大鼠腦缺血模型致不同類型行為學特點及其與梗死體積關系的研究

張乾，毛善平，李濤，周琴，譚杰

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論著·基礎

大鼠腦缺血模型致不同類型行為學特點及其與梗死體積關系的研究

張乾，毛善平，李濤，周琴，譚杰

目的 分析線栓法制作大鼠大腦中動脈阻塞(MCAO)腦缺血模型不同類型的行為學特點，以及行為學表現與腦梗死體積之間的關系。方法 成年雄性SD大鼠101只，線栓法制作MCAO腦缺血模型，栓塞100 min后再灌注，術后24 h進行磁共振成像(MR)掃描確定梗死部位及梗死灶體積。根據腦梗死部位不同將大鼠分為：皮質梗死組(CIG，n=51)、皮質下梗死組(SIG，n=24)和無梗死組(NIG，n=26)。采用前肢使用不對稱測試、前肢放置測試和神經功能缺損程度(NSS)評分等多種行為學評價方法，評價各組大鼠MCAO術后第2天的神經功能缺失癥狀。并分析不同行為學特點與梗死體積之間的關系。結果 在前肢使用不對稱測試中，CIG組、SIG組分別與NIG組有統計學差異(q=3.72、3.28，P<0.05)，而CIG組、SIG組之間無統計學意義(q=0.44，P>0.05)；在肢體放置測試與NSS評分中，CIG組與SIG組、NIG組之間均有顯著的統計學差異(q=10.28、12.02；11.48、11.98，P<0.01)，而SIG組與NIG組之間均無統計學差異(q=1.74、0.50，P>0.05)。CIG組、SIG組大鼠的腦梗死體積大小與前肢使用不對稱、肢體放置、NSS這3種行為學表現之間均無相關性(CIG組：r=-0.087、0.243、-0.226；SIG組：r=0.279、0.010、0.110，P>0.05)。結論 制作大鼠MCAO模型可以出現不同的梗死類型，各種類型的行為學表現特點也不完全一樣，出現這種差異可能與梗死灶體積的大小無關，而與梗死類型有關。

大腦中動脈阻塞模型；大鼠；類型；行為學；腦梗死體積

制作局灶性腦缺血動物模型有許多種，其中線栓法造成短暫性大腦中動脈阻塞(middle cerebral artery occlusion，MCAO)是研究大鼠局灶性腦缺血普遍使用的模型制作方法[1，2]。自1986年Koizumi等[3]和1989年Longa等[1]分別采用血管內線栓法可逆性地阻斷大鼠大腦中動脈制成腦缺血再灌注損傷模型后，由于它的可重復性、可靠性以及與人類腦血管疾病的癥狀具有很大的相似性等特點，至今仍得到廣泛的應用。但是由于種種原因, 包括線栓阻塞時間的長短、手術過程、動物種系以及缺血后觀察時間等使制作大鼠腦缺血模型的類型存在一定差異[4]，另外加上各種行為學評價方法的側重點也不同，因而可能導致實驗結果變得更加復雜難以分析，實驗結果出現偏差。本實驗在控制相同的實驗操作、實驗條件下，選擇相同種系一定體質量的大鼠，在同一時間點觀察鼠單側大腦中動脈腦缺血100 min后再灌注的腦梗死類型的行為學特點與梗死灶體積之間的關系，報道如下。

1 材料與方法

1.1 材料 (1)實驗動物：成年健康SPF級雄性SD大鼠101只，體質量約300 g，2.5月齡，購自武漢大學動物實驗中心。大鼠術前飼養于武漢大學人民醫院實驗動物中心標準飼養籠里，5只/籠，飼養室通風良好，并維持23℃恒溫，濕度45%～55%，光照周期12 h開/12 h關，所有大鼠飼養在干凈的塑料籠具里，墊料、飲用水及食物均經過滅菌處理，自由進食、取水[5]。(2)主要試劑和儀器設備：麻醉用水合氯醛由中國醫藥上海化學試劑公司生產。尼龍線栓購至北京沙東生物技術有限公司。Biospec4.7/30超導磁共振成像儀由中國科學院武漢物理與數學研究所的波譜與原子分子物理國家重點實驗室提供。數碼攝像機DCR-SR100E由日本索尼公司生產。

