挫傷型脊髓損傷動(dòng)物模型制作方法研究進(jìn)展

姬笑顏 李含笑 劉西紡,2

(1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，咸陽 712046)(2.西安交通大學(xué)附屬紅會(huì)醫(yī)院神經(jīng)脊柱康復(fù)病區(qū)，西安 710054)

脊髓損傷是一種導(dǎo)致死亡率和傷殘率較高的疾病，能夠?qū)е虏煌潭鹊闹w癱瘓、感覺喪失、膀胱功能障礙等一系列的并發(fā)癥。脊髓損傷不僅影響個(gè)人的生活健康，而且給家庭和整個(gè)社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。脊髓損傷的生理病理機(jī)制非常復(fù)雜，目前尚未完全破解，建立可靠的動(dòng)物模型可用來積累經(jīng)驗(yàn)，從而提高和完善脊髓損傷的生理病理知識(shí)，降低脊髓損傷患者的發(fā)病率和死亡率。挫傷型脊髓損傷是一種急性的脊髓損傷、損傷時(shí)間短暫、損傷的外力與脊髓接觸的時(shí)間較短。挫傷型脊髓損傷動(dòng)物模型是最接近人類脊髓損傷的病理生理特點(diǎn)及變化規(guī)律的模型，具有較高的臨床科研價(jià)值。

1 挫傷型脊髓損傷實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的選擇和制作要求

1.1 動(dòng)物的選擇

目前，很多動(dòng)物可以用于制作脊髓損傷動(dòng)物模型，如嚙齒類的小鼠、大鼠，靈長(zhǎng)類的狨猴、獼猴、大猩猩以及豬、狗、羊等[2]。其中，靈長(zhǎng)類的獼猴和大猩猩因其與人類的解剖、生理、病理、基因等有較高的同源性最為理想，但因模型不穩(wěn)定、術(shù)中猝死率高及其成本較高且涉及動(dòng)物保護(hù)和倫理問題未能普遍應(yīng)用[3]。構(gòu)建動(dòng)物模型首先要符合實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蜅l件的要求，盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。目前，國(guó)內(nèi)外選擇較多的動(dòng)物為大鼠，其具有制作動(dòng)物模型造價(jià)低廉、種系內(nèi)純合度高、再生能力強(qiáng)、抗感染能力強(qiáng)、飼養(yǎng)管理方便等優(yōu)勢(shì)[4]。

1.2 制作要求

理想的脊髓損傷動(dòng)物模型制作方法具有以下特點(diǎn)[5-7]：①與臨床損傷相似，即制作的脊髓損傷模型與臨床患者相近，從癥狀、受傷機(jī)制等方面盡可能做到相似。②模型的可調(diào)控性，可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整損傷強(qiáng)度，復(fù)制出不同損傷程度脊髓損傷模型。③可重復(fù)性，即對(duì)脊髓損傷模型制作的關(guān)鍵步驟客觀化、定量化，使其可信度高、可實(shí)施性強(qiáng)，最好能模式化，這樣才能反映客觀問題。④經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，經(jīng)濟(jì)原因是我們值得關(guān)注的方面，我們應(yīng)盡可能地選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)用的動(dòng)物模型。

2 挫傷型脊髓損傷的造模方法及裝置研究進(jìn)展

2.1 重物墜擊法

Allen[8]于1911年最先提出了重物墜擊法(weight-dropping，WD)制作脊髓損傷模型。該方法是使用重錘從一定的高度自由降落，撞擊脊髓，這項(xiàng)技術(shù)后來被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)性脊髓挫傷損傷模型[9]。該方法可通過控制重物的高度和質(zhì)量來限定打擊力度的大小，從而制造出不同程度的脊髓損傷。此外，還可以通過限定撞擊脊髓節(jié)段來制作出不同脊髓節(jié)段和不同類型的脊髓損傷。

