脊髓损伤动物实验模型的研究进展

李经辉，刘　禹(综述)，余化霖(审校)

(昆明医科大学第一附属医院神经外二科，昆明 650032)



脊髓损伤动物实验模型的研究进展

李经辉，刘禹△(综述)，余化霖※(审校)

(昆明医科大学第一附属医院神经外二科，昆明 650032)

摘要：脊髓损伤是一种严重的致残，致死性损伤。其病理生理机制复杂，临床治疗效果不佳。随着脊髓损伤修复机制研究的深入和临床救治水平的提高，需要脊髓损伤动物模型研究的不断完善与发展。目前已有重物坠落法模型、钳夹模型、牵拉损伤模型等多种动物模型可较好地模拟不同形式脊髓损伤，为研究各类脊髓损伤的神经修复机制提供条件。该文就脊髓损伤动物实验模型的研究进展予以综述，为合理选用模型及制作与临床各类脊髓损伤发病机制更为接近的动物实验模型提供参考。

关键词：脊髓损伤；动物模型；研究进展

脊髓损伤是一种严重的神经系统创伤，发病率逐年升高，且损伤类型呈现多元化。为更进一步认识该病的发病机制及演变过程，有必要制作简便、易重复且能高度模拟临床脊髓损伤病理生理过程的动物实验模型。目前，国内外建立了多种模拟临床脊髓损伤的动物实验模型，如重物下落垂直打击脊髓致脊髓损伤动物模型[1]，锐性全横断、牵拉脊髓损伤模型，脊髓损伤疼痛模型等[2-4]，但没有一种模型能完全模拟临床脊髓损伤的病理生理过程，无法精确控制脊髓损伤的程度和范围。因此，熟悉不同类型脊髓损伤动物模型的制作过程及模型特点，根据具体的研究目的和实验条件，选择科学、恰当的脊髓损伤模型，对整个实验研究将起到事半功倍的作用。现就脊髓损伤动物实验模型研究进展予以综述。

1实验模型中动物的选择

动物模型的动物选择首先要符合实验目的及要求，尽量使用标准化的实验动物，以提高实验的稳定性和可比性。目前，脊髓损伤实验研究最常选用的动物是大白鼠、兔、猫、犬、猪，最理想的实验动物是灵长类(如猕猴、大猩猩等)，其解剖以及生理、病理、基因分子生物学等与人类有着高度同源性，但因成本较高且较多地涉及伦理问题，未能被普遍应用。国内外脊髓损伤实验研究中比较常用的动物多为大白鼠，其具有制作脊髓损伤模型造价低、种系内纯合度高、再生能力与抗感染能力强、管理饲养方便等优势。

2脊髓损伤动物模型种类

钝性脊髓损伤模型包括各种外力致使脊髓组织钝性损伤，目前使用的方法主要是通过重物坠落法、钳夹、气囊、液囊重物压迫、螺钉拧入等造成脊髓钝性损伤[5]。锐性脊髓损伤模型包括全横断、半横断切割伤等，还有以阻断血流为主的缺血性脊髓损伤及化学药物致脊髓损伤等模型。

2.1重物坠落法模型1911年，Allen[1]采用重物下落垂直打击脊髓致伤模型，该模型与人类脊髓损伤的病理生理特点及变化规律较为接近，使该技术一度成为脊髓损伤研究中最广泛应用的技术，为探索脊髓损伤后其病理演变有很大帮助。重物坠落法模型具有简单实用、损伤后病理生理特点和功能障碍接近临床及易于操作等特点，打击力可通过打击物的坠落高度和质量来设定，多数情况可避免硬脊膜的损伤，且降低了脊髓损伤区域的感染率。其原理为：一定质量的重物从限定高度以自由落体下落，撞击脊髓而致伤，其致伤程度可通过撞击物质量及坠落高度来调节[6]。该技术存在的不足：①技术熟练程度以及实验者的主观因素；②脊髓是背侧受力，而人的脊髓损伤多为肿瘤性的持续压迫和暴力损伤，并且常伴有骨折嵌入，压迫并非一过性；③在撞击时着力目标与撞击物吻合度不够时，皆可导致损伤程度不一致等[7]。Kuluz等[8]设计了一种新的临床相关脊髓损伤的大型动物模型，使用小猪(3～5周大)进行脊髓T7节段重物坠落法致脊髓损伤，来模拟临床小儿脊髓损伤 。该模型虽属经典模型，但对于目前临床的要求仍有一定的局限性。随着科技的不断发展，近年针对该模型有多位学者辅以智能化，加入电脑控制对其加以改进，使其精度、准确性、可重复性明显提高。新一代打击设备增添了计算机、电磁极部分、换能器等，能较好地控制并监测实验结果，并保证脊髓只受一次撞击，从而相对保证了模型的一致性和实验操作的客观性，但同时也增加了成本[9]。

