腰椎間盤退變動(dòng)物造模研究進(jìn)展

柯建新，林境毅，蘇再發(fā)

（1.福建中醫(yī)藥大學(xué)，福建 福州 351022；2.福建中醫(yī)藥大學(xué)附屬泉州市中醫(yī)院，福建 泉州 362000）

腰椎間盤突出癥（lumbar disc herniation，LDH）已成為我國臨床常見多發(fā)疾病之一。目前認(rèn)為LDH基本病理改變?yōu)樽甸g盤的退變，然而椎間盤退行性變（intervertebral disc degeneration，IDD）的主要病因和其發(fā)病機(jī)制尚未明確，也無適宜的治療措施。動(dòng)物模型研究是應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)科技研究中的一種重要工具，針對特殊疾病而設(shè)計(jì)的動(dòng)物模型，本研究主要通過研究動(dòng)物發(fā)病機(jī)制與檢測驗(yàn)證診斷治療的有效性，在臨床研究中具有無法替代的優(yōu)勢和作用。制作和應(yīng)用動(dòng)物模型是研究LDH 發(fā)生機(jī)制和檢測各種治療是否有效的可靠手段之一，可靠的LDH動(dòng)物學(xué)模型為深入研究LDH的發(fā)病機(jī)理和治療方法提供有利條件，同時(shí)，也會(huì)給修復(fù)突出的椎間盤和探索性研究工作提供良好的科學(xué)試驗(yàn)載體。

1 試驗(yàn)動(dòng)物的選擇

IDD 動(dòng)物造模的手段和方法多種多樣，而選用的動(dòng)物與造模方法之間卻存在著顯著差異。動(dòng)物模型的選擇應(yīng)與人類存在相似性和可比擬性，主要包括以下因素[1]：①可直接再現(xiàn)IDD的客觀規(guī)律；②模型具有很強(qiáng)的重復(fù)性；③選擇的動(dòng)物在其解剖學(xué)和生理上的特征均盡可能地接近于人類。從動(dòng)物模型量化制造到實(shí)施的過程至今已經(jīng)走過了將近75年，近年來比較傾向用狗、羊、豬等傳統(tǒng)動(dòng)物制備動(dòng)物模型。靈長類動(dòng)物無論在進(jìn)化方式或解剖結(jié)構(gòu)方面來說均與人類最為相似，如恒河猴，是目前為止最理想的動(dòng)物模型，但由于經(jīng)濟(jì)方面的制約不能大量的應(yīng)用。目前最常用的是大鼠模型，飼養(yǎng)方便、價(jià)格便宜、繁殖迅速，最重要的是其椎間盤解剖結(jié)構(gòu)與人類椎間盤結(jié)構(gòu)極為相似。

2 造模方法的選擇

2.1 直接結(jié)構(gòu)損傷模型

2.1.1 纖維環(huán)損傷模型 纖維環(huán)模型是目前最常用的動(dòng)物模型。纖維環(huán)損傷模型通常采用手術(shù)或經(jīng)皮穿刺破壞纖維環(huán)結(jié)構(gòu)造成物理損傷。該模型通常為大體型的動(dòng)物，如豬、狗等。MASUDA 等[2]利用各種規(guī)格不同的穿刺針（16、18、21 g）在兔子的纖維環(huán)上進(jìn)行穿刺，開創(chuàng)一種可令MRI分級(jí)及椎間盤高度均有所下降的IDD 模型。將兩種不同尺寸和規(guī)格的針頭進(jìn)行對照，通過結(jié)構(gòu)學(xué)和影像圖形學(xué)的研究和觀察，以25 g針頭作為對照，21 g針頭所引起的椎間盤退變更加嚴(yán)重，且椎間盤突出的發(fā)生率與針頭的大小呈正比[3-4]。這種穿刺纖維致使結(jié)構(gòu)破壞的造模方法周期短、可行性高、操作簡易，但創(chuàng)傷大、易感染、損傷程度各異等缺點(diǎn)也很明顯。經(jīng)皮穿刺纖維法雖可彌補(bǔ)這方面的不足，但是盲穿難度大，需要C臂機(jī)進(jìn)行配合。

2.1.2 終板損傷模型 軟骨終板是椎間盤主要的一種營養(yǎng)源通道且能有效地保護(hù)椎體，避免在一定的壓力下自然地發(fā)生骨折而萎縮，而營養(yǎng)障礙是誘發(fā)IDD 的主要因素之一。該模型通常采用鉆孔方式破壞終板結(jié)構(gòu)，由椎體斜穿一個(gè)孔洞直達(dá)終板和髓核。HOLM等[5]通過穿刺家豬的椎體終板，3個(gè)月后在T2 加權(quán)像磁共振下發(fā)現(xiàn)纖維環(huán)水份和蛋白多糖含量明顯減少。KANG等[6]通過在小型豬的椎間盤終板上灌注骨髓泥發(fā)現(xiàn)IDD 顯著。該模型進(jìn)展速度快，退變程度深，但易損傷椎體形成骨贅，定位不易，且損傷大，病死率高。

