創(chuàng)傷性腦損傷動(dòng)物模型的研究進(jìn)展

萬(wàn)佳

湖南省人民醫(yī)院司法鑒定中心，湖南長(zhǎng)沙 410000

創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury， TBI）是指頭部受到外力作用導(dǎo)致的腦組織結(jié)構(gòu)破壞或功能障礙，在世界范圍內(nèi)，創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）是所有與創(chuàng)傷相關(guān)的損傷中死亡和殘疾的主要原因[1]。在過去的30年里，大量的動(dòng)物模型已經(jīng)被用來(lái)復(fù)制人類創(chuàng)傷性腦損傷的各個(gè)方面，以更好地理解潛在的病理生理學(xué)和探索潛在的治療方法。在目前用于模擬TBI 的各種動(dòng)物物種中，嚙齒動(dòng)物（大鼠和小鼠）損傷模型是最廣泛使用的[2]。該文對(duì)創(chuàng)傷性腦損傷動(dòng)物模型的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，包括的幾種主要的創(chuàng)傷性腦損傷模型構(gòu)建方法及大型動(dòng)物創(chuàng)傷性腦損傷模型的優(yōu)缺點(diǎn)及展望等，希望能為創(chuàng)傷性腦損傷的機(jī)制研究提供幫助。

1 常見的創(chuàng)傷性腦損傷模型

1.1 液體沖擊損傷(FPI)模型

在FPI 模型中，通過正中矢狀縫或外側(cè)位于頂葉皮層實(shí)行開顱術(shù)，由一個(gè)鐘擺擊打流體儲(chǔ)存罐的活塞，向完整的硬腦膜產(chǎn)生流體壓力脈沖造成損傷。FPI可以復(fù)制顱內(nèi)出血、腦腫脹和進(jìn)行性灰質(zhì)損傷等TBI的病理生理特征[3]。中線FPI模型最初開發(fā)用于貓和兔子TBI 使用，隨后進(jìn)行修改，以產(chǎn)生在嚙齒動(dòng)物模型LFPI。后來(lái)開始在狗、羊、豬等大型動(dòng)物上使用[4]。在貓創(chuàng)傷性腦損傷模型研究中，發(fā)現(xiàn)腦損傷增加了呼吸暫停時(shí)間、腦灌注壓和顱內(nèi)壓以及平均動(dòng)脈血壓，而且當(dāng)損傷程度低時(shí)，未見蛛網(wǎng)膜下腔出血和瘀點(diǎn)出血，嚴(yán)重的損傷可以觀察到明顯的腦損傷改變[5]。

據(jù)研究，在豬模型上發(fā)生這種FPI 損傷后，會(huì)引起呼吸暫停、短暫性高血壓、顱內(nèi)壓升高等生理反應(yīng)以及神經(jīng)元變性、顱內(nèi)出血、軸突損傷、壞死等組織學(xué)改變，腫瘤壞死因子α（TNF-α）和白細(xì)胞介素10（IL-10）等細(xì)胞因子水平也會(huì)升高[6]。

1.2 重力下降（WDI）TBI模型

大多數(shù)WDI 模型的基礎(chǔ)是將輕度麻醉的動(dòng)物暴露顱骨（有或沒有開顱手術(shù)）后，通過自由落體的重物引起損傷[7]。將該模型應(yīng)用于貓腦損傷研究可發(fā)現(xiàn)出血和顱骨骨折的發(fā)生。在綿羊創(chuàng)傷性腦損傷研究中，撞擊加速損傷不僅會(huì)導(dǎo)致撞擊部位附近的局灶性挫傷，還會(huì)造成廣泛分布的軸突損傷和部分蛛網(wǎng)膜下腔出血，最嚴(yán)重的損傷部位是額部、枕部和顳部等撞擊部位[8]。

