脑损伤动物模型实施亚低温的模式概述
2016-02-10刘成龙陈翀孙洪涛
刘成龙,陈翀,孙洪涛
脑损伤动物模型实施亚低温的模式概述
刘成龙,陈翀,孙洪涛
摘要:脑损伤是全球死亡和致残的主要原因之一,给社会和家庭带来沉重的负担。脑损伤动物模型的亚低温实验能够为脑损伤的治疗提供新的干预及治疗措施。在大量的脑损伤动物模型的亚低温治疗实验中,其脑保护的作用已经被证实。然而,目前的脑损伤动物实验的亚低温治疗模式尚不明确,其最佳的治疗模式如低温持续的时间、低温诱导的方法以及最佳的温度等仍然未知。本文对脑损伤动物模型的亚低温实验方法进行概述。
关键词:亚低温;脑损伤;动物模型;治疗模式
作者单位:天津,脑创伤与神经疾病研究所,武警后勤学院附属医院脑科医院,天津市神经创伤修复重点实验室(邮编300162)
脑损伤因其高死亡率、高致残率,成为当今医学面临的难题,给社会和家庭带来沉重的负担,因此寻找有效的治疗措施是当前脑损伤研究领域的迫切需求[1-2]。人们对于低温治疗具有神经保护功能的认识已经有1个多世纪的历史。由于对脑损伤所引起的继发性神经损伤级联反应这一病理生理学机制已经得到证实,使用低温治疗阻断这种继发性损伤并发挥其神经保护作用的方法再度为学者所关注[3]。近期,有学者提出,尽管目前有大量亚低温治疗脑损伤的动物实验,但其最佳的治疗模式如低温持续时间和最合适的诱导方法[4],以及产生最佳神经保护功能的温度仍未确定[5]。由此,本文拟对脑损伤动物模型的亚低温实验方法进行综述。
1 亚低温的神经系统保护作用
早期观点认为亚低温能够降低大脑的新陈代谢是其脑保护作用的首要机制,大脑温度每降低1℃,其代谢速率降低6%[6]。目前动物研究显示亚低温神经保护作用与减弱颅脑创伤(traumatic brain injury, TBI)后继发性损伤有关。亚低温的神经系统保护作用包括:(1)降低颅内压。(2)保护血-脑屏障,减少血管源性水肿。(3)减弱免疫反应、自由基产生,降低脑代谢及兴奋性毒性发生,减少细胞凋亡。(4)抑制癫痫发作[7]。(5)改善TBI后受损脑组织缺氧、毒素累积所产生的微环境[8]。(6)通过降低组织的耗氧量,减缓组织缺血时对三磷酸腺苷(ATP)的消耗速度,从而提高组织对缺血缺氧的耐受力等[9]。
2 脑损伤动物模型
2.1 TBI模型TBI动物模型常用的造模方法有可控性皮质损伤(controlled cortical injury, CCI)和液压冲击(fluid percus⁃sion, FP)脑损伤法。CCI打击参数根据研究的目的、造模动物及损伤程度的不同而不同,在小鼠TBI模型制作过程中,Lee等[10]应用的速度为3 m/s,深度为1.0 mm,停留时间为150 ms,而有的学者则应用深度为2.0 mm的打击参数[11]。FP中度脑损伤打击参数范围为1.7~2.3个大气压[12-15]。其他TBI模型,通过视神经的牵拉伤制作创伤性轴索损伤模型[16-17]。2.2缺血缺氧再灌注脑损伤模型该损伤模型的制作大致有心脏骤停再复苏和动脉阻塞等方法。有学者报道应用静脉注射氯化钾或经食管心脏起搏器的方法诱发心脏骤停,然后进行胸部按压、静脉注射肾上腺素等使其恢复自主循环,从而制作出缺血再灌注的动物模型[18-19]。动脉阻塞法:(1)应用远程可控血管封堵器短暂封闭双侧颈总动脉后,将实验动物置于缺氧环境中[20]。(2)分离结扎左侧或右侧颈总动脉并暴露于缺氧环境中[21-22]。(3)通过分离颈内动脉、颈外动脉及颈总动脉,将尼龙线末端烧灼后插入颈内动脉管腔直到大脑中动脉起始部来造成闭塞[23]。
3 亚低温治疗脑损伤的模式
Auriat等[4]在研究长时程亚低温对于缺血缺氧性脑损伤大鼠模型治疗效果的研究中提出,尽管目前有大量亚低温的动物实验,但其最佳的治疗模式如低温持续时间和最合适的诱导方法仍然未知。
3.1麻醉方式目前大多数动物亚低温实验是在麻醉状态下进行的。麻醉方式大致有气体麻醉及药物麻醉。(1)气体麻醉:主要的麻醉药物有氟烷或异氟烷混合7∶3的一氧化二氮和氧气,其剂量与实验研究对象及麻醉的深浅程度有关。3%氟烷混合7∶3的一氧化二氮和氧气麻醉,机械通气后以0.5%氟烷混合气体维持[24]。2.5%异氟烷麻醉,通过鼻锥麻醉面罩维持[17]。2%氟烷混合7∶3的一氧化二氮和氧气并机械通气维持[13,25-26]。(2)药物麻醉:戊巴比妥钠腹腔注射,克他命(氯胺酮)、盐酸赛拉嗪、阿托品肌内注射[15,27]。也有学者于实施亚低温实验前腹腔注射水合氯醛[12]和戊巴比妥钠[19]进行麻醉。(3)亚低温全程无麻醉:有学者在用药物诱导的亚低温实验中未对小鼠进行麻醉,发现其亚低温全程清醒且无寒战反应[10-11]。3.2亚低温治疗的时间窗临床研究中,一般认为缺血性脑损伤宜尽早实施亚低温,出血性脑损伤则宜在损伤晚期实施,而对于创伤性脑损伤,亚低温治疗的时间窗仍存在争议。动物实验研究中,实施亚低温的时间同样未确定。
