挫伤型脊髓损伤动物模型制作方法研究进展

姬笑颜 李含笑 刘西纺,2

(1.陕西中医药大学研究生院，咸阳 712046)(2.西安交通大学附属红会医院神经脊柱康复病区，西安 710054)

脊髓损伤是一种导致死亡率和伤残率较高的疾病，能够导致不同程度的肢体瘫痪、感觉丧失、膀胱功能障碍等一系列的并发症。脊髓损伤不仅影响个人的生活健康，而且给家庭和整个社会带来巨大的经济负担[1]。脊髓损伤的生理病理机制非常复杂，目前尚未完全破解，建立可靠的动物模型可用来积累经验，从而提高和完善脊髓损伤的生理病理知识，降低脊髓损伤患者的发病率和死亡率。挫伤型脊髓损伤是一种急性的脊髓损伤、损伤时间短暂、损伤的外力与脊髓接触的时间较短。挫伤型脊髓损伤动物模型是最接近人类脊髓损伤的病理生理特点及变化规律的模型，具有较高的临床科研价值。

1 挫伤型脊髓损伤实验动物的选择和制作要求

1.1 动物的选择

目前，很多动物可以用于制作脊髓损伤动物模型，如啮齿类的小鼠、大鼠，灵长类的狨猴、猕猴、大猩猩以及猪、狗、羊等[2]。其中，灵长类的猕猴和大猩猩因其与人类的解剖、生理、病理、基因等有较高的同源性最为理想，但因模型不稳定、术中猝死率高及其成本较高且涉及动物保护和伦理问题未能普遍应用[3]。构建动物模型首先要符合实验目的和条件的要求，尽量选择标准化的实验动物。目前，国内外选择较多的动物为大鼠，其具有制作动物模型造价低廉、种系内纯合度高、再生能力强、抗感染能力强、饲养管理方便等优势[4]。

1.2 制作要求

理想的脊髓损伤动物模型制作方法具有以下特点[5-7]：①与临床损伤相似，即制作的脊髓损伤模型与临床患者相近，从症状、受伤机制等方面尽可能做到相似。②模型的可调控性，可根据实际需要调整损伤强度，复制出不同损伤程度脊髓损伤模型。③可重复性，即对脊髓损伤模型制作的关键步骤客观化、定量化，使其可信度高、可实施性强，最好能模式化，这样才能反映客观问题。④经济实用性，经济原因是我们值得关注的方面，我们应尽可能地选择经济实用的动物模型。

2 挫伤型脊髓损伤的造模方法及装置研究进展

2.1 重物坠击法

Allen[8]于1911年最先提出了重物坠击法(weight-dropping，WD)制作脊髓损伤模型。该方法是使用重锤从一定的高度自由降落，撞击脊髓，这项技术后来被认为是标准的实验性脊髓挫伤损伤模型[9]。该方法可通过控制重物的高度和质量来限定打击力度的大小，从而制造出不同程度的脊髓损伤。此外，还可以通过限定撞击脊髓节段来制作出不同脊髓节段和不同类型的脊髓损伤。

Gruner等[10]于1992年首次描述了脊髓损伤的过程，包括在目标水平上进行椎板切除和通过夹具使脊髓稳定。其在Allen的基础上制作了NYU(New York University device)撞击器，运用一根10 g的棒，从脊髓表面上以精确的高度落下，以诱发脊髓损伤。优势在于可以控制碰撞的速度、组织位移从而控制损伤参数，是一种标准化的脊髓损伤模型制作仪。后更名为MASCIS(multi-center animal spinal cord injury study)冲击器，经过不断的更新于2012年推出了包括数据记录和电磁质量释放的冲击器，被广泛应用，BBB评分[11-12]显示MASCIS冲击器制作的脊髓损伤模型是可复制的，可用于不同研究人员之间的信息交换[13]。杨棋等[14]运用NYU撞击器，制作出轻、中、重脊髓挫裂伤模型，且很好地复制了大鼠脊髓挫伤模型，稳定可靠且重复性好。