后來(lái)Faillot M 等[9]開發(fā)了一個(gè)DAI 腦損傷模型來(lái)模擬由跌倒或機(jī)動(dòng)車事故引起的人類彌漫性TBI。在這個(gè)模型中，創(chuàng)傷裝置由一個(gè)分段的配重組組成，它通過有機(jī)玻璃管從指定的高度自由落下。Marmarou 模型可引起廣泛和雙側(cè)的神經(jīng)元、軸突、樹突和微血管的損傷，特別是在胼胝體、內(nèi)囊、視神經(jīng)束等部位的損傷，它還會(huì)誘發(fā)運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知缺陷，如行走困難和記憶困難，這些缺陷與損傷嚴(yán)重程度相關(guān)。WDI模型的一個(gè)缺點(diǎn)是損傷嚴(yán)重程度的變異性相對(duì)較高，優(yōu)點(diǎn)是它價(jià)格低廉，易于操作[10]。

1.3 受控皮質(zhì)撞擊損傷（CCI）TBI模型

CCI 模型使用氣動(dòng)或電磁沖擊裝置驅(qū)動(dòng)剛性沖擊器撞擊暴露完好的硬腦膜，模擬皮質(zhì)組織損傷、急性硬腦膜下血腫、軸索損傷、腦震蕩、血腦屏障功能障礙甚至昏迷等。CCI 模型最先是由Lighthall 等建立，目前CCI 模型已成為最常見的創(chuàng)傷性腦損傷模型之一，已被應(yīng)用于嚙齒動(dòng)物，豬，猴子兔子和雪貂等動(dòng)物模型[11]。腦損傷的嚴(yán)重程度與預(yù)先設(shè)計(jì)的生物力學(xué)參數(shù)有關(guān)。研究對(duì)CCI 的TBI 模型進(jìn)行了全面的神經(jīng)病理學(xué)評(píng)估，表明相關(guān)腦損傷可能是比較廣泛的，包括急性皮質(zhì)損傷、海馬和丘腦變性等。

CCI 在較大的動(dòng)物物種中的首次使用是在未成熟的豬中，在該模型中，根據(jù)正在生長(zhǎng)的仔豬腦的大小和尺寸對(duì)模型進(jìn)行了縮放，以模仿人類小兒的TBI 損傷[12]。仔豬被選為人類小兒TBI 的大型動(dòng)物模型的原因是與其他動(dòng)物不同，豬的大腦生長(zhǎng)高峰出現(xiàn)在出生前后，發(fā)育過程中髓鞘形成和水分含量的變化與人類大腦發(fā)育相似。TBI 后，1 個(gè)月大的仔豬表現(xiàn)出局灶性病理生理學(xué)，復(fù)制了學(xué)齡前和幼兒期觀察到的TBI 反應(yīng)，其中腦腫脹最明顯。最近，仔豬的CCI 模型也被用于識(shí)別外周血中相關(guān)的TBI 生物標(biāo)志物，并用于試驗(yàn)已被提出用于臨床轉(zhuǎn)化的介入療法。由于其與人類的臨床相關(guān)性，隨后的研究使用CCI 來(lái)研究成年豬以及綿羊中局灶性TBI 的病理生理學(xué)和生物力學(xué)。CCI 也適用于TBI 非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型[13]。在這些研究中，右額葉皮層是受影響最大的部位，觀察到的病理生理學(xué)CCI 的典型特征，包括神經(jīng)元丟失、血管破裂、水腫和巨噬細(xì)胞積聚等[14]。