2.2钳夹型模型1978年，Rivlin和Tator等[10]最早使用硬膜外钳夹脊髓损伤模型，通过调整钳夹的夹力和时间的长短能复制出与临床类似的脊髓损伤。钳夹装置可根据动物模型的不同而改变钳夹力度[11]。该模型与临床脊髓损伤的发病机制较为接近，调节钳夹力度的大小和持续时间的长短可得到脊髓不同的致伤程度。该模型可做到椎管内硬脊膜的完整性，脊髓损伤呈持续性，不仅有钳夹所致的直接损伤，还有脊髓受压后导致的间接损伤，适用于受损脊髓神经功能的研究和代谢改变的检测[12]。李经辉等[13]用医用脑动脉瘤临时动脉瘤夹夹闭大鼠脊髓建立模型，通过苏木精-伊红染色法染色对损伤脊髓组织标本进行光镜病理观察发现，在损伤早期，损伤区域的灰质中较多出血灶，白质水肿轻度海绵样变性，炎性细胞浸润，7 d时灰白质界限消失，脊髓神经元结构破坏，损伤区域脊髓灰白质中见空洞形成；损伤中晚期出现胶质细胞增生，炎症消退，胶质瘢痕形成；其致伤机制、伤后表现、病理学特征与临床具有高度吻合性，易于观察。李祥炎等[14]利用同样的模型发现，损伤组与假手术组、正常对照组差异均有统计学意义，而组内动物差异无统计学意义，表明该动物模型具有良好的可行性。医用脑动脉瘤临时夹可以获得准确恒定的夹持力，具有相当高的稳定性及可重复性，且该类模型制作不复杂，实验指标稳定，易于重复，可用于脊髓损伤的基础研究。

2.3压迫型模型压迫型模型根据压迫方式和持续时间不同可分为腹侧压迫和背侧压迫、急性压迫和慢性压迫等，主要为模拟椎管内占位而建立。1953年，Tralov等[15]将一个可充气气囊放入椎骨与硬膜之间，以不同的速率向气球内充气使其膨胀，诱导出不同程度的脊髓损伤。另有用介入方式将气囊置入到指定部位进行扩张压迫，以最大限度地保证了受压周围正常组织的生理结构，但该模型操作复杂，费用高，不易推广[16]。1972年，Hukuda和Wilson[17]第一次报道使用螺钉压迫法建立犬脊髓损伤模型后，学者们又设计出更加接近生物力学的螺钉嵌入方式，还以此建立了衡量损伤的标量[18]，由于该法造成损伤部位的精确性以及损伤程度不能很好的控制，所以至今较少使用。

2.4牵拉损伤模型随着脊柱外科的迅速发展，手术的适应证也在不断扩大，而医源性过度牵拉所致的脊髓损伤也随之增多。Dabney等[19]将大鼠脊柱关节突、棘间韧带切除后，再将Harrington钩放置于T11椎板上方与T9椎板下方，然后连接Harrington撑开器，分别牵拉3、5、7 mm，成功地模拟了轻、中、重度脊髓牵拉损伤模型。邱勇等[20]利用特制的脊柱牵拉旋转装置固定于L1与L4的关节突上进行旋转、牵拉脊柱导致脊髓损伤。该模型的设计在理论上比较符合临床上复合型牵拉损伤的受伤条件和发生机制。由于动物个体耐受不一，因而牵拉比率的精准度难以控制，且该法对脊髓周围的其他组织破坏性较强，目前未得到广泛认可。

