腰椎间盘退变动物造模研究进展

柯建新，林境毅，苏再发

（1.福建中医药大学，福建 福州 351022；2.福建中医药大学附属泉州市中医院，福建 泉州 362000）

腰椎间盘突出症（lumbar disc herniation，LDH）已成为我国临床常见多发疾病之一。目前认为LDH基本病理改变为椎间盘的退变，然而椎间盘退行性变（intervertebral disc degeneration，IDD）的主要病因和其发病机制尚未明确，也无适宜的治疗措施。动物模型研究是应用于生物医学科技研究中的一种重要工具，针对特殊疾病而设计的动物模型，本研究主要通过研究动物发病机制与检测验证诊断治疗的有效性，在临床研究中具有无法替代的优势和作用。制作和应用动物模型是研究LDH 发生机制和检测各种治疗是否有效的可靠手段之一，可靠的LDH动物学模型为深入研究LDH的发病机理和治疗方法提供有利条件，同时，也会给修复突出的椎间盘和探索性研究工作提供良好的科学试验载体。

1 试验动物的选择

IDD 动物造模的手段和方法多种多样，而选用的动物与造模方法之间却存在着显著差异。动物模型的选择应与人类存在相似性和可比拟性，主要包括以下因素[1]：①可直接再现IDD的客观规律；②模型具有很强的重复性；③选择的动物在其解剖学和生理上的特征均尽可能地接近于人类。从动物模型量化制造到实施的过程至今已经走过了将近75年，近年来比较倾向用狗、羊、猪等传统动物制备动物模型。灵长类动物无论在进化方式或解剖结构方面来说均与人类最为相似，如恒河猴，是目前为止最理想的动物模型，但由于经济方面的制约不能大量的应用。目前最常用的是大鼠模型，饲养方便、价格便宜、繁殖迅速，最重要的是其椎间盘解剖结构与人类椎间盘结构极为相似。

2 造模方法的选择

2.1 直接结构损伤模型

2.1.1 纤维环损伤模型 纤维环模型是目前最常用的动物模型。纤维环损伤模型通常采用手术或经皮穿刺破坏纤维环结构造成物理损伤。该模型通常为大体型的动物，如猪、狗等。MASUDA 等[2]利用各种规格不同的穿刺针（16、18、21 g）在兔子的纤维环上进行穿刺，开创一种可令MRI分级及椎间盘高度均有所下降的IDD 模型。将两种不同尺寸和规格的针头进行对照，通过结构学和影像图形学的研究和观察，以25 g针头作为对照，21 g针头所引起的椎间盘退变更加严重，且椎间盘突出的发生率与针头的大小呈正比[3-4]。这种穿刺纤维致使结构破坏的造模方法周期短、可行性高、操作简易，但创伤大、易感染、损伤程度各异等缺点也很明显。经皮穿刺纤维法虽可弥补这方面的不足，但是盲穿难度大，需要C臂机进行配合。

2.1.2 终板损伤模型 软骨终板是椎间盘主要的一种营养源通道且能有效地保护椎体，避免在一定的压力下自然地发生骨折而萎缩，而营养障碍是诱发IDD 的主要因素之一。该模型通常采用钻孔方式破坏终板结构，由椎体斜穿一个孔洞直达终板和髓核。HOLM等[5]通过穿刺家猪的椎体终板，3个月后在T2 加权像磁共振下发现纤维环水份和蛋白多糖含量明显减少。KANG等[6]通过在小型猪的椎间盘终板上灌注骨髓泥发现IDD 显著。该模型进展速度快，退变程度深，但易损伤椎体形成骨赘，定位不易，且损伤大，病死率高。

2.1.3 化学损伤模型 CINOTTI 等[7-8]在兔腰椎间盘注射纤维连接蛋白片段，8～16 周后聚集蛋白聚糖和Ⅱ型胶原mRNA表达明显下调。ZHOU等[9]注射5-溴脱氧尿核苷入羊椎间盘成功引起了IDD。该法比传统的髓核化学溶解法时间更长、与人体IDD过程相类似，但可再现性仍待进一步考察。

2.2 机械间接损伤型模型

2.2.1 机械应力型模型 机械负荷是引起IDD 的重要因素之一。KROEBER等[10]通过定制的外部加压装置对兔腰施加轴向压力，2 周后椎间盘呈现典型的IDD表现，4周后卸载装置IDD呈不可逆状态。BARBIR 等[11]使大鼠尾巴弯曲角度改变，且对大鼠尾椎加压，一段时间后尾椎出现了退变性现象。张超等[12]使用聚氯乙烯管将实验用兔子双腿固定于直立位，8 周后，MRI 显示椎间盘高度指数下降，T2加权信号降低，证明IDD的程度与椎间盘应力变化有关。该模型操作简单、损伤小、易获得，且高度类似人体正常行走的状态，但所需时间长，成功率低，只能用于小型动物。

