腰痛相關(guān)動(dòng)物模型的研究進(jìn)展

李赫桐，勾禹，田發(fā)明，張柳,4*

(1. 華北理工大學(xué)附屬醫(yī)院骨科，唐山 063000； 2. 河北醫(yī)科大學(xué)研究生院，石家莊 050017；3. 華北理工大學(xué)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中心，唐山 063210； 4. 煤炭總醫(yī)院，北京 100028)

腰痛(low back pain，LBP)是腰部、腰骶部、骶髂或臀部疼痛的統(tǒng)稱，它是臨床高發(fā)且常見的多因素疾病[1]。LBP不僅導(dǎo)致醫(yī)療花費(fèi)巨大，還因?qū)е鹿ぷ鲿r(shí)間減少和效率下降造成直接或間接損失[2]。LBP致病因素多種多樣，大多由腰椎間盤退變、腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)損傷、肌肉筋膜炎癥或椎管狹窄等疾病引起，致病機(jī)制尚不明確[3-4]。目前的治療手段還不適用于大多數(shù)患者且只能緩解癥狀，療效差，復(fù)發(fā)率高[5-6]。隨著社會(huì)各界特別是醫(yī)學(xué)界對(duì)于LBP的重視，一些動(dòng)物模型已被開發(fā)出來用于研究和了解LBP的發(fā)病機(jī)制、探索預(yù)防及治療方法。目前腰痛模型的動(dòng)物選擇主要集中在大鼠、小鼠和兔，羊、豬等其他哺乳動(dòng)物模型較少[7-10]。本文按動(dòng)物種類進(jìn)行分類，結(jié)合不同腰痛誘因的造模方法做一綜述。

1 大鼠

大鼠是LBP研究中的常用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，大鼠椎間盤和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)在解剖結(jié)構(gòu)和生理生化上與人類高度相似，且大鼠體積大、方便解剖操作、對(duì)疾病抵抗力強(qiáng)，可選造模方式多，精確度良好[11-12]。大鼠最常用于建立椎間盤源性和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)源性腰痛模型。

1.1 椎間盤源性模型

椎間盤病變是引發(fā)腰痛的主要原因之一。大鼠椎間盤源性腰痛模型建立方式多樣。Kim等[13]采用腹側(cè)入路成功建立了大鼠椎間盤源性疼痛模型，該模型采用顯微外科鉆破壞L4-L5和L5-L6 椎間盤，同時(shí)去除髓核組織。術(shù)后9周，影像學(xué)顯示椎間盤高度降低，組織學(xué)發(fā)現(xiàn)椎間盤結(jié)構(gòu)破壞且炎癥細(xì)胞侵潤(rùn)，疼痛行為學(xué)測(cè)量顯示實(shí)驗(yàn)組痛覺計(jì)造成大鼠發(fā)聲的壓力值顯著下降。Hirata等[14]在大鼠第8和第10尾椎上安裝了一個(gè)體外彈簧壓縮裝置，它可以對(duì)兩尾椎的椎間盤施加額外的軸向應(yīng)力，用來模擬人的腰椎在不同負(fù)重和負(fù)重時(shí)間長(zhǎng)短下所產(chǎn)生的形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)的改變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著壓縮時(shí)間的延長(zhǎng)和軸向應(yīng)力的增加能顯著降低椎間盤高度，椎間盤內(nèi)凋亡細(xì)胞增多，退行性變也更加嚴(yán)重。此外，椎間盤源性腰痛也可通過椎間盤內(nèi)注射不同因子而被誘導(dǎo)，Lee等[15]采用26G針頭在L5-L6椎間盤內(nèi)注射10 μL弗氏佐劑(complete Freund’s adjuvant，CFA)成功建立一種椎間盤源性腰痛模型，他們發(fā)現(xiàn)CFA注射組大鼠雙側(cè)后爪撤退性閾值顯著下降，同時(shí)該模型也呈現(xiàn)出椎間盤退變的特征以及背根神經(jīng)節(jié)中疼痛介導(dǎo)因子顯著提高，證實(shí)腰痛動(dòng)物模型建立成功。