1.4 爆炸創(chuàng)傷性腦損傷模型（blast injury models，bTBI）

爆炸TBI 誘導(dǎo)的神經(jīng)損傷被認(rèn)為是軍事行動(dòng)和恐怖活動(dòng)中常見的創(chuàng)傷。許多暴露于爆炸但無(wú)急性神經(jīng)損傷特征的軍事人員會(huì)經(jīng)歷慢性創(chuàng)傷性腦病，這可能歸因于爆炸誘導(dǎo)的創(chuàng)傷性腦損傷[15]。為了闡明大腦對(duì)爆炸損傷的反應(yīng)，已經(jīng)建立了大量的爆炸創(chuàng)傷性腦損傷動(dòng)物模型，主要包括大鼠、兔子和豬等。所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的頭部都受到爆炸裝置發(fā)出的強(qiáng)大沖擊波，沖擊波依次通過顱骨、腦脊液和腦組織傳播。腦損傷的嚴(yán)重程度與人體相對(duì)于爆炸裝置的距離和位置、爆炸的功率水平以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境有關(guān)[16]。Vink R 等[2]開發(fā)了一種爆炸誘發(fā)的TBI 大鼠模型，用來(lái)模擬在最近的軍事沖突中看到的非沖擊性爆炸引起的TBI 表現(xiàn)出一種病理生理學(xué)改變，其特征是彌漫性腦水腫、極度充血和延遲性血管痙攣?？紤]到當(dāng)前爆炸傷模型的差異，不同實(shí)驗(yàn)室之間的結(jié)果比較幾乎是不可能的。因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)爆炸模型設(shè)計(jì)、表征和實(shí)施進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于闡明爆炸損傷的機(jī)制、生物標(biāo)志物的識(shí)別以及最終減輕爆炸引起的腦損傷的策略具有特別重要的意義[17]。

1.5 穿透性腦損傷（PBI）模型

穿透性腦損傷（PBI）通常是由槍彈或炸彈碎片造成的，這些槍傷會(huì)在大腦中產(chǎn)生暫時(shí)性空洞，盡管它們很少發(fā)生在民用中，PBI 后的病死率和發(fā)病率仍然很高[18]。過去，這些實(shí)驗(yàn)研究是通過使用氣壓針、小鉛丸或加壓氦氣等在大鼠、貓和非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物中進(jìn)行。然而，有兩個(gè)關(guān)鍵因素阻礙了對(duì)PBI的深入研究。一是小型動(dòng)物和人類在大腦結(jié)構(gòu)上的巨大差異；另一個(gè)是由于軍用子彈和彈藥的沖擊波產(chǎn)生的高能量導(dǎo)致穿透性腦損傷模型后生存率較低。PBI 的幾個(gè)病理生理特征與其他腦外傷模型中的相似，包括存在腦腫脹、遠(yuǎn)端白質(zhì)損傷和神經(jīng)炎癥等，然而，與其他TBI 模型相比，由于損傷的穿透性及其形成的臨時(shí)腔，PBI 會(huì)導(dǎo)致整個(gè)原發(fā)病變部位發(fā)生廣泛的腦出血改變[2]。后來(lái)，研究人員開發(fā)了非致死性PBI 豬模型，為理解穿透性腦損傷的生理和組織病理學(xué)反應(yīng)機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，然而，這個(gè)研究中損傷的腦區(qū)僅局限于雙側(cè)額葉，對(duì)腦其他區(qū)域的影響還需要進(jìn)一步研究來(lái)評(píng)估。

2 創(chuàng)傷性腦損傷大型動(dòng)物模型的優(yōu)勢(shì)

大型動(dòng)物，尤其是豬、雪貂和靈長(zhǎng)類動(dòng)物，最大的優(yōu)勢(shì)是與人類大腦的相似性。這種相似性不僅指腦回形態(tài)、灰質(zhì)和白質(zhì)比例，也指發(fā)育模式、髓鞘化程度、腦血管解剖和生理。此外，大型動(dòng)物模型的優(yōu)勢(shì)在機(jī)制方面，使用大型物種可以改進(jìn)針對(duì)特定的獨(dú)立損傷機(jī)制。對(duì)于足以造成彌漫性軸索損傷的純慣性損傷建模來(lái)說，需要體積比較大的大腦，腦血管解剖和生理學(xué)相似，以及與人類大腦結(jié)構(gòu)相似的力量傳遞。最重要的是，大型動(dòng)物，例如仔豬，與人類嬰兒在成熟階段的發(fā)育具有很高的相似性，使得大腦在特定發(fā)育階段對(duì)損傷的反應(yīng)能夠更精確地進(jìn)行比較[4]。