1.2 實驗方法及分組 (1)MCAO動物模型的制作：參照Zea Longa[1]的線栓造模方法，并進行部分改良[6]。術中及術后保持室溫25℃左右，用白熾燈照射動物以維持其直腸溫度在(37±1)℃，直到恢復活動[7]。(2)磁共振(MR)掃描、分組、梗死體積計算: 在MCAO術后24 h，將所有大鼠在Biospec4.7/30超導磁共振成像儀進行MR掃描。大鼠經麻醉后(5%水合氯醛，0.65 ml/100 g，腹腔注射[8])進行腦部T2加權成像(T2WI)掃描，具體參數如下：TR/TE=3 000/20 ms，6回波，FOV=3.5 cm×3.5 cm，切片厚度=0.8 mm，切片間距=0.8 mm，相鄰兩層中心距離=1.6 mm，矩陣=128×128，NA=1。第一張切片從嗅球起始部(前囟前5.5 mm[9])開始。

根據大鼠在MCAO后24 h進行MR掃描結果分為3組[9]：皮質和基底節區梗死(cortical-basal ganglia infarction group，CIG組)51例、皮質下基底節區梗死(subcortical infarction group，SIG組)24例，無梗死(non-infarction group，NIG組)26例。

大鼠MCAO后梗死體積利用類似微積分的方法，先在MR上測量出每個層面上的面積，再用面積之和乘以相鄰2個層面的距離即可得腦梗死體積大小，其公式如下：V=∑Si×L (注：V=腦梗死體積，Si=各層梗死面積，L=相鄰兩層中心距離)。

1.3 觀測內容

1.3.1 行為學測試(behavioral tests): 用前肢使用不對稱測試、肢體放置測試評價3組大鼠的感覺運動功能。所有的行為學測試通過盲法，即由不清楚分組的其他人員在MCAO術后第2天進行。(1)前肢使用不對稱測試(forelimb use asymmetry test)： 用于評價大鼠在自發探索性活動中前肢使用的不對稱性[10]。此項目是測試大鼠活動時前肢使用的不同比率情況，一般情況下左前肢的使用率略高于右上肢。具體方法如下：用錄影機監控大鼠在一個透明圓柱體(直徑20 cm、高30 cm)內活動3～10 min過程中的前肢使用狀況，觀察時間取決于其運動活躍度，在圓柱體旁邊以一定角度放置兩面鏡子，當大鼠轉身背對鏡頭時也能觀察到其前肢的運動情況[11]。采用盲法，即由另1名實驗者利用錄影帶慢放和停放功能記錄大鼠的活動狀況。大鼠的行為表現分為如下2種形式：①大鼠用雙后肢完全直立時，單獨使用左前肢或右前肢接觸圓柱體壁，以完成其身體移動的動作，或通過側移在身體直立狀態下重新找回其重心；②在使用后肢完全直立時，雙前肢同時接觸圓柱體壁，或者沿著圓柱體壁做側移動作，行為評分方法如下[12]：未損傷(右側)前肢的觸壁次數占雙前肢觸壁總數的百分比(I)，損傷(左側)前肢的觸壁次數占雙前肢觸壁總數的百分比(C)，雙前肢同時(或幾乎同時)觸壁的次數占總觸壁次數的百分比(B)。單肢使用不對稱計算公式為：前肢使用不對稱指數=[I / (I+C+B)]-[C / (I+C+B)]。(2)肢體放置(limb placemen test)：評價大鼠前肢和后肢對觸覺和本體感覺刺激的感覺運動整合能力，共包括7個測試項目[13]：①大鼠懸在桌面上方10 cm處，正常情況下，兩側前肢撲向桌面；②大鼠正對桌子，前肢放在桌緣，每側前肢被輕輕拉下，觀察其重返及放置情況。正常情況下，大鼠可將前肢重新放在桌緣；③保持大鼠頭上抬45°，以防止大鼠看見或通過胡須感觸到桌子，其余步驟同上；④將大鼠沿桌緣放在桌邊，觀察其前肢的側放能力；⑤將大鼠沿桌緣防在桌邊，觀察其后肢的側放能力；⑥大鼠正對桌子，后肢放在桌緣，每側后肢被拉下，然后向桌緣輕推；⑦大鼠前肢放在桌緣，從后朝桌緣輕推大鼠，正常大鼠抵抗這種推力，而受傷大鼠不能保持抓握，受損前肢從桌邊滑落。評分標準為：不能正常完成(0分)，不完全或遲疑(>2 s)完成(1分)，迅速正確完成(2分)。