Gruner等[10]于1992年首次描述了脊髓損傷的過程，包括在目標(biāo)水平上進(jìn)行椎板切除和通過夾具使脊髓穩(wěn)定。其在Allen的基礎(chǔ)上制作了NYU(New York University device)撞擊器，運(yùn)用一根10 g的棒，從脊髓表面上以精確的高度落下，以誘發(fā)脊髓損傷。優(yōu)勢(shì)在于可以控制碰撞的速度、組織位移從而控制損傷參數(shù)，是一種標(biāo)準(zhǔn)化的脊髓損傷模型制作儀。后更名為MASCIS(multi-center animal spinal cord injury study)沖擊器，經(jīng)過不斷的更新于2012年推出了包括數(shù)據(jù)記錄和電磁質(zhì)量釋放的沖擊器，被廣泛應(yīng)用，BBB評(píng)分[11-12]顯示MASCIS沖擊器制作的脊髓損傷模型是可復(fù)制的，可用于不同研究人員之間的信息交換[13]。楊棋等[14]運(yùn)用NYU撞擊器，制作出輕、中、重脊髓挫裂傷模型，且很好地復(fù)制了大鼠脊髓挫傷模型，穩(wěn)定可靠且重復(fù)性好。

Khan等[15]在WD法的基礎(chǔ)上研發(fā)了一種在磁性底座上附著相應(yīng)的動(dòng)物夾、換能器、墊片和重物等。磁性底座可移動(dòng)，可靈活的進(jìn)行造模的脊髓損傷的操作和動(dòng)物調(diào)節(jié)與固定。Wilson等[16]改良了WD法在成年羊中構(gòu)建脊髓損傷模型，通過植入電極檢測(cè)了脊髓損傷后電生理各項(xiàng)指標(biāo)變化情況。Falconer等[17]根據(jù)WD法的技術(shù)要點(diǎn)設(shè)計(jì)了WD 儀，由機(jī)械部、電磁極部、電子操縱部、激光器與探測(cè)器、換能器及微機(jī)六部分組成，將大鼠四肢固定于手術(shù)臺(tái)，用立體定位儀固定頭部，頭部可靈活移動(dòng)，可調(diào)節(jié)脊髓位置。該裝置可全自動(dòng)化控制與記錄?？稍O(shè)定打擊距離，激光探測(cè)器可感知撞擊力最大的瞬間并能激活電磁極與換能器，將重物與墊片吸引開，避免二次損傷，確保了模型的一致性。于如同等[18]對(duì)WD法從打擊點(diǎn)、打擊時(shí)間、打擊高度進(jìn)行了改進(jìn)，研制出了能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)、瞬時(shí)、定點(diǎn)、定高打擊，操作簡(jiǎn)單，靈活方便，不受人為因素干擾，精確度高的新型電控大鼠脊髓損傷打擊裝置。WD 法具有[19]：①可通過控制重物質(zhì)量和墜落高度來調(diào)節(jié)能復(fù)制出不同程度的脊髓挫傷模型。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損傷區(qū)域，防止脊髓外露與腦脊液外漏。③獲得的模型同實(shí)際情況較類似，能夠模擬出實(shí)際中的情況，如早期的組織水腫、壞死和出血等的優(yōu)勢(shì)。但其存在打擊力度不均勻，無法進(jìn)行定量分析；在撞擊脊髓時(shí)，由于重物不能及時(shí)離開可能會(huì)對(duì)脊髓造成壓迫易造成二次損傷；撞擊脊柱與脊髓時(shí)會(huì)發(fā)生移動(dòng)或偏轉(zhuǎn)而造成損傷的區(qū)域與程度均有所不同等情況[20-21]，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