而且研究發(fā)現(xiàn)，大型動(dòng)物模型中大腦的物理尺寸更容易進(jìn)行臨床相關(guān)監(jiān)測(cè)。例如，包括MRI 在內(nèi)的先進(jìn)成像技術(shù)可用于在大型動(dòng)物中獲得高質(zhì)量的高分辨率圖像，遠(yuǎn)優(yōu)于嚙齒動(dòng)物的圖像。此外，使用與人類相同的儀器對(duì)ICP、腦組織氧含量和腦血流量等變量進(jìn)行臨床相關(guān)的顱內(nèi)監(jiān)測(cè)有助于臨床轉(zhuǎn)化，值得注意的是，與在嚙齒動(dòng)物模型中觀察到的值不同，大型動(dòng)物中這些變量值與相對(duì)應(yīng)年齡的人類更加相似。此外，與沒有幕的嚙齒動(dòng)物不同，大型動(dòng)物在機(jī)械負(fù)荷后會(huì)持續(xù)出現(xiàn)顱內(nèi)壓增高、腦水腫和腦疝等相似改變。此外，由于嚙齒類動(dòng)物的腦脊液體積非常小，如果分析腦脊液中的分子變化和代謝主要還是要依賴于較大的動(dòng)物。因此，人們對(duì)使用更大的動(dòng)物模型來(lái)表征TBI 和測(cè)試治療干預(yù)措施越來(lái)越感興趣。

3 創(chuàng)傷性腦損傷大型動(dòng)物模型的局限性

大型動(dòng)物的費(fèi)用相對(duì)較高，不僅體現(xiàn)在初始購(gòu)買成本和飼養(yǎng)設(shè)施的建設(shè)方面，而且在使用大型動(dòng)物時(shí)需要更多的技術(shù)協(xié)助。它們的長(zhǎng)期研究壽命更長(zhǎng)，護(hù)理水平更高，而且大型動(dòng)物更難以飼養(yǎng)和處理，對(duì)動(dòng)物的飼養(yǎng)和生活條件提出了比嚙齒動(dòng)物更嚴(yán)格的要求和更高的標(biāo)準(zhǔn)。不同大型動(dòng)物的生化和分子研究數(shù)據(jù)也少得多，抗體和mRNA 探針的可用性有限，為常規(guī)免疫組織化學(xué)尋找合適的抗體可能具有挑戰(zhàn)性，也很少有研究敲除模型來(lái)描述特定基因型在腦損傷過程中的作用。所有物種的腦血供應(yīng)各不相同，雖然大型動(dòng)物的大腦供血可能比嚙齒動(dòng)物的大腦更能模擬人類狀況，但供血仍然是另一個(gè)需要考慮的因素。而且一般來(lái)說，大多數(shù)大型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)樣本量有限，可能造成統(tǒng)計(jì)偏倚發(fā)生。

4 展望

由于大型動(dòng)物模型與人腦的相似性，引起了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。目前在腦外傷研究中，嚙齒類動(dòng)物腦外傷相關(guān)模型的所有機(jī)械裝置都可以修改為適用于大型動(dòng)物上，在某種程度上，已經(jīng)能夠充分模擬現(xiàn)實(shí)生活中創(chuàng)傷性腦損傷的許多方面。此外，在人類顱腦損傷建模研究中，特別是在神經(jīng)影像學(xué)研究和兒科顱腦損傷研究中，大型動(dòng)物模型相比嚙齒類動(dòng)物具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，由于一些限制，創(chuàng)傷性腦損傷大型動(dòng)物模型研究還沒有像嚙齒類動(dòng)物一樣廣泛和深入，如果在嚙齒類動(dòng)物中篩選任何潛在的治療干預(yù)是成功的，那么建議可以在大型動(dòng)物模型中進(jìn)行進(jìn)一步的研究以證實(shí)其可行性，或許會(huì)增加這種治療干預(yù)在臨床實(shí)踐中成功轉(zhuǎn)化的效率。