挫傷型脊髓損傷動物模型制作方法研究進展

姬笑顏 李含笑 劉西紡,2

(1.陜西中醫藥大學研究生院，咸陽 712046)(2.西安交通大學附屬紅會醫院神經脊柱康復病區，西安 710054)

脊髓損傷是一種導致死亡率和傷殘率較高的疾病，能夠導致不同程度的肢體癱瘓、感覺喪失、膀胱功能障礙等一系列的并發癥。脊髓損傷不僅影響個人的生活健康，而且給家庭和整個社會帶來巨大的經濟負擔[1]。脊髓損傷的生理病理機制非常復雜，目前尚未完全破解，建立可靠的動物模型可用來積累經驗，從而提高和完善脊髓損傷的生理病理知識，降低脊髓損傷患者的發病率和死亡率。挫傷型脊髓損傷是一種急性的脊髓損傷、損傷時間短暫、損傷的外力與脊髓接觸的時間較短。挫傷型脊髓損傷動物模型是最接近人類脊髓損傷的病理生理特點及變化規律的模型，具有較高的臨床科研價值。

1 挫傷型脊髓損傷實驗動物的選擇和制作要求

1.1 動物的選擇

目前，很多動物可以用于制作脊髓損傷動物模型，如嚙齒類的小鼠、大鼠，靈長類的狨猴、獼猴、大猩猩以及豬、狗、羊等[2]。其中，靈長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，但因模型不穩定、術中猝死率高及其成本較高且涉及動物保護和倫理問題未能普遍應用[3]。構建動物模型首先要符合實驗目的和條件的要求，盡量選擇標準化的實驗動物。目前，國內外選擇較多的動物為大鼠，其具有制作動物模型造價低廉、種系內純合度高、再生能力強、抗感染能力強、飼養管理方便等優勢[4]。

1.2 制作要求

理想的脊髓損傷動物模型制作方法具有以下特點[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、受傷機制等方面盡可能做到相似。②模型的可調控性，可根據實際需要調整損傷強度，復制出不同損傷程度脊髓損傷模型。③可重復性，即對脊髓損傷模型制作的關鍵步驟客觀化、定量化，使其可信度高、可實施性強，最好能模式化，這樣才能反映客觀問題。④經濟實用性，經濟原因是我們值得關注的方面，我們應盡可能地選擇經濟實用的動物模型。

2 挫傷型脊髓損傷的造模方法及裝置研究進展

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，這項技術后來被認為是標準的實驗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段來制作出不同脊髓節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，包括在目標水平上進行椎板切除和通過夾具使脊髓穩定。其在Allen的基礎上制作了NYU(New York University device)撞擊器，運用一根10 g的棒，從脊髓表面上以精確的高度落下，以誘發脊髓損傷。優勢在于可以控制碰撞的速度、組織位移從而控制損傷參數，是一種標準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，經過不斷的更新于2012年推出了包括數據記錄和電磁質量釋放的沖擊器，被廣泛應用，BBB評分[11-12]顯示MASCIS沖擊器制作的脊髓損傷模型是可復制的，可用于不同研究人員之間的信息交換[13]。楊棋等[14]運用NYU撞擊器，制作出輕、中、重脊髓挫裂傷模型，且很好地復制了大鼠脊髓挫傷模型，穩定可靠且重復性好。

Khan等[15]在WD法的基礎上研發了一種在磁性底座上附著相應的動物夾、換能器、墊片和重物等。磁性底座可移動，可靈活的進行造模的脊髓損傷的操作和動物調節與固定。Wilson等[16]改良了WD法在成年羊中構建脊髓損傷模型，通過植入電極檢測了脊髓損傷后電生理各項指標變化情況。Falconer等[17]根據WD法的技術要點設計了WD 儀，由機械部、電磁極部、電子操縱部、激光器與探測器、換能器及微機六部分組成，將大鼠四肢固定于手術臺，用立體定位儀固定頭部，頭部可靈活移動，可調節脊髓位置。該裝置可全自動化控制與記錄。可設定打擊距離，激光探測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WD法從打擊點、打擊時間、打擊高度進行了改進，研制出了能夠實現定時、瞬時、定點、定高打擊，操作簡單，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可通過控制重物質量和墜落高度來調節能復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域，防止脊髓外露與腦脊液外漏。③獲得的模型同實際情況較類似，能夠模擬出實際中的情況，如早期的組織水腫、壞死和出血等的優勢。但其存在打擊力度不均勻，無法進行定量分析；在撞擊脊髓時，由于重物不能及時離開可能會對脊髓造成壓迫易造成二次損傷；撞擊脊柱與脊髓時會發生移動或偏轉而造成損傷的區域與程度均有所不同等情況[20-21]，還有待進一步改進。

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公司研發的一種專門用于大鼠醫學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。步進電機與外部計算機接口，用于控制沖擊力。在要損傷的脊髓節段進行椎板切除后，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，避免對脊髓造成擠壓傷。其附著的傳感器會直接測量撞擊器和脊髓組織之間的力，使在造模時的誤差降到最低，當達到預定閾值時，端部自動抽離。該裝置可通過計算機軟件記錄探頭打擊瞬間的力位移曲線變化。陳月娟等[23]運用該打擊器制作出輕、中以及重損傷模型，且BBB評分[11-12]和組織學檢查顯示該方法是較為可靠的人類脊髓損傷動物實驗模型。該裝置具有易控制脊髓損傷程度，計算機可準確記錄組織撞擊后的位移程度及力量大小；具有應用廣泛，造模精確性、可靠性及重復性好，操作簡單的優點。但該裝置不能持續擠壓，無法完全模擬脊髓損傷的臨床病理改變，且在夾固脊柱時易損傷脊柱的缺點。

2.3 電磁打擊器

電磁打擊器是通過步進電機、計算機、 傳感器及脊柱磁夾固定的應用，打擊器能精確控制打擊力度[24]。俄州立大學于1987年研發了應用于大鼠的電磁脊髓損傷裝置(OSU impactor)，該裝置于1992年改進提高了損傷的可重復性[25]。2000年被修改用于小鼠脊髓損傷的研究[26]。該裝置使用計算機反饋控制的電磁打擊器。當觸發時，探頭接觸并置換電線以提供復制起點。儀器將電源線壓縮到預定距離，時間固定避免重復打擊。Pearse等[27]運用該裝置來誘導脊髓移位性損傷，建立了大鼠頸脊髓挫傷損傷模型，通過組織學分析和運動學測定表明該裝置造模效果良好。該裝置得到了徹底的驗證，并被證明能在大鼠身上產生可靠的分級損傷，其生物力學、行為和組織學結果可通過置換距離的選擇預測[28-29]。但該裝置存在夾持固定時易出現脊髓移位，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]開發的一種新型脊髓挫傷裝置。它可以在不直接接觸神經組織和不產生腦膜損傷的情況下產生明確的、分級的脊髓損傷。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在計算機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腦膜連續性未受影響。④腦脊液無損失。⑤所制作的脊髓損傷動物模型可復制和分級的優點。但同時對此模型作行為評分時，不同損傷程度的模型沒有統計學意義，因此對損傷的量化需要進一步研究。

3 結語

制作動物模型的最終目的是為了產生一個一致的、易復制的且可分級的損傷，實現對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，使用該儀器構建的動物模型在各方面與人類脊髓損傷較相近，但仍需進一步的量化改進很研究。現在，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制及功能恢復。制造出一種與臨床相近的、可靠的、標準的、可調控的且重復性高的造模方法，是未來我們需要繼續努力的方向。