2.2 PSI-IH脊髓打擊器

PSI-IH脊髓打擊器(precision systems and instrumentation-IH spinal cord impactor)是[22]由University of New Jersey公司研發(fā)的一種專門用于大鼠醫(yī)學(xué)研究的脊髓挫傷裝置。PSI-IH脊髓打擊器裝置利用力控沖擊器而不是失重高度或組織移位造成損傷。步進(jìn)電機(jī)與外部計(jì)算機(jī)接口，用于控制沖擊力。在要損傷的脊髓節(jié)段進(jìn)行椎板切除后，通過帶有不銹鋼打擊器快速打擊暴露的脊髓背部，立即上抬撞頭，避免對(duì)脊髓造成擠壓傷。其附著的傳感器會(huì)直接測(cè)量撞擊器和脊髓組織之間的力，使在造模時(shí)的誤差降到最低，當(dāng)達(dá)到預(yù)定閾值時(shí)，端部自動(dòng)抽離。該裝置可通過計(jì)算機(jī)軟件記錄探頭打擊瞬間的力位移曲線變化。陳月娟等[23]運(yùn)用該打擊器制作出輕、中以及重?fù)p傷模型，且BBB評(píng)分[11-12]和組織學(xué)檢查顯示該方法是較為可靠的人類脊髓損傷動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該裝置具有易控制脊髓損傷程度，計(jì)算機(jī)可準(zhǔn)確記錄組織撞擊后的位移程度及力量大?。痪哂袘?yīng)用廣泛，造模精確性、可靠性及重復(fù)性好，操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但該裝置不能持續(xù)擠壓，無法完全模擬脊髓損傷的臨床病理改變，且在夾固脊柱時(shí)易損傷脊柱的缺點(diǎn)。

2.3 電磁打擊器

電磁打擊器是通過步進(jìn)電機(jī)、計(jì)算機(jī)、 傳感器及脊柱磁夾固定的應(yīng)用，打擊器能精確控制打擊力度[24]。俄州立大學(xué)于1987年研發(fā)了應(yīng)用于大鼠的電磁脊髓損傷裝置(OSU impactor)，該裝置于1992年改進(jìn)提高了損傷的可重復(fù)性[25]。2000年被修改用于小鼠脊髓損傷的研究[26]。該裝置使用計(jì)算機(jī)反饋控制的電磁打擊器。當(dāng)觸發(fā)時(shí)，探頭接觸并置換電線以提供復(fù)制起點(diǎn)。儀器將電源線壓縮到預(yù)定距離，時(shí)間固定避免重復(fù)打擊。Pearse等[27]運(yùn)用該裝置來誘導(dǎo)脊髓移位性損傷，建立了大鼠頸脊髓挫傷損傷模型，通過組織學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)定表明該裝置造模效果良好。該裝置得到了徹底的驗(yàn)證，并被證明能在大鼠身上產(chǎn)生可靠的分級(jí)損傷，其生物力學(xué)、行為和組織學(xué)結(jié)果可通過置換距離的選擇預(yù)測(cè)[28-29]。但該裝置存在夾持固定時(shí)易出現(xiàn)脊髓移位，難以確保脊髓和沖擊器的零距離接觸[30]。

2.4 氣槍打擊器

氣槍打擊器是2012年由Marcol等[31]開發(fā)的一種新型脊髓挫傷裝置。它可以在不直接接觸神經(jīng)組織和不產(chǎn)生腦膜損傷的情況下產(chǎn)生明確的、分級(jí)的脊髓損傷。它是一種采用精密的壓入式氣槍作為損傷因素來造成脊髓損傷。氣槍打擊器具有：①在計(jì)算機(jī)控制模塊的幫助下精確控制傷害力。②無需切除椎體骨的制備。③腦膜連續(xù)性未受影響。④腦脊液無損失。⑤所制作的脊髓損傷動(dòng)物模型可復(fù)制和分級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)對(duì)此模型作行為評(píng)分時(shí)，不同損傷程度的模型沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因此對(duì)損傷的量化需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語

制作動(dòng)物模型的最終目的是為了產(chǎn)生一個(gè)一致的、易復(fù)制的且可分級(jí)的損傷，實(shí)現(xiàn)對(duì)人類脊髓損傷病理的有效模擬。目前，在研究挫傷型脊髓損傷的動(dòng)物造模中，已有很多造模方法，但每種造模方法都有其局限性。而商品化的脊髓損傷模型儀器有NYU打擊器和PSI-IH打擊器，氣槍打擊器是近年來較新的儀器，使用該儀器構(gòu)建的動(dòng)物模型在各方面與人類脊髓損傷較相近，但仍需進(jìn)一步的量化改進(jìn)很研究?，F(xiàn)在，沒有一種脊髓損傷造模方法能夠完全模仿人類脊髓損傷的機(jī)制及功能恢復(fù)。制造出一種與臨床相近的、可靠的、標(biāo)準(zhǔn)的、可調(diào)控的且重復(fù)性高的造模方法，是未來我們需要繼續(xù)努力的方向。