Khan等[15]在WD法的基础上研发了一种在磁性底座上附着相应的动物夹、换能器、垫片和重物等。磁性底座可移动，可灵活的进行造模的脊髓损伤的操作和动物调节与固定。Wilson等[16]改良了WD法在成年羊中构建脊髓损伤模型，通过植入电极检测了脊髓损伤后电生理各项指标变化情况。Falconer等[17]根据WD法的技术要点设计了WD 仪，由机械部、电磁极部、电子操纵部、激光器与探测器、换能器及微机六部分组成，将大鼠四肢固定于手术台，用立体定位仪固定头部，头部可灵活移动，可调节脊髓位置。该装置可全自动化控制与记录。可设定打击距离，激光探测器可感知撞击力最大的瞬间并能激活电磁极与换能器，将重物与垫片吸引开，避免二次损伤，确保了模型的一致性。于如同等[18]对WD法从打击点、打击时间、打击高度进行了改进，研制出了能够实现定时、瞬时、定点、定高打击，操作简单，灵活方便，不受人为因素干扰，精确度高的新型电控大鼠脊髓损伤打击装置。WD 法具有[19]：①可通过控制重物质量和坠落高度来调节能复制出不同程度的脊髓挫伤模型。②保持了硬脊膜的完整性, 有效地防止外源性成分侵入脊髓损伤区域，防止脊髓外露与脑脊液外漏。③获得的模型同实际情况较类似，能够模拟出实际中的情况，如早期的组织水肿、坏死和出血等的优势。但其存在打击力度不均匀，无法进行定量分析；在撞击脊髓时，由于重物不能及时离开可能会对脊髓造成压迫易造成二次损伤；撞击脊柱与脊髓时会发生移动或偏转而造成损伤的区域与程度均有所不同等情况[20-21]，还有待进一步改进。

2.2 PSI-IH脊髓打击器

PSI-IH脊髓打击器(precision systems and instrumentation-IH spinal cord impactor)是[22]由University of New Jersey公司研发的一种专门用于大鼠医学研究的脊髓挫伤装置。PSI-IH脊髓打击器装置利用力控冲击器而不是失重高度或组织移位造成损伤。步进电机与外部计算机接口，用于控制冲击力。在要损伤的脊髓节段进行椎板切除后，通过带有不锈钢打击器快速打击暴露的脊髓背部，立即上抬撞头，避免对脊髓造成挤压伤。其附着的传感器会直接测量撞击器和脊髓组织之间的力，使在造模时的误差降到最低，当达到预定阈值时，端部自动抽离。该装置可通过计算机软件记录探头打击瞬间的力位移曲线变化。陈月娟等[23]运用该打击器制作出轻、中以及重损伤模型，且BBB评分[11-12]和组织学检查显示该方法是较为可靠的人类脊髓损伤动物实验模型。该装置具有易控制脊髓损伤程度，计算机可准确记录组织撞击后的位移程度及力量大小；具有应用广泛，造模精确性、可靠性及重复性好，操作简单的优点。但该装置不能持续挤压，无法完全模拟脊髓损伤的临床病理改变，且在夹固脊柱时易损伤脊柱的缺点。

2.3 电磁打击器

电磁打击器是通过步进电机、计算机、 传感器及脊柱磁夹固定的应用，打击器能精确控制打击力度[24]。俄州立大学于1987年研发了应用于大鼠的电磁脊髓损伤装置(OSU impactor)，该装置于1992年改进提高了损伤的可重复性[25]。2000年被修改用于小鼠脊髓损伤的研究[26]。该装置使用计算机反馈控制的电磁打击器。当触发时，探头接触并置换电线以提供复制起点。仪器将电源线压缩到预定距离，时间固定避免重复打击。Pearse等[27]运用该装置来诱导脊髓移位性损伤，建立了大鼠颈脊髓挫伤损伤模型，通过组织学分析和运动学测定表明该装置造模效果良好。该装置得到了彻底的验证，并被证明能在大鼠身上产生可靠的分级损伤，其生物力学、行为和组织学结果可通过置换距离的选择预测[28-29]。但该装置存在夹持固定时易出现脊髓移位，难以确保脊髓和冲击器的零距离接触[30]。

2.4 气枪打击器

气枪打击器是2012年由Marcol等[31]开发的一种新型脊髓挫伤装置。它可以在不直接接触神经组织和不产生脑膜损伤的情况下产生明确的、分级的脊髓损伤。它是一种采用精密的压入式气枪作为损伤因素来造成脊髓损伤。气枪打击器具有：①在计算机控制模块的帮助下精确控制伤害力。②无需切除椎体骨的制备。③脑膜连续性未受影响。④脑脊液无损失。⑤所制作的脊髓损伤动物模型可复制和分级的优点。但同时对此模型作行为评分时，不同损伤程度的模型没有统计学意义，因此对损伤的量化需要进一步研究。

3 结语

制作动物模型的最终目的是为了产生一个一致的、易复制的且可分级的损伤，实现对人类脊髓损伤病理的有效模拟。目前，在研究挫伤型脊髓损伤的动物造模中，已有很多造模方法，但每种造模方法都有其局限性。而商品化的脊髓损伤模型仪器有NYU打击器和PSI-IH打击器，气枪打击器是近年来较新的仪器，使用该仪器构建的动物模型在各方面与人类脊髓损伤较相近，但仍需进一步的量化改进很研究。现在，没有一种脊髓损伤造模方法能够完全模仿人类脊髓损伤的机制及功能恢复。制造出一种与临床相近的、可靠的、标准的、可调控的且重复性高的造模方法，是未来我们需要继续努力的方向。