慢性脊髓損傷動(dòng)物模型研究進(jìn)展

沈?qū)毩?，?智，沈洪興

慢性脊髓損傷(chronic spinal cord injury，CSCI)是椎間盤突出、骨贅形成、后縱韌帶骨化、黃韌帶肥厚、脊柱畸形、腫瘤等多種原因造成的脊髓長(zhǎng)期漸進(jìn)性受壓損傷，進(jìn)而導(dǎo)致一系列臨床癥狀和體征[1-2]。其病理機(jī)制至今尚未完全闡明，因此通過建立CSCI動(dòng)物模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究就顯得尤為重要。本文就國內(nèi)外較成熟的動(dòng)物模型方法作一綜述。

1 置入螺釘壓迫法

在早期的CSCI動(dòng)物模型建立中，研究者通過將螺釘擰入椎管造成CSCI，1972年Hukuda等[3]采用犬作為動(dòng)物模型，首次將螺釘通過頸前路入路擰入C4椎體，此后每日將螺釘擰入1個(gè)螺距(1 mm)，直至犬出現(xiàn)神經(jīng)功能障礙，建立犬的CSCI模型，該建模方式當(dāng)時(shí)被廣泛應(yīng)用。Kanhiku等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)螺釘漸進(jìn)性壓迫脊髓產(chǎn)生一種非線性壓力變化，在螺釘擰入的初期階段螺釘擰入的速度稍快，脊髓誘發(fā)電位無明顯變化；而在后期螺釘擰入速度很慢，脊髓誘發(fā)電位卻會(huì)出現(xiàn)明顯改變，螺釘長(zhǎng)時(shí)間的直接壓迫可造成脊髓神經(jīng)元減少以及白質(zhì)的脫髓鞘改變，最終導(dǎo)致脊髓神經(jīng)纖維的傳導(dǎo)性損害。

1993年，al-Mefty等[5]改良了螺釘材質(zhì)，采用特氟隆螺釘造模，觀察犬脊髓慢性壓迫性損傷的病理變化。Kanhiku等[4]采用相同材料，選取新西蘭兔建立CSCI動(dòng)物模型，證實(shí)了該模型的穩(wěn)定性和可靠性。Lee等[6]采用自制的金屬頸椎后路慢性裝置建立了大鼠的頸CSCI模型，該模型能夠較好的重復(fù)脊髓慢性壓迫過程，且壓迫過程可以量化，脊髓壓迫與機(jī)械性壓迫疼痛、可量化的神經(jīng)功能學(xué)表現(xiàn)、神經(jīng)元生理學(xué)以及神經(jīng)元病理學(xué)改變有關(guān)，該動(dòng)物模型可能在臨床轉(zhuǎn)化相關(guān)研究中具有重要的意義。 Xu等[7]通過采用自制的慢性脊髓壓迫裝置在大鼠胸椎T8水平建立CSCI動(dòng)物模型，該模型制作簡(jiǎn)便、可重復(fù)性好，能夠較好的反應(yīng)CSCI后的相關(guān)病理變化特點(diǎn)。此類方法造模具有壓迫程度可控、造模方式簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在金屬螺釘偽影不適合MRI影像學(xué)研究、金屬螺釘容易造成脊髓亞急性損傷等不足。

2 誘導(dǎo)骨贅壓迫法

CSCI的基本病因是椎間盤退變和骨質(zhì)增生。趙定麟等[8]將0.1 mL的滅菌生理鹽水經(jīng)前路注入家兔C4/C5椎間隙中部，深度為0.5～0.7 cm，通過對(duì)椎間盤后方及軟骨終板的刺激，術(shù)后成功誘導(dǎo)骨贅形成，造成椎管內(nèi)占位，導(dǎo)致脊髓的慢性壓迫損傷，建立了CSCI模型。重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(recombinant human bone morphogenetic protein，rhBMP2)在頸椎椎間盤退變中發(fā)揮重要作用[9-10]。戎利民等[11]使用豚鼠經(jīng)前路在X線引導(dǎo)下確認(rèn)C4/C5或C5/C6椎間隙后，注入0.1 mL BMP/聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone，PVP)復(fù)合制劑，誘導(dǎo)椎間盤及韌帶組織肥厚骨化，成功建立了CSCI動(dòng)物模型。此類方法造模由于誘導(dǎo)骨贅緩慢增生，能夠避免螺釘壓迫造模對(duì)脊髓可能造成的急性或亞急性損傷，但誘導(dǎo)骨贅生長(zhǎng)方向和速度不可控，導(dǎo)致進(jìn)一步深入研究受限。