有学者于TBI损伤后立即实施亚低温[17,27-28],有的则分别于损伤后10 min[24]、15 min[11]、30 min[15]实施亚低温治疗。Lee 等[10]在神经降压素受体阻滞剂HPI-363引导的亚低温研究中,分别于TBI术后15、60、120、180 min予以亚低温治疗并得出结论:药物HPI-363诱导亚低温治疗的时间窗至少是急性TBI后2 h。有研究在新生幼猪的缺血缺氧性脑损伤模型中于损伤后2 h开始实施亚低温治疗[5]。也有研究于缺血缺氧脑损伤复苏后进行亚低温治疗[19-20,29]。Ichinose等[21]对出生第6天的SD大鼠进行左侧颈总动脉结扎,恢复1 h后,置于低氧的温度控制箱内进行亚低温治疗。
3.3亚低温的目标温度与时程在众多的脑损伤动物亚低温实验中,其目标温度及时程不尽相同。在豚鼠创伤性轴索损伤模型中应用的目标温度是32.0~32.5℃并维持4 h[16]。Bramlett等[24]应用FP制作创伤性轴索损伤模型,其亚低温组用中度低温30℃和轻度低温33℃维持3 h。SD大鼠视神经牵拉伤模型中应用的目标温度为32℃维持3 h[17]。Girisgin 等[28]在研究TBI后神经保护功能与亚低温深度的关系中,规定中度亚低温组为32~33℃,深度亚低温组为32~30℃并维持3 h。TBI后药物诱导亚低温治疗研究中,Lee等[10]设定亚低温实验的目标温度波动于32~34℃维持6 h,Gu等[11]研究则规定其目标温度波动于32~35℃维持6 h。在其他的TBI后亚低温的实验研究中,有的学者规定其亚低温治疗的目标温度及持续时间为32℃维持4 h[12-13],有的规定为33℃维持3 h[26],还有的规定为33℃维持4 h[15,30]。
新生幼猪的缺血缺氧脑损伤模型亚低温治疗中,Kerenyi 等[5]分别应用30℃、33.5℃及35℃治疗24 h,Ezzati等[20]应用33.5℃维持18~24 h,Hoque等[29]应用(37.0±0.2)℃维持48 h。鼠的缺血缺氧脑损伤模型亚低温治疗实验中,有学者应用(28.8±1)℃维持8 min的亚低温模式[18],有的应用(32±1)℃维持1 h[21],有的(32±1)℃维持4 h[19],有的32℃维持3 d[4],有的则是(33.0±0.5)℃维持6 h[23]。
3.4亚低温诱导的方法及维持目前诱导亚低温的方法按其原理分为物理降温和药物降温。根据动物实验中物理降温的方法不同分为:小风扇吹风降温,冰水、冰块及喷雾体表降温,血管内降温和自动制冷降温。
3.4.1物理降温(1)小风扇吹风降温法。应用小风扇直接向头部吹冷风使体温下降[24]。Ma等[17]通过用风扇吹头部、冷水喷雾及冰袋包裹躯体的方法诱导低温并维持。(2)冰水、冰块及喷雾体表降温法。将已麻醉的SD大鼠躯干浸入冰水中,浸冰水前用塑料袋将其包裹而头部露出,当头部温度降至距离目标温度差2℃时,将大鼠从冰水中取出,15~30 min诱导至目标温度(32℃或33℃)后,间断应用冰袋或烤灯使大鼠维持于目标温度[12-13,26]。有学者于橡胶手套的手指部分填充碎冰块,放置于SD大鼠头部以诱导至目标温度,1个充满碎冰块的橡胶手指用于诱导中度低温,2个这样的橡胶手指用于维持深度低温[28]。通过不同温度(0~1℃或5~6℃)的冷水袋诱导不同程度的亚低温[14]。用70%、75%乙醇或异丙醇向实验对象喷雾或涂擦体表来诱导低体温[18-19,21]。(3)血管内降温法。Kuo等[27]向SD大鼠右侧颈外静脉注射4℃生理盐水来诱导亚低温。(4)自动制冷降温法。有学者联合制冷/加热系统和局部吹冷风、烤灯来诱导并维持目标温度。用水垫包裹实验动物并通过降低水温诱导并维持低体温[5,20]。用可循环冷水的冰帽诱导并维持低温[29]。
3.4.2药物降温近期有研究显示应用神经降压素受体阻滞剂HPI-363腹腔注射来诱导亚低温,其药物应用的方法为:首次剂量0.3 mg/kg(C57BL/6小鼠,8~12周,22~28 g)在30~60 min内使体温下降3~5℃,之后间隔大于1.5 h半量注射以维持目标体温[10]。另一项研究应用神经降压素受体阻滞剂HPI-201对新生14 d的Wistar鼠进行腹腔注射,其首次剂量2 mg/kg,间隔1.5~2 h半量注射1~2次以维持低体温[11]。3.5复温在临床研究中复温作为亚低温治疗的最后一个阶段,被认为是最危险的阶段,然而在动物的亚低温实验中复温的方法及速率却较少被明确提及。Bramlett等[24]在SD大鼠TBI模型亚低温治疗的末期,于15 min内使其恢复正常体温。在幼猪缺血缺氧脑损伤模型亚低温治疗的末期,使用自动加热/制冷水垫装置,加热水垫并以0.5℃/h的速率复温[5]。Maxwell等[16]对创伤性轴索损伤的豚鼠行亚低温治疗并以慢速复温每40 min 1℃,中速复温每20 min 1℃,快速复温每10 min 1℃,研究不同复温速率对亚低温结果的影响,结果提示在亚低温治疗创伤性轴索损伤中,复温速率超过每10 min1℃时可引起继发性轴索病理性改变。