1.2 關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)源性模型

腰椎小關(guān)節(jié)炎是引起長(zhǎng)期慢性腰背部疼痛的另一項(xiàng)重要病因[16]，且發(fā)病機(jī)制不明。目前腰痛的臨床常規(guī)檢查對(duì)小關(guān)節(jié)病變的重視程度不高，且治療措施也較為有限，近年來在LBP基礎(chǔ)研究中，腰椎小關(guān)節(jié)源性腰痛逐漸成為了熱點(diǎn)。Kim等[17]建立了一種微創(chuàng)經(jīng)皮穿刺法誘導(dǎo)腰椎小關(guān)節(jié)炎模型，這是一種非開放性造模方法，它能成功引起腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面的損傷，來誘發(fā)關(guān)節(jié)炎相關(guān)的疼痛行為。在大鼠L3-L4、L4-L5、L5-L6關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)處利用21G套管針進(jìn)行定位，26G細(xì)針進(jìn)行小關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面的穿刺來完成此模型的建立，實(shí)驗(yàn)組大鼠軟骨表面和軟骨下骨出現(xiàn)嚴(yán)重退變，蛋白多糖被大量分解，整體痛閾降低，關(guān)節(jié)損傷數(shù)量越多，動(dòng)物表現(xiàn)出的疼痛反應(yīng)越大。Henry等[18]用改良手術(shù)鉗將大鼠L5-L6右側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)壓縮至1 mm持續(xù)3 min，術(shù)后觀察到大鼠痛覺敏感性升高，生化分析顯示TNF-α、IL-1α、IL-1β等炎性細(xì)胞因子升高，成功建立了一種新型腰椎小關(guān)節(jié)源性LBP模型。由此認(rèn)為，使用經(jīng)皮穿刺或體外加壓等物理誘導(dǎo)能夠制備一種新型關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)源性腰痛動(dòng)物模型。

化學(xué)物質(zhì)注射型關(guān)節(jié)炎模型一般是在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物關(guān)節(jié)腔內(nèi)直接注射化學(xué)藥物誘發(fā)骨性關(guān)節(jié)炎，由于性質(zhì)穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用[19-20]。Shuang等[21]將3 μL弗氏佐劑隨機(jī)注入大鼠L5-L6關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)一側(cè)，另一側(cè)注入3 μL生理鹽水作為對(duì)照，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)軟骨破壞嚴(yán)重，軟骨細(xì)胞減少，軟骨侵蝕缺損至軟骨下層，并伴有滑膜纖維化。Yeh等[22]采用關(guān)節(jié)腔注射膠原酶的方法建立了關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)炎模型，大鼠隨機(jī)分為4組，每組隨機(jī)選擇L3-L4至L5-L6三組關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)中的一組，第一組注射生理鹽水，剩下3組分別注射1U、10 U和50 U單位的膠原酶，左側(cè)關(guān)節(jié)作為對(duì)照組，結(jié)果顯示軟骨的變性、滑膜和軟骨下骨的改變程度與膠原酶劑量呈正比，同時(shí)軟骨細(xì)胞的凋亡率也顯著增加，證明膠原酶能成功誘導(dǎo)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)炎。Gong等[23]將121只實(shí)驗(yàn)組大鼠和49只對(duì)照組大鼠分別于L4-L5關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)注射碘化鈉和生理鹽水建立關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)炎模型，術(shù)后進(jìn)行組織學(xué)評(píng)估，測(cè)量后掌的機(jī)械性疼痛敏感性，證明碘化鈉注射可引起不同程度的關(guān)節(jié)軟骨退化和痛覺過敏，表明小關(guān)節(jié)注射化學(xué)物質(zhì)成功模擬了關(guān)節(jié)突骨關(guān)節(jié)炎造成的腰背部疼痛，證實(shí)小關(guān)節(jié)病理改變?cè)谘吹陌l(fā)生中具有重要作用。