3 套管或球囊壓迫法

早期的研究主要足采用持續(xù)壓迫或鉗夾的方法造成SCI。其實(shí)質(zhì)仍然是急性或亞急性損傷模型。Kikuchi等[12]將球囊置入椎板下，通過注入氣體使球囊膨脹，然后注入魔芋淀粉，因其與水混合后呈液態(tài)并可逐漸變得富有黏彈性，從而產(chǎn)生可靠持久的壓迫。舒衡生等[13]將成年雄性大鼠置入后路脊髓壓迫裝置，制成CSCI動(dòng)物模型，大鼠表現(xiàn)為壓迫性SCI的特征性超微病理表現(xiàn)。何海龍等[14-15]于頸前路C5椎體近上緣正中鉆孔 恰鉆透后緣骨皮質(zhì)后埋入自制的彈性塑料雙套管，通過內(nèi)套管的緩慢推動(dòng)作用產(chǎn)生對(duì)脊髓的慢性進(jìn)行性壓迫。如果第1次術(shù)后即出現(xiàn)CSI則處死動(dòng)物后重新造模，無CSI者每2～4周將內(nèi)套管向內(nèi)推入1.0 mm，不銹鋼細(xì)針鎖定末端，術(shù)后6～9個(gè)月經(jīng)證實(shí)造模成功。楊辰等[16]則采用自制的頸前路球囊壓迫系統(tǒng)經(jīng)頸前路在綿羊的C4/C5椎間隙置入壓力球囊裝置，分為對(duì)照組A，注射組B，每周注射0.1 mL碘海醇，連續(xù)注射4周; 注射組C每周注射碘海醇0.1 mL，連續(xù)注射12周，形成頸脊髓慢性漸進(jìn)性壓迫，達(dá)到了節(jié)段性模擬頸脊髓腹側(cè)慢性受壓的病理效果，成功制作了2種不同壓迫程度的CSCI動(dòng)物模型。陳智等[17]通過采用導(dǎo)尿管前端球囊及自制的內(nèi)六角尼龍螺釘建立山羊頸椎前路慢性球囊壓迫裝置，更好的避免了傳統(tǒng)金屬螺釘材料對(duì)MRI偽影的干擾，通過每周注入0.1 mL顯影劑，觀察術(shù)后4、8、12周時(shí)的頸脊髓影像學(xué)變化及組織學(xué)改變，建立了前路頸脊髓慢性壓迫動(dòng)物模型。此類造模方式能夠避免金屬螺釘MRI檢查存在偽影的干擾，且壓迫材料質(zhì)地較軟，可以避免對(duì)脊髓的急性損傷，但球囊膨脹具有非線性壓力變化的特點(diǎn)，即球囊后期雖然體積增加，但對(duì)脊髓的壓力逐漸減弱，可能會(huì)對(duì)長(zhǎng)期研究結(jié)果造成一定影響。

4 椎管置入物壓迫脊髓法

1999年，Pinazo等[18]用植入的肝腫瘤細(xì)胞造成脊髓壓迫，通過骨性結(jié)構(gòu)的改變直接影響腫瘤組織對(duì)脊髓的壓迫。此方法通過接種腫瘤細(xì)胞誘導(dǎo)局部的腫瘤組織生長(zhǎng)。導(dǎo)致脊髓受壓，壓迫產(chǎn)生的方式與腫瘤壓迫相似，從椎體、椎板及附件向脊髓方向壓迫。Kubota等[19]通過采用尼龍線包繞大鼠C4椎體前方及后方附件，環(huán)繞1周，利用大鼠椎管直徑的增加與線圈直徑固定產(chǎn)生相對(duì)的脊髓慢性受壓，造模后12個(gè)月發(fā)現(xiàn)70%的大鼠出現(xiàn)CSCI并出現(xiàn)相應(yīng)的神經(jīng)功能障礙，但該方法造模時(shí)間較長(zhǎng)。Klironomos等[20]選取新西蘭兔，在其C7椎板下方放置5～7 μm的芳香聚合物，利用其吸水膨脹的特性，在術(shù)后20周聚合物誘導(dǎo)椎板下方形成骨贅，同時(shí)自身膨脹對(duì)脊髓造成持續(xù)的漸進(jìn)性壓迫，最終建立CSCI動(dòng)物模型。該造模方法具有一次操作即可在椎板下埋入致壓物，利用其自身膨脹的特性造成脊髓慢性壓迫，但腫瘤細(xì)胞具有生長(zhǎng)不可控的不足，且會(huì)在局部脊髓表面產(chǎn)生炎癥及免疫反應(yīng)，吸水膨脹聚合物短期內(nèi)膨脹到一定體積后不再變化，缺乏慢性動(dòng)態(tài)變化過程，仍需要進(jìn)一步進(jìn)行材料學(xué)開發(fā)研究。