2.5锐性损伤模型该模型制作多使用刀片或眼科剪等锐器横断或半横断脊髓造成脊髓完全横断或半横断性损伤，该类损伤通过横断脊髓使其上下段的运动和感觉传导通路失去解剖学及生理上的联系，此模型最大的优点是可以为神经轴突的再生提供比较有价值的资料[20]；还可以观察有关轴突再生、突触重建和侧芽的生长情况以及神经递质、神经营养因子等对这一过程的影响及作用[21-23]。因此，该模型对于研究神经损伤修复及再生方面无疑有着特殊的优越性。乔晓峰等[24]制备了SD大鼠脊髓完全横断损伤模型，以未损伤脊髓的大鼠作为对照，进行Basso Beattie Bresnaha评分、病理学和磁共振成像检查，发现大鼠脊髓损伤区出现明显的病理和影像学的改变，并证实了脊髓损伤区无脊髓组织残留，比较适用于脊髓再生的研究。由于该模型损伤处组织切口整齐、操作简便、出血较少、损伤程度恒定、解剖定位准确，致使上述的研究与观察更有利。但由于该模型与临床相关性比较差，临床很少见到此类损伤，并且该模型会损伤硬脊膜，破坏原有的微环境，后期的护理难度大，病死率较高，因此限制了该模型的应用。

2.6缺血脊髓损伤模型脊髓损伤发生后，继发性的脊髓缺血缺氧是引起脊髓组织坏死和神经功能丧失的重要因素。局部组织的缺血、缺氧可直接加重脊髓损伤程度。该模型常用的制作类型有血管临时阻断法、血管夹闭法、栓塞法、光化学诱导法等。Zivin和DeGirolami[25]首次利用家兔制作了脊髓缺血性损伤模型。Sharma和Sharma[26]于颈总动脉放置导管，用降低全身有效循环的办法制作此类模型，但缺血、缺氧造成灌注区的其他组织器官受损加重，对实验动物行为学的监测也造成了一定的影响。Mackey等[27]用改装后的环形压迫器施压于肾动脉平面以下腹主动脉，造成了脊髓腰段的缺血模型，并且在组织形态学中观察到脊髓腰段处出现神经胶质细胞及神经细胞的变性与凋亡。用双极电凝器将大鼠脊髓背侧中央静脉上下两端进行电灼闭塞，大鼠便开始出现后肢瘫痪，受损相应的部位在组织形态学上也可观察到该组织的变性、坏死、出血等明显的病理学改变；同时双极电凝可以有效地限制过度热扩散,从而减少潜在的邻近组织损伤[28]。此模型可控性及重复性尚可，但由于制备过程及实验操作技巧较为复杂，容易造成其他部位组织的缺血损伤，不能精确地判断脊髓缺血损伤的程度，因此未得到广泛推广。

2.7其他化学诱导型脊髓损伤模型：首先给予受体动物光敏剂(静脉注射二碘曙红)，然后以氩离子灯产生的射线照射拟损伤的脊髓部位，致该处脊髓组织细胞损伤[29]。Piao等[30]在以上实验的基础上，通过调节激光照射强度，制备出不同损伤级别的脊髓损伤模型。除此之外，还有注射神经毒素致大鼠脊髓损伤的动物模型、脊髓震荡型损伤模型、电极损毁法模型等[31]，由于与临床自然病程差距较大，且具体操作难度高，目前推广率较低。

3小结

脊髓损伤动物模型类型多样，各有侧重，不能以一概全，且不同的动物脊髓损伤模型有各自的优缺点。由于存在多种不确定因素，在建立脊髓损伤动物模型时，应尽量减少动物间个体差异，提高操作人员制作模型水平和损伤装置的精密程度，简化操作步骤及各种主观因素，细化客观损伤监测标准。总之，制作出与临床相似度高、具有高度稳定性和重复性的脊髓损伤动物模型是研究脊髓损伤的先决要素[32]。

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Research Progress in Animal Models of Spinal Cord InjuryLIJing-hui，LIUYu，YUHua-lin.(DepartmentTwoofNeurosurgery，theFirstAffiliatedHospitalofKunmingMedicalUniversity,Kunming650032，China)

Abstract:Spinal cord injury is a serious disabling,fatal damage.The pathophysiological mechanism is complex and the effect of clinical treatment is not perfect.It is necessary to develop spinal cord injury animal model constantly along with the deepening of spinal cord injury repair mechanisms study and improvement of theclinical treatment.There are various animal models,such as falling weight method model,clamps damage model and pull damage model,which can well simulate the different forms of spinal cord injury for the study of various types of spinal cord injury′s nerve repair mechanism.Here is to make a review of the research progresses about animal models of spinal cord injury,to provide the reference for choosing appropriate model and make the experimental models more closed to the clinical pathogenesis of spinal cord injury.

Key words:Spinal cord injury; Animal models; Research progress

收稿日期：2014-11-12修回日期：2015-01-27编辑：郑雪

基金项目：云南省教育厅一般项目(2013Y287)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.13.032

中图分类号：R332；R744

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)13-2387-03