1.3.2 神經功能缺損程度(neurological severity score，NSS)評分： 評價大鼠肢體的運動功能和身體的平衡感覺[14，15]，其評價包括2項：(1)運動測試。大鼠提尾懸空，前肢屈曲得1分、后肢屈曲得2分、30 s內大鼠頭與其身體縱軸角度>10°得3分；將大鼠放在地面，正常行走為0分、無法沿直線行走為1分、朝癱瘓側轉圈為2分、倒向癱瘓側為3分。(2)橫木平衡測試。姿勢穩定保持平衡(0分)；抓住橫木的邊緣(1分)；抱住橫木，一側肢體從橫木上滑落(2分)；抱住橫木，兩側肢體均從橫木上滑落，或在橫木上旋轉>60 s(3分)；嘗試保持平衡，但從橫木上跌落>40 s(4分)；嘗試保持平衡，但從橫木上跌落>20 s(5分)；未嘗試在橫木上保持平衡或未試圖緊緊抓住橫木<20 s(6分)。總共12分，分值越高表明損傷越嚴重。

1.4 統計學方法 采用SPSS 17.0軟件進行統計學分析。計量數據以均數±標準差表示，比較采用方差分析或LSD檢驗，采用Spearman相關分析，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 行為學特點 (1)前肢使用不對稱測試：發現CIG、SIG組大鼠對健側肢體的使用率均高于NIG組。ANOVA分析發現組間比較有顯著性差異(F=13.776，P<0.01)；LSD法進行兩兩比較：CIG、SIG組分別與NIG組比較均有統計學差異(q=3.72、3.28，P<0.05)，而CIG、SIG組之間比較無統計學差異(q=0.44，P>0.05)，說明CIG、SIG 2組大鼠對右側肢體的依賴性均較高，且對左側(患側)肢體的使用頻率下降。(2)肢體放置測試發現：CIG組大鼠肢體放置測試分值明顯低于其他2組，且SIG和NIG組測試分值非常接近。ANOVA分析發現組間有顯著性差異(F=24.059，P<0.01)；LSD法進行兩兩比較：CIG組與SIG、NIG組比較均有統計學差異(q=10.28、12.02,P<0.01)，而SIG組與NIG組比較無統計學差異(q=1.74,P>0.05)。說明CIG組大鼠前肢和后肢對觸覺和本體感覺刺激的感覺運動整合能力較差，而SIG組的這些能力在缺血再灌注后2 d內就自行恢復得與NIG組無差異。(3)NSS評分：CIG組大鼠NSS評分明顯高于其他2組，且SIG和NIG組得分非常接近。ANOVA分析發現組間有顯著性差異(F=34.875，P<0.01)；LSD法進行兩兩比較： CIG組與NIG組比較差異有統計學意義(q=11.98，P<0.01)，CIG與SIG組比較差異有統計學意義(q=11.48，P<0.01)，而SIG組與NIG組比較無統計學意義(q=0.50，P>0.05)。說明CIG組大鼠神經功能缺損程度較嚴重，而SIG組大鼠的運動功能和平衡覺在缺血再灌注后2 d內可自行恢復，與NIG組差異無統計學意義。見表1。

注：與NIG比較，aP<0.05,bP<0.01，與SIG比較，cP<0.01

2.2 行為學與梗死體積的關系 CIG組為腦梗死體積(176.1±53.1)mm3，SIG組(86.0±25.2)mm3，因資料不滿足雙變量正態分布，采用Spearman相關分析。將CIG與SIG組大鼠的腦梗死體積大小與行為學表現進行直線回歸分析(見圖1)。CIG、SIG組大鼠的腦梗死體積大小與前肢不對稱、肢體放置、NSS這3種行為學測試的結果之間均無相關性(CIG組：r=-0.087、0.243、-0.226；SIG組：r=0.279、0.010、0.110，P>0.05)。說明2組大鼠行為學表現可能均與腦梗死體積大小無關。見圖1。