4 亚低温的实验监测方法
临床研究中显示,亚低温治疗过程中会出现较多的并发症或不良反应,如寒战、电解质紊乱、酸碱平衡失调、胰岛素抵抗、肾功能障碍、心脏功能障碍等[6]。动物的亚低温实验中,监测其生理指标及生命体征有助于排除上述并发症或不良反应对实验结果的干扰。
4.1生命体征监测体温的监测常用探针监测颞肌温度、直肠温度及脑皮质温度。颈总动脉插管、股动脉插管监测平均动脉压[10,14-15,30-31]。应用皮下非侵袭的经皮装置监测心率[28]。
4.2生理指标监测主要通过颈总动脉插管、股动脉插管或鼠尾动脉插管进行血气分析来监测血pH、二氧化碳分压、氧分压等指标。
5 亚低温的实验观察指标
亚低温动物实验结果检测的指标主要依据亚低温的脑保护机制,如减少炎症反应、抑制凋亡、保护血脑屏障等,这些指标主要通过蛋白免疫印迹(Western blot)、免疫组织化学及组织病理学等方法进行检测。
5.1 Western blot检测其目的主要是:(1)检测凋亡相关蛋白的表达量,如caspase-3[15,25]、凋亡诱导因子[19](apoptosis in⁃ducing factor, AIF)以及金属蛋白酶组织抑制剂(tissue inhibi⁃tors of metalloproteinases, TIMPs)[13]在神经元或脑组织的表达水平。(2)检测炎症相关因子如肿瘤坏死因子α(tumor necro⁃sis factor-α, TNF-α)、白细胞介素(interleukin, IL)-1β、cas⁃pase-1、caspase-11、中枢神经系统中与炎症因子相关并参与调节炎症的因子嘌呤能受体P2X7以及抗炎因子IL-10的表达量来揭示亚低温的治疗效果[10-11,15]。(3)分析脑皮质大分子蛋白质如免疫球蛋白G、紧密连接相关蛋白、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)-2、MMP-9的表达量用于揭示血脑屏障的破坏程度[10-11]。(4)自噬通路相关蛋白检测,有研究显示TBI后微管相关蛋白轻链3(Light Chain3, LC3)、酵母自噬基因Atg6/Vps30同源基因Beclin-1的表达升高,经亚低温治疗后其表达量进一步增加,在损伤同侧海马区域,细胞死亡下降而细胞自噬增加,并认为细胞自噬可能参与TBI后亚低温治疗的神经保护作用[12]。
5.2基因水平的检测基因水平的检测有RT-PCR技术,其主要用于检测相关因子在RNA水平的表达。有研究应用cDNA技术发现133个转录体在低温组的表达水平与正常温度组差异有统计学意义,经分析这些基因中有9个基因本体的类别受到亚低温的显著影响,这9个基因主要参与突触组织形成和炎症反应调节,其中Ank3、Cmbp、Nrxn3、Tgm2、Fc⁃gr3的mRNA表达量显著受到亚低温的影响[26]。
5.3免疫组织化学利用特殊标记的抗体在组织细胞原位通过抗原抗体反应标记目标细胞或特定的组织蛋白分子,并对阳性细胞或组织蛋白分子进行定量分析。(1)标记正常神经元,利用NeuN染色,并对特定区域的正常神经元计数,用以评价亚低温的治疗效果[12,15,30]。(2)标记变性坏死的神经元,利用银染法[24]对变性坏死的神经元进行染色;运用Fluoro-JadeB染色法标记TBI后变性神经元[31];使用末端标记法(Terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling, TUNEL)检测变性坏死神经元[10-11,14];通过对变性坏死神经元的标记并进行定量分析,评估亚低温治疗效果。(3)对特定组织因子进行标记,运用相应抗体对诱导型一氧化氮合酶、3-硝基酪氨酸进行标记以检测氧化性损伤的程度[27],用相应的抗体标记LC3、Beclin-1,并对特定区域的阳性细胞计数以评估自噬反应的程度[12]。
5.4组织病理学运用不同的染色方法对组织或细胞进行染色,利用显微镜等技术进行观察,并予以定性或定量分析。(1)创伤性轴索损伤后,运用透射电镜对损伤的视神经片段进行观察,利用体视学技术分析轴索中微管、神经蛋白纤维的数量及间距[16]。电子显微镜观察并计数轴索的密度[17]。(2)TBI及脑梗死后的损伤容积运用尼氏染色法[10-11]、苏木精-伊红染色法[30]、氯化三苯基四氮唑[14,27,31]对切片进行染色,然后将切片数字化处理,应用图形处理软件计算损伤的容积。(3)血脑屏障损伤后,采用伊文思蓝染色后对脑组织行冠状切片,通过荧光显微镜观察其荧光渗漏,运用图像处理软件行定量分析[10-11]。