2.2.2 椎体不稳的造模 此类造模技术主要是通过使用手术方法损伤关节面或者棘突等所能支持的组织，反复不断地对局部的脊柱和肌肉进行一定的刺激，从而导致椎间盘受力不平衡达到IDD的方法。SCHOLLUM 等[13]利用手术横向切除羊脊柱后部棘突等支撑性组织，模型组随后即出现了椎间隙狭窄、髓核纤维化等IDD 的表现。吕存贤等[14]研究发现，在兔腰椎功能不稳60 d 后，椎间盘MRI 可显示IDD 的现象，切片后可以显示出纤维环断裂、髓核突出、软骨细胞坏死加剧、增多等进一步的退变。此法未对椎间盘产生直接的损伤，但是实际操作中的难度高、损伤较大。

2.3 自发模型 SILBERBERG 等[15]最先描述了同人类IDD相似的沙鼠IDD。沙鼠以含盐量较高的灌木为食，IDD有显著的遗传性。其中大多数18～30个月龄沙鼠在椎间盘内可以同时发现纤维骨赘环囊性生长改变、裂隙和纤维骨赘囊性生长，并有纤维环膨出和髓核突入终板。沙鼠的饮食习惯（高盐低水）一定程度影响了代谢情况，从而引起了IDD的发生，尤其特别是对于髓鞘单核细胞功能异常性的改变。MOSKOWITZ 等[16]临床实验结果发现，10%的沙鼠动物细胞IDD 改变发生在3 个月，而50%的沙鼠动物则可能会逐渐发生一次性细胞退化改变在5 个月。GRUBER 等[17]研究发现，沙鼠的IDD 与年龄增长相关，对于研究老年人IDD 有一定的参考价值。

2.4 基因敲除模型 近年来，基因工程的深入研究为IDD 动物造模提供新思路。在动物微观科学层面上对实验野生动物个体基因进行敲除或造模修饰检测。唐淼等[18]发现，肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）可能引起IDD 的反射事件。STUDER 等[19]可利用白细胞介素（interleuki，IL）-6及其他的可溶性聚糖受体直接作用于1个离体的未成人细胞进行降解退变细胞髓质的核蛋白细胞组织，使位于退变细胞髓质的核细胞蛋白组织中的降解聚糖细胞合成减少，降解髓核细胞数量增多，IL-1、前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）的聚糖合成也大幅增多。肌肉的指数、骨骼骨的数量与人体椎间盘的良性退变是否发生存在密切的相关性。但该方法操作难度大，且费用高昂。

2.5 根性疼痛模型 IDD疾病发生时，突出的皮质神经根和髓根单核细胞会遭受压迫延伸到人的神经根，并由此引起炎症应激反应，致使神经性髓根性痛苦症的产生。KALLAKURI等[20]研究通过把具有外源性的自体脂肪细胞组织或骨髓细胞核直接植入到一只成年大鼠的L5神经的根旁，从而发现类似于其他成年人的根性疼痛，各神经组间都可能存在热痛觉，如过敏及其他神经生理学的根性改变。炎症时期与神经细胞相关的IL-1β、IL-6与TNF-α的表达也会随之改变。周渝等[21]研究应用美国大鼠进行自体神经髓核移植后外加环扎神经根治疗的方式，近年来成功建立根性环扎神经痛治疗模型，成功有效地诱导癫痫患者出现机械痛觉敏感、痛觉过敏和痛觉超敏等多种临床早期症状。该种控制方法对于机床操作者在精度上的要求很高，易产生神经损伤，对动物的检测难度高，且难以区分为根性痛和骨质性疼痛。

2.6 其他模型 ODA 等[22]通过设计实验让小白鼠每日抽烟8 h，8 周后小鼠的纤维环结构紊乱、环内软骨细胞逐渐变大，IL-1β 水平明显增高，说明每天吸烟8 h 的会使炎症化学物质的水平增加，从而改变了软骨细胞功能。WANG 等[23]研究报告了大脑吸烟会影响小鼠脊髓椎间盘的退行性改变，指出长期饮酒后吸烟可以诱导细胞衰老、蛋白素多糖合成的减少和总蛋白素中多糖的含量下降，并且伴随基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）活性的提高，椎体最大终板的孔隙程度与骨质的流失程度有所增加。此外，在关节硬化期的小鼠模型[24]和糖尿病期的小鼠模型[25]中均可见有椎间盘软骨终板上的细胞代谢功能障碍和骨化。

3 小结

IDD是随着年龄的不断增长而出现的复杂的退行性变化，以目前的情况而言，构建完全与该退变相同的动物模型十分困难。且动物和人类的生活方式、解剖生理及病理差异使该模型更加复杂。IDD模型通常会造成椎间盘及附属器件出现各种形态学的变化，使方法、变化程度及时间也不同。虽然，动物造模所能提供的IDD 信息存在局限性，但相比于直接研究人类IDD时间要短得多，且更具有操控性和选择性。

各种形式的直接损伤、机械间接损伤、自发型、基因敲除、根痛性及其他模型都会对椎间盘造成各种不同的影响，可依照不同的需求选择合适的动物模型。但由于IDD的复杂性，人类IDD的影响因素绝不止如此，而那些因素对IDD的影响还需更进一步的研究。目前，随着微创理念的融入，各种IDD动物模型可操作性得到提高，且近年来分子生物技术和基因技术的应用，推进了IDD动物造模的精确性，将为IDD动物模型提供更广阔的未来。