5 靜力性平衡失調(diào)法

現(xiàn)代生物力學(xué)理論認(rèn)為骨骼和韌帶維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定和平衡的作用為靜衡。Whitehill等[21]通過損傷犬的前縱韌帶、纖維環(huán)和頸椎后部韌帶結(jié)構(gòu)造成頸椎不穩(wěn)，術(shù)后3個(gè)月成模，從放射學(xué)、生物力學(xué)及組織形態(tài)學(xué)等方面對(duì)模型進(jìn)行研究。Osti等[22]通過損傷羊的椎間盤左前側(cè)的纖維環(huán)造成椎間盤退變， 內(nèi)側(cè)纖維環(huán)和髓核保持完擎，在術(shù)后1～ 18個(gè)月分批處死動(dòng)物，取椎間盤切片檢查，鏡下可見內(nèi)側(cè)纖維環(huán)的進(jìn)行性退行性改變，脊髓受壓并出現(xiàn)相應(yīng)的病理變化。Miyamoto等[23]通過分離鼠脊柱后部附著于椎體的肌肉和切除棘間、棘上韌帶破壞頸椎穩(wěn)定性的方法來造模，術(shù)后6～12個(gè)月成模，并首次從病理學(xué)上證實(shí)以頸椎椎間盤退變?yōu)橹饕憩F(xiàn)的脊髓壓迫頸椎病模型。該造模方式較為簡(jiǎn)單，但通過破壞頸椎本身的應(yīng)力結(jié)構(gòu)達(dá)到脊髓的慢性損傷，造模時(shí)間較長(zhǎng)，且效果不夠確切，目前已很少采用。

CSCI的實(shí)驗(yàn)研究目前較少，需要探索能真正較好地模仿CSCI臨床病理特點(diǎn)的模型，以揭示脊髓慢性受壓后的病理變化過程，從而為采取合理有效的干頂措施提供基礎(chǔ)。建立有效的慢性脊髓壓迫型頸惟病動(dòng)物模型是對(duì)CSCI 病理生理和組織學(xué)等進(jìn)行深入研究的前提，在此基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)一步開展對(duì)于CSCI機(jī)制的相關(guān)研究，為臨床上CSCI相關(guān)疾病的診治提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。唯有建立標(biāo)準(zhǔn)的、高度可重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型，才能對(duì)脊髓型頸椎病的發(fā)病機(jī)制有更深入的探索，在分子水平、基因水平尋找治療脊髓型頸椎病的治療方案。

參考文獻(xiàn)

[1] Hirai T, Uchida K, Nakajima H, et al. The Prevalence and Phenotype of Activated Microglia/Macrophages within the Spinal Cord of the Hyperostotic Mouse (twy/twy) Changes in Response to Chronic Progressive Spinal Cord Compression: Implications for Human Cervical Compressive Myelopathy[J]. PLoS One, 2013, 8(5): e64528.

[2] 胡志俊, 卞琴, 王擁軍, 等. 大鼠脊髓慢性壓迫性損傷動(dòng)物模型的建立[J]. 脊柱外科雜志, 2004, 2(4): 216-219.

[3] Hukuda S, Wilson CB. Experimental cervical myelopathy: effects of compression and ischemia on the canine cervical cord[J].J Neurosurg, 1972, 37(6): 631-652.

[4] Kanchiku T, Taguchi T, Keneko K, et al. A new rabbit model for the study on cervical compressive myelopathy[J].J Orthop Res, 2001, 19(4): 605-613.