5.5行为学检测行为学检测用于亚低温治疗脑损伤动物后对其感觉运动功能恢复情况的评价。(1)脱粘实验是在小鼠前肢粘上圆形小物体后,记录其接触和脱去圆形物体的时间。(2)圆柱实验用于检测运动皮质单侧损伤致使前肢运动不对称的恢复情况,采用鼠笼监视系统对小鼠的行为进行持续观察,并记录时间分析其感觉运动恢复情况[10]。(3)斜坡实验是将大鼠放置斜坡上,通过改变倾斜角度来测量肢体强度[14]。(4)拴住大鼠尾巴吊离地面1 m,缓慢下降,观察其姿势并予以评分,将大鼠放置狭窄的梁上行走,观察其行为反应并予以评分[23]。
6 展望
尽管目前已经得出亚低温具有神经保护功能的结论,但是动物亚低温实验的模式不尽相同,仍然无理想统一的治疗参数,这或许将成为今后研究的一个方向。从脑损伤动物的亚低温治疗的实验指标中不难看出,目前国内外仍集中研究探索亚低温的脑保护机制,由于对亚低温影响凋亡通路及调节因子的机制尚未完全明确,因而对于亚低温阻断凋亡机制的研究仍将继续成为研究的热点。细胞自噬与亚低温脑保护作用的关系或将成为该研究的新热点。
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(2015-09-01收稿2015-10-16修回)
(本文编辑陈丽洁)
The overview on animal models of brain injury with mild hypothermia
LIU Chenglong, CHEN Chong, SUN Hongtao
Institute of Traumatic Brain Injury and Neurology, Brain Hospital of Affiliated Hospital of Logistics College of Chinese People′s Armed Police Forces, Tianjin Key Laboratory of Neurotrauma Repair, Tianjin 300162, China Corresponding Author E-mail: chenmo333@163.com
Abstract:Brain injury is a major cause of worldwide mortality and disability, and it has brought a heavy burden to so⁃ciety and family. The hypothermia of brain injury in animal models can provide new intervention and therapeutic measures for patients with brain injury. The protective role of mild hypothermia has been demonstrated in a large number of animal models of brain injury in experiments. However, the pattern of mild hypothermiain brain injury animals, at present, is not ful⁃ly delineated, and the optimal patterns, such as the duration, induced method and the topgallant temperature are still un⁃clear. Therefore, this paper summarized the experimental methods of mild hypothermiain brain injury of animal model.
Key words:mildhypothermia; brain injury; animal model; treatment pattern
中图分类号:R-332
文献标志码:A
DOI:10.11958/20150140
基金项目:国家自然科学基金资助项目(81471275,81271392,81401067,81301050)
作者简介:刘成龙(1988),男,硕士在读,主要从事中枢神经创伤修复研究
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