炎模型一般是在实验动物关节腔内直接注射化学药物诱发骨性关节炎，由于性质稳定、操作简单，目前已经广泛应用[19-20]。Shuang等[21]将3 μL弗氏佐剂随机注入大鼠L5-L6关节突关节一侧，另一侧注入3 μL生理盐水作为对照，结果显示实验组关节突关节软骨破坏严重，软骨细胞减少，软骨侵蚀缺损至软骨下层，并伴有滑膜纤维化。Yeh等[22]采用关节腔注射胶原酶的方法建立了关节突关节炎模型，大鼠随机分为4组，每组随机选择L3-L4至L5-L6三组关节突关节中的一组，第一组注射生理盐水，剩下3组分别注射1U、10 U和50 U单位的胶原酶，左侧关节作为对照组，结果显示软骨的变性、滑膜和软骨下骨的改变程度与胶原酶剂量呈正比，同时软骨细胞的凋亡率也显著增加，证明胶原酶能成功诱导关节突关节炎。Gong等[23]将121只实验组大鼠和49只对照组大鼠分别于L4-L5关节突关节注射碘化钠和生理盐水建立关节突关节炎模型，术后进行组织学评估，测量后掌的机械性疼痛敏感性，证明碘化钠注射可引起不同程度的关节软骨退化和痛觉过敏，表明小关节注射化学物质成功模拟了关节突骨关节炎造成的腰背部疼痛，证实小关节病理改变在腰痛的发生中具有重要作用。

1.3 神经根源性模型

椎间盘经过不同程度的退行性变后，其髓核可经破裂的纤维环突出并刺激神经根而引起LBP[24-25]。Zhang等[26]切除大鼠L5左侧终板，显露L5左侧背根神经节，在显微镜下于神经外膜创建了一个2～3 cm的切口，之后取鼠尾椎髓核5 mg，覆盖在L5背根神经节处，术后观察到与对照组相比，手术组大鼠在疼痛行为学上稳定、活动频繁、易激惹、马尾神经传导速度减慢，证明髓核对于神经根的刺激是LBP的诱发因素。Cho等[27]用同样的模型进行了机械痛阈检测，发现大鼠机械痛阈明显降低。Wang等[28]成功模拟了人在椎间盘突出时可能出现了神经根压迫性疼痛，其用微型硅胶球压迫大鼠L5和C5神经根，建立了“慢性神经根损伤模型”，通过去除硅胶球，建立了“神经根损伤减压模型”。另一种方法是压迫和炎症共存建模，Vierck等[29]在大鼠胸椎硬膜外植入异物来模拟椎管狭窄引起慢性脊髓损伤诱发的LBP，实验结果表明，实验组大鼠痛觉敏感性显著升高。

大鼠有着与人类高度相似的生理学和解剖学特性，而且其组织器官较大、可检测的因子多，被广泛用于建立各种临床前模型，上述三大类模型为目前大鼠LBP最常见模型。

但笔者认为，人与大鼠行为活动方面差异显著，大鼠椎间盘不直接承受其自身的重量，无轴向应力，而脊柱是人的主要承重骨骼之一，人椎间盘需要负载人的一部分体重，对椎间盘的压迫是个长期的过程，短期机械性加压大鼠椎间盘可能无法很好地解释体重等因素对于椎间盘长期施压的时间相关性，所以此类模型可以用来研究单纯椎间盘退变时体内的生物学变化，但并不能模拟人的椎间盘负载，以及长期轴向应力所带来的椎间盘退变的发展过程。

与相对成熟、研究透彻且造模方式多样的椎间盘源性模型相比，绝大部分腰椎小关节炎造模方法都是使用化学物质进行诱导，这种造模方法可用于研究小关节病变引起的腰痛发病机制、预防及治疗方法，但是此类造模方法导致的小关节退变可能与人类小关节炎的病理生理机制不尽相同，因此对于小关节源性腰痛模型的建立还有待深入研究。