[5] al-Mefty O, Harkey HL, Marawi I, et al. Experimental chronic compressive cervical myelopathy[J]. J Neurosurg, 1993, 79(4): 550-561.

[6] Lee J, Satkunendrarajah K, Fehlings MG. Development and characterization of a novel rat model of cervical spondylotic myelopathy: the impact of chronic cord compression on clinical, neuroanatomical, and neurophysiological outcomes[J]. J Neurotrauma, 2012, 29(5): 1012-1027.

[7] Xu P, Gong WM, Li Y, et al. Destructive pathological changes in the rat spinal cord due to chronic mechanical compression. Laboratory investigation[J]. J Neurosurg Spine, 2008, 8(3): 279-285.

[8] 趙定麟, 陳德玉, 沈強(qiáng), 等. 實(shí)驗(yàn)性頸椎病模型的設(shè)計(jì)[J]. 中華外科雜志, 1993, 5(1): 453-455.

[9] 戊利民, 李佛保. 成人退變頸椎間盤骨形態(tài)發(fā)生蛋白的表達(dá)及意義[J]. 中國脊柱脊髓雜志, 2000, 10(6): 339-340.

[10] 李博, 張永剛, 張莉, 等. 骨形態(tài)發(fā)生蛋白和堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子激發(fā)纖維環(huán)細(xì)胞成骨的潛能[J]. 脊柱外科雜志, 2008, 6(3): 161-164.

[11] 戎利民, 李佛保, 蔡道章. 脊髓型頸椎病動(dòng)物模型的初步建立[J]. 解剖學(xué)研究, 2001, 23(4): 313-315.

[12] Kikuchi S, Konno S, Kayama S, et al. Increased resistance to acute compression injury in chronically compressed spinal nerve roots. An experimental study[J]. Spine (Phila Pa 1976), 1996, 21(22): 2544-2550.

[13] 舒衡生, 于建華, 孫志明, 等. 大鼠壓迫性脊髓損傷的特征性超微病理表現(xiàn)[J]. 中國矯形外科雜志, 2006, 14(12): 921-922.

[14] 何海龍, 賈連順, 李家順, 等. 頸脊髓慢性壓迫癥實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某醪窖芯縖J]. 頸腰痛雜志, 2002, 23(2): 96-99.

[15] 何海龍, 葉嘵健, 李家順, 等. 雙套管法慢性頸脊髓壓迫癥模型的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 脊柱外科雜志, 2006, 4(1): 38-41.

[16] 楊辰, 張鳳山, 姜亮, 劉忠軍. 綿羊慢性壓迫性頸脊髓病動(dòng)物模型的建立及評(píng)估[J]. 中國脊柱脊髓雜志, 2011, 21(8): 685-690.

[17] 陳智, 何平, 黃軒, 等. 球囊注射壓迫法建立山羊頸脊髓慢性壓迫模型[J]. 第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 33(12): 1301-1304.

[18] Pinazo Serón MJ, Benet i Català A, Ferrer i Santaularia J, et al. Spinal cord compression caused by metastasis of soft tissue hepatocarcinoma[J]. An Med Interna, 1999, 16(11): 587-589.

[19] Kubota M, Kobayashi S, Nonoyama T, et al. Development of a chronic cervical cord compression model in rats: changes in the neurological behaviors and radiological and pathological findings[J]. J Neurotrauma, 2011, 28(3): 459-467.

[20] Klironomos G, Karadimas S, Mavrakis A, et al. New experimental rabbit animal model for cervical spondylotic myelopathy[J]. Spinal Cord, 2011, 49(11): 1097-1102.

[21] Whitehill R, Moran DJ, Fechner RE, et al. Cervical ligamentous instability in a canine in vivo model[J]. Spine (Phila Pa 1976), 1987, 12(10): 959-963.

[22] Osti OL, Vernon-Roberts B, Fraser RD.. 1990 Volvo Award in experimental studies. Anulus tears and intervertebral disc degeneration. An experimental study using an animal model [J]. Spine (Phila Pa 1976), 1990, 15(8): 762-767.

[23] Miyamoto S, Yonenobu K, Ono K. Experimental cervical spondylosis in the mouse [J]. Spine (Phila Pa 1976), 1991, 16(10 Suppl):S495-500.