3 討 論

3.1 影響大鼠腦缺血模型不同類型的因素 從實驗結果中可以看出用線栓法建立大鼠MCAO腦缺血再灌注模型，可有皮質梗死及基底節區均梗死和僅有皮質下基底節區梗死2種類型，2005年Wegener等[16]也觀察到MCAO法制作的Wistar大鼠60 min腦缺血模型在MR下表現為2種不同的類型：(1)皮質下梗死：損傷部位局限在皮質下的尾殼核；(2)皮質梗死：損傷部位包括了尾殼核以及皮質。Rosell等[17]用缺血30 min和缺血120 min分別誘導出輕癥(基底節區)和重癥(皮質及基底節區)的梗死，他們認為出現這些結果可能是腦梗死與距離再灌注的時間不一樣造成的，時間越長，造成的腦梗死范圍越廣。而我國學者管玉青等[18]在大腦中動脈缺血120 min后再灌注同樣也造成了不同范圍的腦梗死，他們認為MCAO模型中梗死的范圍并非只由血流中斷時間決定，而線栓頭端的位置和實驗動物本身的腦血管代償狀態可能是決定梗死范圍大小的關鍵因素。也有學者認為是由于腦血流下降的程度不同造成的，他們在造模時使用多普勒血流監測進行判斷，當血流降到基礎值的10%～20%即認為造模成功，但在他們的研究中，仍然發現了皮質梗死和皮質下梗死2種類型的腦梗死[19，20]。因此，多普勒血流監測似乎對避免皮質下梗死的形成沒有幫助。在我們先前的研究中也發現[21]，在MCAO后100 min進行再灌注，也發現了這幾種不同的梗死類型，而且還發現這一結果與線栓的插入深度有關，線栓插入越深，皮質梗死的幾率越大，可能造成的腦梗死的范圍也越大。所以短暫MCAO法造模可以出現不同的類型，這可能是腦缺血時間、線栓插入深度及大鼠自身的血管差異等因素的綜合結果。但是我們在既往的實驗中還發現了僅累及皮質的梗死類型，但數量極少[9]，尚不能分析其形成原因，還有待于進一步研究。

注：A、B、C為CIG組；D、E、F為SIG組

3.2 大鼠腦缺血模型不同類型的行為學特點 Wegener等[22]在實驗中發現，2種不同梗死類型的行為學表現不同，皮質梗死大鼠的神經功能缺損較皮質下大鼠明顯嚴重，在他們認為導致這種差異的原因可能是由于線栓栓塞位點的側支循環或者殘余的血流灌注，使得缺血性損傷的嚴重程度不足以引起神經纖維損傷，因此未出現相應的神經功能缺失癥狀。我們在先前的究中也發現了皮質下梗死組大鼠的神經功能缺損可以在短期內即可恢復[9]，這可能是因為在MCAO后腦缺血導致皮質興奮性喪失和皮質下區軸突傳導阻滯使得錐體運動功能迅速喪失，而再灌注可以逐漸使軸索的傳導功能得以恢復，而運動障礙依然存在的原因在于運動皮質區電活動衰竭后突觸傳導功能缺失[23]。但是這一現象的具體機制尚需進一步研究探討。

正是因為在制作MCAO模型中存在著不同的類型，而各種類型的行為學表現也不一樣，因此研究者在實驗過程中的處理方式也不一樣，有的研究者對MCAO模型的動物直接進行各種干預實驗研究[24]，這樣就會因為皮質下梗死大鼠的神經功能缺損自行恢復而有可能影響實驗結果；有的學者對MCAO模型進行區分后直接選取皮質梗死的動物進行實驗[25]，這樣雖然避免了假陽性結果的出現，但實驗的代價明顯增高。而從我們本次的實驗結果可以看出，由于行為學各種評價方法本身的側重點不同，其實驗結果也會不一樣，所以在研究中可以根據自己的實驗要求來區別對待。前肢使用不對稱測試是評價雙前肢在活動中使用前肢的不同情況，大鼠在正常情況下，左前肢的使用略多于右前肢，在造成右側腦梗死后，左前肢的活動明顯減少[10，11]。我們發現CIG、SIG 2組大鼠在梗死后均使用右側(健側)肢體，而對左側(患側)肢體的依賴較少，使用這種評價方法來測試MCAO大鼠的前肢活動情況可以不用區分造模后腦梗死的類型。肢體放置測試是評價大鼠癱瘓側前肢和后肢對觸覺和本體感覺刺激的感覺運動整合能力[13]，NSS評分是評價大鼠的運動和整體平衡能力[14，15]。在這2種測試方法中，我們都發現在CIG組與NIG、SIG組之間均有統計學差異，而SIG組與NIG組之間均無統計學差異，說明CIG組大鼠神經功能缺損程度較嚴重，其癱瘓肢體的運動、感覺、平衡能力一直沒有恢復，而SIG組大鼠的這些能力可自行恢復，與NIG組無差異。因此在實驗中用2種行為學方法來評價干預措施的效果時，有必要篩選出皮質梗死的大鼠來進行，以避免皮質下梗死大鼠自身的特點對實驗結果的影響。