2.1.3 化學(xué)損傷模型 CINOTTI 等[7-8]在兔腰椎間盤注射纖維連接蛋白片段，8～16 周后聚集蛋白聚糖和Ⅱ型膠原mRNA表達(dá)明顯下調(diào)。ZHOU等[9]注射5-溴脫氧尿核苷入羊椎間盤成功引起了IDD。該法比傳統(tǒng)的髓核化學(xué)溶解法時(shí)間更長、與人體IDD過程相類似，但可再現(xiàn)性仍待進(jìn)一步考察。

2.2 機(jī)械間接損傷型模型

2.2.1 機(jī)械應(yīng)力型模型 機(jī)械負(fù)荷是引起IDD 的重要因素之一。KROEBER等[10]通過定制的外部加壓裝置對兔腰施加軸向壓力，2 周后椎間盤呈現(xiàn)典型的IDD表現(xiàn)，4周后卸載裝置IDD呈不可逆狀態(tài)。BARBIR 等[11]使大鼠尾巴彎曲角度改變，且對大鼠尾椎加壓，一段時(shí)間后尾椎出現(xiàn)了退變性現(xiàn)象。張超等[12]使用聚氯乙烯管將實(shí)驗(yàn)用兔子雙腿固定于直立位，8 周后，MRI 顯示椎間盤高度指數(shù)下降，T2加權(quán)信號(hào)降低，證明IDD的程度與椎間盤應(yīng)力變化有關(guān)。該模型操作簡單、損傷小、易獲得，且高度類似人體正常行走的狀態(tài)，但所需時(shí)間長，成功率低，只能用于小型動(dòng)物。

2.2.2 椎體不穩(wěn)的造模 此類造模技術(shù)主要是通過使用手術(shù)方法損傷關(guān)節(jié)面或者棘突等所能支持的組織，反復(fù)不斷地對局部的脊柱和肌肉進(jìn)行一定的刺激，從而導(dǎo)致椎間盤受力不平衡達(dá)到IDD的方法。SCHOLLUM 等[13]利用手術(shù)橫向切除羊脊柱后部棘突等支撐性組織，模型組隨后即出現(xiàn)了椎間隙狹窄、髓核纖維化等IDD 的表現(xiàn)。呂存賢等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在兔腰椎功能不穩(wěn)60 d 后，椎間盤MRI 可顯示IDD 的現(xiàn)象，切片后可以顯示出纖維環(huán)斷裂、髓核突出、軟骨細(xì)胞壞死加劇、增多等進(jìn)一步的退變。此法未對椎間盤產(chǎn)生直接的損傷，但是實(shí)際操作中的難度高、損傷較大。

2.3 自發(fā)模型 SILBERBERG 等[15]最先描述了同人類IDD相似的沙鼠IDD。沙鼠以含鹽量較高的灌木為食，IDD有顯著的遺傳性。其中大多數(shù)18～30個(gè)月齡沙鼠在椎間盤內(nèi)可以同時(shí)發(fā)現(xiàn)纖維骨贅環(huán)囊性生長改變、裂隙和纖維骨贅囊性生長，并有纖維環(huán)膨出和髓核突入終板。沙鼠的飲食習(xí)慣（高鹽低水）一定程度影響了代謝情況，從而引起了IDD的發(fā)生，尤其特別是對于髓鞘單核細(xì)胞功能異常性的改變。MOSKOWITZ 等[16]臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，10%的沙鼠動(dòng)物細(xì)胞IDD 改變發(fā)生在3 個(gè)月，而50%的沙鼠動(dòng)物則可能會(huì)逐漸發(fā)生一次性細(xì)胞退化改變在5 個(gè)月。GRUBER 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，沙鼠的IDD 與年齡增長相關(guān)，對于研究老年人IDD 有一定的參考價(jià)值。