严格意义上讲，对背根神经节进行干预后所获得的疼痛模型与腰痛模型并不相同，但对其研究可以提供人类腰痛的不同治疗思路。

2 小鼠

研究表明，小鼠尾椎椎间盘与人类椎间盘结构与组成极为相似[30-32]，其多用于建立椎间盘源性和基因敲除腰痛模型。

2.1 椎间盘源性模型

Papuga等[33]通过两个钛针的植入，将小鼠第7～10尾椎椎骨呈特定角度弯曲，并通过四个压缩弹簧使两侧椎骨慢性压缩造成小鼠椎间盘退变，成功证明此模型可以引起骨髓水肿进而引发慢性LBP。Court等[34]在小鼠第9和第10尾椎椎体中心插入两根不锈钢针，然后在钢针一侧施加应力，使尾椎以特定角度弯曲并且产生一侧的压缩力，持续一周时间，结果显示脊柱异常受力促进了纤维环细胞的死亡，从而成功引起了椎间盘的退变。Ohta等[35]采用细针头(29G)对小鼠的第9和第10尾椎椎间盘进行穿刺，穿刺后8周和12周的组织学评分较穿刺前有显著差异，椎间盘细胞凋亡率也显著提高。石长贵等[36]利用显微手术刀穿刺小鼠L4-L5、L5-L6、L6-S1椎间盘，并去除部分髓核组织，术后小鼠机械性刺激缩爪阈值均显著低于假手术组，且出现不同程度的痛觉过敏，表明小鼠椎间盘源性腰痛模型建立成功。

2.2 基因敲除模型

随着近年来分子生物学的发展，基因技术的成熟给科研工作带来了更多的便利。Millecamps等[37]用SPARC基因敲除小鼠进行了腰背部慢性疼痛行为测量，结果显示老龄SPARC突变鼠出现后背皮肤冷觉过敏，幼龄和老龄基因鼠与同龄野生型鼠相对比，均呈现出抓握力障碍及悬吊过程中静止时间缩短的现象，提示SPARC突变鼠存在轴性腰痛。SPARC、Col9a1[38]、COL2[39]等基因缺失会直接损害软骨的功能及结构或直接诱导椎间盘退变进而引发LBP。

拥有与人类基因99%相似度的基因特点，小鼠成为应用最多的实验动物，笔者认为，在腰痛的研究中，小鼠体积小，脊柱、椎间盘、附属的肌肉筋膜组织相对较小，物理损伤性造模例如针刺等需要相当高的精确度，操作不当会损伤周围组织，影响实验的准确性。如需手术造模可尽量选择体积相对大一些的实验动物如大鼠、兔、犬类。但近年来逐渐成为研究热点的小鼠基因敲除模型可能解决此类问题，使用基因敲除的小鼠可以免去各种手术造模的风险，并且可控性强，稳定性好，一旦一种模型可持续性获得后，对相关机制和防治药物的研究有着非常积极的作用。

3 兔

兔作为常用的实验动物，体积大，方便取材，可反复进行实验干预，有经济易得、操作简单、方便饲养等优点[40]。在腰痛研究领域，实验兔常用来建立关节突关节退变模型和椎间盘退变模型。

吴存贤等[41]将兔L3-L6棘间、棘上韧带及两侧关节突关节外1/2切除，建立一种腰椎不稳模型，创口愈合后，每天在背部施加1/10体重的异常应力2 h，结果造模组兔腰椎间盘MRI影像出现椎间盘退行性变。为了观察兔的关节突关节在加载过量应力后可能引起的关节炎变化，张继业等[42]选用新西兰白兔，对其L3-L4、L5-L6关节突关节加载了一个拉力弹簧，建立了一种高应力模型来观察兔腰椎小关节软骨的退变，结果观察到实验组兔小关节软骨变薄，软骨细胞显著减少，软骨形态不规则，出现了大面积的软骨细胞坏死等组织学改变。除了小关节的病变，椎间盘的退变同样可诱发LBP，Moss等[9]采用了常见的纤维环穿刺和髓核脱出来建立兔的椎间盘退变模型，带18G针头的注射器穿刺椎间盘5 mm，达到深度后使用注射器抽吸10 s，抽吸髓核组织，针头推出可见胶冻状髓核组织，实验结果证实此模型能成功诱导兔的椎间盘退变。Kwon 等[43]采用由以往开放手术造模改良的经皮纤维环穿刺技术建立椎间盘退变模型，用一根18G的血管造影针在影像引导下对兔的L2-L3和L4-L5椎间盘纤维环进行穿刺，L3-L4作为内部对照组，4周后X线显示，实验组兔相应椎间盘高度显著降低，成功诱发椎间盘退变。