1.3 神經(jīng)根源性模型

椎間盤經(jīng)過不同程度的退行性變后，其髓核可經(jīng)破裂的纖維環(huán)突出并刺激神經(jīng)根而引起LBP[24-25]。Zhang等[26]切除大鼠L5左側(cè)終板，顯露L5左側(cè)背根神經(jīng)節(jié)，在顯微鏡下于神經(jīng)外膜創(chuàng)建了一個(gè)2～3 cm的切口，之后取鼠尾椎髓核5 mg，覆蓋在L5背根神經(jīng)節(jié)處，術(shù)后觀察到與對(duì)照組相比，手術(shù)組大鼠在疼痛行為學(xué)上穩(wěn)定、活動(dòng)頻繁、易激惹、馬尾神經(jīng)傳導(dǎo)速度減慢，證明髓核對(duì)于神經(jīng)根的刺激是LBP的誘發(fā)因素。Cho等[27]用同樣的模型進(jìn)行了機(jī)械痛閾檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)大鼠機(jī)械痛閾明顯降低。Wang等[28]成功模擬了人在椎間盤突出時(shí)可能出現(xiàn)了神經(jīng)根壓迫性疼痛，其用微型硅膠球壓迫大鼠L5和C5神經(jīng)根，建立了“慢性神經(jīng)根損傷模型”，通過去除硅膠球，建立了“神經(jīng)根損傷減壓模型”。另一種方法是壓迫和炎癥共存建模，Vierck等[29]在大鼠胸椎硬膜外植入異物來模擬椎管狹窄引起慢性脊髓損傷誘發(fā)的LBP，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組大鼠痛覺敏感性顯著升高。

大鼠有著與人類高度相似的生理學(xué)和解剖學(xué)特性，而且其組織器官較大、可檢測(cè)的因子多，被廣泛用于建立各種臨床前模型，上述三大類模型為目前大鼠LBP最常見模型。

但筆者認(rèn)為，人與大鼠行為活動(dòng)方面差異顯著，大鼠椎間盤不直接承受其自身的重量，無軸向應(yīng)力，而脊柱是人的主要承重骨骼之一，人椎間盤需要負(fù)載人的一部分體重，對(duì)椎間盤的壓迫是個(gè)長(zhǎng)期的過程，短期機(jī)械性加壓大鼠椎間盤可能無法很好地解釋體重等因素對(duì)于椎間盤長(zhǎng)期施壓的時(shí)間相關(guān)性，所以此類模型可以用來研究單純椎間盤退變時(shí)體內(nèi)的生物學(xué)變化，但并不能模擬人的椎間盤負(fù)載，以及長(zhǎng)期軸向應(yīng)力所帶來的椎間盤退變的發(fā)展過程。

與相對(duì)成熟、研究透徹且造模方式多樣的椎間盤源性模型相比，絕大部分腰椎小關(guān)節(jié)炎造模方法都是使用化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行誘導(dǎo)，這種造模方法可用于研究小關(guān)節(jié)病變引起的腰痛發(fā)病機(jī)制、預(yù)防及治療方法，但是此類造模方法導(dǎo)致的小關(guān)節(jié)退變可能與人類小關(guān)節(jié)炎的病理生理機(jī)制不盡相同，因此對(duì)于小關(guān)節(jié)源性腰痛模型的建立還有待深入研究。

嚴(yán)格意義上講，對(duì)背根神經(jīng)節(jié)進(jìn)行干預(yù)后所獲得的疼痛模型與腰痛模型并不相同，但對(duì)其研究可以提供人類腰痛的不同治療思路。

2 小鼠

研究表明，小鼠尾椎椎間盤與人類椎間盤結(jié)構(gòu)與組成極為相似[30-32]，其多用于建立椎間盤源性和基因敲除腰痛模型。

2.1 椎間盤源性模型

Papuga等[33]通過兩個(gè)鈦針的植入，將小鼠第7～10尾椎椎骨呈特定角度彎曲，并通過四個(gè)壓縮彈簧使兩側(cè)椎骨慢性壓縮造成小鼠椎間盤退變，成功證明此模型可以引起骨髓水腫進(jìn)而引發(fā)慢性LBP。Court等[34]在小鼠第9和第10尾椎椎體中心插入兩根不銹鋼針，然后在鋼針一側(cè)施加應(yīng)力，使尾椎以特定角度彎曲并且產(chǎn)生一側(cè)的壓縮力，持續(xù)一周時(shí)間，結(jié)果顯示脊柱異常受力促進(jìn)了纖維環(huán)細(xì)胞的死亡，從而成功引起了椎間盤的退變。Ohta等[35]采用細(xì)針頭(29G)對(duì)小鼠的第9和第10尾椎椎間盤進(jìn)行穿刺，穿刺后8周和12周的組織學(xué)評(píng)分較穿刺前有顯著差異，椎間盤細(xì)胞凋亡率也顯著提高。石長(zhǎng)貴等[36]利用顯微手術(shù)刀穿刺小鼠L4-L5、L5-L6、L6-S1椎間盤，并去除部分髓核組織，術(shù)后小鼠機(jī)械性刺激縮爪閾值均顯著低于假手術(shù)組，且出現(xiàn)不同程度的痛覺過敏，表明小鼠椎間盤源性腰痛模型建立成功。