3.3 行為學與梗死體積的關系 大多數學者認為大鼠腦梗死體積越大，導致的神經功能缺損也越嚴重，其行為學表現也不一樣，可能會因為腦梗死體積不一樣而影響實驗結果。但是在本實驗中的3種行為學評價方法中，我們分別對2種類型大鼠的行為學表現與其梗死體積大小之間進行相關分析，發現均沒有統計學意義，說明這3種方法的行為學表現可能與梗死體積大小無關，僅與大鼠的梗死類型有關。因此，在某些實驗研究中，利用這3種方法來評價干預措施對各類型腦梗死的效果時，可能不需要考慮梗死體積的大小。

綜上，本實驗在利用改良的MCAO模型進行研究中，發現了各種不同梗死類型的模型，并且利用3種方法對其行為學表現進行了初步評價。結果表明在肢體不對稱測試中發現皮質梗死與皮質下梗死大鼠的表現一致，而在肢體放置測試與NSS評價中，二者表現出了完全不同的行為學模式；并且還發現不同類型大鼠的這3種行為學表現可能與梗死體積的大小無關，而與腦梗死的類型有關，當然這點還需要進一步研究證實。因此，在今后利用MCAO模型進行各種干預措施的研究時，應該結合實驗的需要和行為學評價方法來決定是否有必要對模型的梗死類型進行區分。

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Study of behavioral characteristics of different types in the MCAO method and the relationships with the infarct volume in rats

ZHANGQian,MAOShanping,LITao,ZHOUQin,TANJie.*DepartmentofNeurology,ZhongshanHospitalofHubeiProvince,Wuhan430033,China

Correspondingauthor:TANJie,E-mail:642548152@qq.com

Objective To analyze the behavioral characteristics in the different types of cerebral ischemia in rats after middle cerebral artery occlusion (MCAO) method by inserting a nylon filament and the relationships between behavioral performance and the size of infarct volume.Methods 101 male SD rats were used in this study. The MCA were blocked by a nylon filament and reperfusion after 100 minutes. To determine the site and the volume of infarction, MRI scan were performed in each rat 24 hours after the surgery. The rats were divided to three groups that cortex basal ganglia infarction group (CIG,n=51), sub cortical infarction group (SIG,n=24) and non-infarction group (NIG,n=26) according to the MRI scan results. The behavioral tests, including forelimb use asymmetry, limb placement tests, and neurological severity score (NSS) were used to evaluate the neurologic deficits at the second day after the MCAO surgery.Results In the forelimb use asymmetry test, there was difference between CIG and NIG (q=3.72,P<0.05), and this difference also existence between SIG and NIG (q=3.28,P<0.05), but between CIG and SIG showed no difference (q=0.44,P>0.05). In the limb placement tests and the NSS tests, there was significant difference between CIG and NIG (q=12.02,q=11.98,P<0.01), also between CIG and SIG (q=10.28,q=11.48,P<0.01), at this time there was no significant difference between SIG and NIG (q=1.74,q=0.50,P>0.05). And in the CIG and SIG, there was no significant difference between the volume of infarction and the results of the three behavioral tests (r=-0.087,r=0.243,r=-0.226,r=0.279,r=0.010,r=0.110,P>0.05).Conclusion The MCAO method can appear different infarction types, and the behavioral characteristics are different in these types. This difference occurs may not be associated with the size of the infarct volume.

Middle cerebral artery occlusion;Rats; Types; Behavioral tests; Infarct volume

430033 武漢，湖北省中山醫院神經內科(張乾、譚杰)； 430056 武漢大學人民醫院神經內科(毛善平、李濤、周琴)

譚杰，E-mail:642548152@qq.com

10.3969 / j.issn.1671-6450.2015.06.002

2015-02-24)