实验兔关节病变过程中软骨生化指标与人类相似，且关节面宽取材量大，手术操作造模方便，在研究关节病变导致腰痛的病理进程、软骨生化代谢变化、筛选治疗方法过程中具有重要意义。尽管目前兔模型尚未进行直接的疼痛行为学研究，但笔者认为体积较实验鼠大的实验兔，更便于研究人员观察到小关节发生的病变而更好的研究因腰椎小关节炎症引起的LBP。

4 其他哺乳动物

近年来，犬、羊、猪等[44-47]大型动物均开始被用于LBP发病诱因的研究，此类实验动物体型大，造模难度较小，操作可以更加精细，更容易观察到造模后的功能改变，但其经济性稍差，因此较少用于大样本实验研究。

Hoogendoorn等[10]在羊椎间盘内注射软骨素酶诱导其退变，成功建立了羊椎间盘退变模型，并发现椎间盘退变程度与软骨素酶的浓度正相关。Veres等[48]将羊腰椎节段分为三级，每一级屈曲7°～10°，然后在这些脊柱节段的下缘注入胶体直到椎间盘发生破裂；实验结果表明脊柱弯曲角度越大，纤维环更容易发生破裂以至引起椎间盘突出。Kawchuk等[49]用微型液压器对幼猪L3-L4进行轴向加压，结果显示实验组纤维环发生明显的病理改变，椎间盘内环膨出较大，外环膨出较小；此模型有助于帮助理解在腰椎不同压力下椎间盘的各种病理学改变。Kobayashi等[50]利用夹子对犬L7神经根进行压迫，分别压迫1周或3周，发现由于椎间盘突出或椎管狭窄造成神经根受压所导致的功能障碍并不局限于压迫部位，而是随轴突反应延伸到腰椎内的其他运动神经元。虽然这些模型目前尚未评价疼痛行为改变，未来的研究可能会逐渐转移到关于LBP的研究上来。

大型实验动物模型具有各自的优点。犬类下肢负重多，和人类关节退变发病机制相似，更适应于软骨的力学研究及细胞生物学研究。羊体积大，利于获得各种实验所需标本。小型猪常用于关节内手术方法的研究。但是大型动物模型费用昂贵，需要较大的饲养场地。

5 讨论与展望

目前LBP模型动物以大鼠和小鼠为主，其他动物实验大多仅模拟脊柱退变，尚未进行详细的疼痛行为学研究，可能与缺乏有效的测量疼痛行为的方法有关。对于诱发腰痛的研究重点集中在椎间盘源性和关节突关节源性上，造模方式大多以手术物理损伤和化学药物注射为主，它们在短时间内直接或间接破坏关节软骨、损伤关节结构或改变关节稳定性来建立腰痛动物模型，这些方法与人类关节退变这一慢性疾病的病理生理机制不尽相同；而且腰痛诱因远不止于此，未来的研究应致力于增加诱发腰痛的疾病种类，减小动物模型疼痛机制与人类腰痛机制的差异。

综上所述，在尚未研究清楚腰痛发病机制前，动物模型对未来研究至关重要。随着对腰痛理解的深入，相信更接近于人体发病机制的新型动物模型很快能被开发出来。