2.2 基因敲除模型

隨著近年來分子生物學(xué)的發(fā)展，基因技術(shù)的成熟給科研工作帶來了更多的便利。Millecamps等[37]用SPARC基因敲除小鼠進(jìn)行了腰背部慢性疼痛行為測(cè)量，結(jié)果顯示老齡SPARC突變鼠出現(xiàn)后背皮膚冷覺過敏，幼齡和老齡基因鼠與同齡野生型鼠相對(duì)比，均呈現(xiàn)出抓握力障礙及懸吊過程中靜止時(shí)間縮短的現(xiàn)象，提示SPARC突變鼠存在軸性腰痛。SPARC、Col9a1[38]、COL2[39]等基因缺失會(huì)直接損害軟骨的功能及結(jié)構(gòu)或直接誘導(dǎo)椎間盤退變進(jìn)而引發(fā)LBP。

擁有與人類基因99%相似度的基因特點(diǎn)，小鼠成為應(yīng)用最多的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，筆者認(rèn)為，在腰痛的研究中，小鼠體積小，脊柱、椎間盤、附屬的肌肉筋膜組織相對(duì)較小，物理?yè)p傷性造模例如針刺等需要相當(dāng)高的精確度，操作不當(dāng)會(huì)損傷周圍組織，影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。如需手術(shù)造模可盡量選擇體積相對(duì)大一些的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物如大鼠、兔、犬類。但近年來逐漸成為研究熱點(diǎn)的小鼠基因敲除模型可能解決此類問題，使用基因敲除的小鼠可以免去各種手術(shù)造模的風(fēng)險(xiǎn)，并且可控性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，一旦一種模型可持續(xù)性獲得后，對(duì)相關(guān)機(jī)制和防治藥物的研究有著非常積極的作用。

3 兔

兔作為常用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，體積大，方便取材，可反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)干預(yù)，有經(jīng)濟(jì)易得、操作簡(jiǎn)單、方便飼養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)[40]。在腰痛研究領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)兔常用來建立關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)退變模型和椎間盤退變模型。

吳存賢等[41]將兔L3-L6棘間、棘上韌帶及兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)外1/2切除，建立一種腰椎不穩(wěn)模型，創(chuàng)口愈合后，每天在背部施加1/10體重的異常應(yīng)力2 h，結(jié)果造模組兔腰椎間盤MRI影像出現(xiàn)椎間盤退行性變。為了觀察兔的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)在加載過量應(yīng)力后可能引起的關(guān)節(jié)炎變化，張繼業(yè)等[42]選用新西蘭白兔，對(duì)其L3-L4、L5-L6關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)加載了一個(gè)拉力彈簧，建立了一種高應(yīng)力模型來觀察兔腰椎小關(guān)節(jié)軟骨的退變，結(jié)果觀察到實(shí)驗(yàn)組兔小關(guān)節(jié)軟骨變薄，軟骨細(xì)胞顯著減少，軟骨形態(tài)不規(guī)則，出現(xiàn)了大面積的軟骨細(xì)胞壞死等組織學(xué)改變。除了小關(guān)節(jié)的病變，椎間盤的退變同樣可誘發(fā)LBP，Moss等[9]采用了常見的纖維環(huán)穿刺和髓核脫出來建立兔的椎間盤退變模型，帶18G針頭的注射器穿刺椎間盤5 mm，達(dá)到深度后使用注射器抽吸10 s，抽吸髓核組織，針頭推出可見膠凍狀髓核組織，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)此模型能成功誘導(dǎo)兔的椎間盤退變。Kwon 等[43]采用由以往開放手術(shù)造模改良的經(jīng)皮纖維環(huán)穿刺技術(shù)建立椎間盤退變模型，用一根18G的血管造影針在影像引導(dǎo)下對(duì)兔的L2-L3和L4-L5椎間盤纖維環(huán)進(jìn)行穿刺，L3-L4作為內(nèi)部對(duì)照組，4周后X線顯示，實(shí)驗(yàn)組兔相應(yīng)椎間盤高度顯著降低，成功誘發(fā)椎間盤退變。