2.4 基因敲除模型 近年來，基因工程的深入研究為IDD 動(dòng)物造模提供新思路。在動(dòng)物微觀科學(xué)層面上對實(shí)驗(yàn)野生動(dòng)物個(gè)體基因進(jìn)行敲除或造模修飾檢測。唐淼等[18]發(fā)現(xiàn)，腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）可能引起IDD 的反射事件。STUDER 等[19]可利用白細(xì)胞介素（interleuki，IL）-6及其他的可溶性聚糖受體直接作用于1個(gè)離體的未成人細(xì)胞進(jìn)行降解退變細(xì)胞髓質(zhì)的核蛋白細(xì)胞組織，使位于退變細(xì)胞髓質(zhì)的核細(xì)胞蛋白組織中的降解聚糖細(xì)胞合成減少，降解髓核細(xì)胞數(shù)量增多，IL-1、前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）的聚糖合成也大幅增多。肌肉的指數(shù)、骨骼骨的數(shù)量與人體椎間盤的良性退變是否發(fā)生存在密切的相關(guān)性。但該方法操作難度大，且費(fèi)用高昂。

2.5 根性疼痛模型 IDD疾病發(fā)生時(shí)，突出的皮質(zhì)神經(jīng)根和髓根單核細(xì)胞會(huì)遭受壓迫延伸到人的神經(jīng)根，并由此引起炎癥應(yīng)激反應(yīng)，致使神經(jīng)性髓根性痛苦癥的產(chǎn)生。KALLAKURI等[20]研究通過把具有外源性的自體脂肪細(xì)胞組織或骨髓細(xì)胞核直接植入到一只成年大鼠的L5神經(jīng)的根旁，從而發(fā)現(xiàn)類似于其他成年人的根性疼痛，各神經(jīng)組間都可能存在熱痛覺，如過敏及其他神經(jīng)生理學(xué)的根性改變。炎癥時(shí)期與神經(jīng)細(xì)胞相關(guān)的IL-1β、IL-6與TNF-α的表達(dá)也會(huì)隨之改變。周渝等[21]研究應(yīng)用美國大鼠進(jìn)行自體神經(jīng)髓核移植后外加環(huán)扎神經(jīng)根治療的方式，近年來成功建立根性環(huán)扎神經(jīng)痛治療模型，成功有效地誘導(dǎo)癲癇患者出現(xiàn)機(jī)械痛覺敏感、痛覺過敏和痛覺超敏等多種臨床早期癥狀。該種控制方法對于機(jī)床操作者在精度上的要求很高，易產(chǎn)生神經(jīng)損傷，對動(dòng)物的檢測難度高，且難以區(qū)分為根性痛和骨質(zhì)性疼痛。

2.6 其他模型 ODA 等[22]通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓小白鼠每日抽煙8 h，8 周后小鼠的纖維環(huán)結(jié)構(gòu)紊亂、環(huán)內(nèi)軟骨細(xì)胞逐漸變大，IL-1β 水平明顯增高，說明每天吸煙8 h 的會(huì)使炎癥化學(xué)物質(zhì)的水平增加，從而改變了軟骨細(xì)胞功能。WANG 等[23]研究報(bào)告了大腦吸煙會(huì)影響小鼠脊髓椎間盤的退行性改變，指出長期飲酒后吸煙可以誘導(dǎo)細(xì)胞衰老、蛋白素多糖合成的減少和總蛋白素中多糖的含量下降，并且伴隨基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）活性的提高，椎體最大終板的孔隙程度與骨質(zhì)的流失程度有所增加。此外，在關(guān)節(jié)硬化期的小鼠模型[24]和糖尿病期的小鼠模型[25]中均可見有椎間盤軟骨終板上的細(xì)胞代謝功能障礙和骨化。

3 小結(jié)

IDD是隨著年齡的不斷增長而出現(xiàn)的復(fù)雜的退行性變化，以目前的情況而言，構(gòu)建完全與該退變相同的動(dòng)物模型十分困難。且動(dòng)物和人類的生活方式、解剖生理及病理差異使該模型更加復(fù)雜。IDD模型通常會(huì)造成椎間盤及附屬器件出現(xiàn)各種形態(tài)學(xué)的變化，使方法、變化程度及時(shí)間也不同。雖然，動(dòng)物造模所能提供的IDD 信息存在局限性，但相比于直接研究人類IDD時(shí)間要短得多，且更具有操控性和選擇性。

各種形式的直接損傷、機(jī)械間接損傷、自發(fā)型、基因敲除、根痛性及其他模型都會(huì)對椎間盤造成各種不同的影響，可依照不同的需求選擇合適的動(dòng)物模型。但由于IDD的復(fù)雜性，人類IDD的影響因素絕不止如此，而那些因素對IDD的影響還需更進(jìn)一步的研究。目前，隨著微創(chuàng)理念的融入，各種IDD動(dòng)物模型可操作性得到提高，且近年來分子生物技術(shù)和基因技術(shù)的應(yīng)用，推進(jìn)了IDD動(dòng)物造模的精確性，將為IDD動(dòng)物模型提供更廣闊的未來。