實(shí)驗(yàn)兔關(guān)節(jié)病變過程中軟骨生化指標(biāo)與人類相似，且關(guān)節(jié)面寬取材量大，手術(shù)操作造模方便，在研究關(guān)節(jié)病變導(dǎo)致腰痛的病理進(jìn)程、軟骨生化代謝變化、篩選治療方法過程中具有重要意義。盡管目前兔模型尚未進(jìn)行直接的疼痛行為學(xué)研究，但筆者認(rèn)為體積較實(shí)驗(yàn)鼠大的實(shí)驗(yàn)兔，更便于研究人員觀察到小關(guān)節(jié)發(fā)生的病變而更好的研究因腰椎小關(guān)節(jié)炎癥引起的LBP。

4 其他哺乳動(dòng)物

近年來，犬、羊、豬等[44-47]大型動(dòng)物均開始被用于LBP發(fā)病誘因的研究，此類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體型大，造模難度較小，操作可以更加精細(xì)，更容易觀察到造模后的功能改變，但其經(jīng)濟(jì)性稍差，因此較少用于大樣本實(shí)驗(yàn)研究。

Hoogendoorn等[10]在羊椎間盤內(nèi)注射軟骨素酶誘導(dǎo)其退變，成功建立了羊椎間盤退變模型，并發(fā)現(xiàn)椎間盤退變程度與軟骨素酶的濃度正相關(guān)。Veres等[48]將羊腰椎節(jié)段分為三級(jí)，每一級(jí)屈曲7°～10°，然后在這些脊柱節(jié)段的下緣注入膠體直到椎間盤發(fā)生破裂；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明脊柱彎曲角度越大，纖維環(huán)更容易發(fā)生破裂以至引起椎間盤突出。Kawchuk等[49]用微型液壓器對(duì)幼豬L3-L4進(jìn)行軸向加壓，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組纖維環(huán)發(fā)生明顯的病理改變，椎間盤內(nèi)環(huán)膨出較大，外環(huán)膨出較?。淮四Ｐ陀兄趲椭斫庠谘挡煌瑝毫ο伦甸g盤的各種病理學(xué)改變。Kobayashi等[50]利用夾子對(duì)犬L7神經(jīng)根進(jìn)行壓迫，分別壓迫1周或3周，發(fā)現(xiàn)由于椎間盤突出或椎管狹窄造成神經(jīng)根受壓所導(dǎo)致的功能障礙并不局限于壓迫部位，而是隨軸突反應(yīng)延伸到腰椎內(nèi)的其他運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。雖然這些模型目前尚未評(píng)價(jià)疼痛行為改變，未來的研究可能會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到關(guān)于LBP的研究上來。

大型實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型具有各自的優(yōu)點(diǎn)。犬類下肢負(fù)重多，和人類關(guān)節(jié)退變發(fā)病機(jī)制相似，更適應(yīng)于軟骨的力學(xué)研究及細(xì)胞生物學(xué)研究。羊體積大，利于獲得各種實(shí)驗(yàn)所需標(biāo)本。小型豬常用于關(guān)節(jié)內(nèi)手術(shù)方法的研究。但是大型動(dòng)物模型費(fèi)用昂貴，需要較大的飼養(yǎng)場(chǎng)地。

5 討論與展望

目前LBP模型動(dòng)物以大鼠和小鼠為主，其他動(dòng)物實(shí)驗(yàn)大多僅模擬脊柱退變，尚未進(jìn)行詳細(xì)的疼痛行為學(xué)研究，可能與缺乏有效的測(cè)量疼痛行為的方法有關(guān)。對(duì)于誘發(fā)腰痛的研究重點(diǎn)集中在椎間盤源性和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)源性上，造模方式大多以手術(shù)物理?yè)p傷和化學(xué)藥物注射為主，它們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)直接或間接破壞關(guān)節(jié)軟骨、損傷關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)或改變關(guān)節(jié)穩(wěn)定性來建立腰痛動(dòng)物模型，這些方法與人類關(guān)節(jié)退變這一慢性疾病的病理生理機(jī)制不盡相同；而且腰痛誘因遠(yuǎn)不止于此，未來的研究應(yīng)致力于增加誘發(fā)腰痛的疾病種類，減小動(dòng)物模型疼痛機(jī)制與人類腰痛機(jī)制的差異。

綜上所述，在尚未研究清楚腰痛發(fā)病機(jī)制前，動(dòng)物模型對(duì)未來研究至關(guān)重要。隨著對(duì)腰痛理解的深入，相信更接近于人體發(fā)病機(jī)制的新型動(dòng)物模型很快能被開發(fā)出來。