腰椎間盤退變動物造模研究進展

柯建新，林境毅，蘇再發

（1.福建中醫藥大學，福建 福州 351022；2.福建中醫藥大學附屬泉州市中醫院，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疾病之一。目前認為LDH基本病理改變為椎間盤的退變，然而椎間盤退行性變（intervertebral disc degeneration，IDD）的主要病因和其發病機制尚未明確，也無適宜的治療措施。動物模型研究是應用于生物醫學科技研究中的一種重要工具，針對特殊疾病而設計的動物模型，本研究主要通過研究動物發病機制與檢測驗證診斷治療的有效性，在臨床研究中具有無法替代的優勢和作用。制作和應用動物模型是研究LDH 發生機制和檢測各種治療是否有效的可靠手段之一，可靠的LDH動物學模型為深入研究LDH的發病機理和治療方法提供有利條件，同時，也會給修復突出的椎間盤和探索性研究工作提供良好的科學試驗載體。

1 試驗動物的選擇

IDD 動物造模的手段和方法多種多樣，而選用的動物與造模方法之間卻存在著顯著差異。動物模型的選擇應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IDD的客觀規律；②模型具有很強的重復性；③選擇的動物在其解剖學和生理上的特征均盡可能地接近于人類。從動物模型量化制造到實施的過程至今已經走過了將近75年，近年來比較傾向用狗、羊、豬等傳統動物制備動物模型。靈長類動物無論在進化方式或解剖結構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物模型，但由于經濟方面的制約不能大量的應用。目前最常用的是大鼠模型，飼養方便、價格便宜、繁殖迅速，最重要的是其椎間盤解剖結構與人類椎間盤結構極為相似。

2 造模方法的選擇

2.1 直接結構損傷模型

2.1.1 纖維環損傷模型 纖維環模型是目前最常用的動物模型。纖維環損傷模型通常采用手術或經皮穿刺破壞纖維環結構造成物理損傷。該模型通常為大體型的動物，如豬、狗等。MASUDA 等[2]利用各種規格不同的穿刺針（16、18、21 g）在兔子的纖維環上進行穿刺，開創一種可令MRI分級及椎間盤高度均有所下降的IDD 模型。將兩種不同尺寸和規格的針頭進行對照，通過結構學和影像圖形學的研究和觀察，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重，且椎間盤突出的發生率與針頭的大小呈正比[3-4]。這種穿刺纖維致使結構破壞的造模方法周期短、可行性高、操作簡易，但創傷大、易感染、損傷程度各異等缺點也很明顯。經皮穿刺纖維法雖可彌補這方面的不足，但是盲穿難度大，需要C臂機進行配合。

2.1.2 終板損傷模型 軟骨終板是椎間盤主要的一種營養源通道且能有效地保護椎體，避免在一定的壓力下自然地發生骨折而萎縮，而營養障礙是誘發IDD 的主要因素之一。該模型通常采用鉆孔方式破壞終板結構，由椎體斜穿一個孔洞直達終板和髓核。HOLM等[5]通過穿刺家豬的椎體終板，3個月后在T2 加權像磁共振下發現纖維環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現IDD 顯著。該模型進展速度快，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表達明顯下調。ZHOU等[9]注射5-溴脫氧尿核苷入羊椎間盤成功引起了IDD。該法比傳統的髓核化學溶解法時間更長、與人體IDD過程相類似，但可再現性仍待進一步考察。

2.2 機械間接損傷型模型

2.2.1 機械應力型模型 機械負荷是引起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 周后椎間盤呈現典型的IDD表現，4周后卸載裝置IDD呈不可逆狀態。BARBIR 等[11]使大鼠尾巴彎曲角度改變，且對大鼠尾椎加壓，一段時間后尾椎出現了退變性現象。張超等[12]使用聚氯乙烯管將實驗用兔子雙腿固定于直立位，8 周后，MRI 顯示椎間盤高度指數下降，T2加權信號降低，證明IDD的程度與椎間盤應力變化有關。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，但所需時間長，成功率低，只能用于小型動物。

2.2.2 椎體不穩的造模 此類造模技術主要是通過使用手術方法損傷關節面或者棘突等所能支持的組織，反復不斷地對局部的脊柱和肌肉進行一定的刺激，從而導致椎間盤受力不平衡達到IDD的方法。SCHOLLUM 等[13]利用手術橫向切除羊脊柱后部棘突等支撐性組織，模型組隨后即出現了椎間隙狹窄、髓核纖維化等IDD 的表現。呂存賢等[14]研究發現，在兔腰椎功能不穩60 d 后，椎間盤MRI 可顯示IDD 的現象，切片后可以顯示出纖維環斷裂、髓核突出、軟骨細胞壞死加劇、增多等進一步的退變。此法未對椎間盤產生直接的損傷，但是實際操作中的難度高、損傷較大。

2.3 自發模型 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18～30個月齡沙鼠在椎間盤內可以同時發現纖維骨贅環囊性生長改變、裂隙和纖維骨贅囊性生長，并有纖維環膨出和髓核突入終板。沙鼠的飲食習慣（高鹽低水）一定程度影響了代謝情況，從而引起了IDD的發生，尤其特別是對于髓鞘單核細胞功能異常性的改變。MOSKOWITZ 等[16]臨床實驗結果發現，10%的沙鼠動物細胞IDD 改變發生在3 個月，而50%的沙鼠動物則可能會逐漸發生一次性細胞退化改變在5 個月。GRUBER 等[17]研究發現，沙鼠的IDD 與年齡增長相關，對于研究老年人IDD 有一定的參考價值。

2.4 基因敲除模型 近年來，基因工程的深入研究為IDD 動物造模提供新思路。在動物微觀科學層面上對實驗野生動物個體基因進行敲除或造模修飾檢測。唐淼等[18]發現，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]可利用白細胞介素（interleuki，IL）-6及其他的可溶性聚糖受體直接作用于1個離體的未成人細胞進行降解退變細胞髓質的核蛋白細胞組織，使位于退變細胞髓質的核細胞蛋白組織中的降解聚糖細胞合成減少，降解髓核細胞數量增多，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、骨骼骨的數量與人體椎間盤的良性退變是否發生存在密切的相關性。但該方法操作難度大，且費用高昂。

2.5 根性疼痛模型 IDD疾病發生時，突出的皮質神經根和髓根單核細胞會遭受壓迫延伸到人的神經根，并由此引起炎癥應激反應，致使神經性髓根性痛苦癥的產生。KALLAKURI等[20]研究通過把具有外源性的自體脂肪細胞組織或骨髓細胞核直接植入到一只成年大鼠的L5神經的根旁，從而發現類似于其他成年人的根性疼痛，各神經組間都可能存在熱痛覺，如過敏及其他神經生理學的根性改變。炎癥時期與神經細胞相關的IL-1β、IL-6與TNF-α的表達也會隨之改變。周渝等[21]研究應用美國大鼠進行自體神經髓核移植后外加環扎神經根治療的方式，近年來成功建立根性環扎神經痛治療模型，成功有效地誘導癲癇患者出現機械痛覺敏感、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床操作者在精度上的要求很高，易產生神經損傷，對動物的檢測難度高，且難以區分為根性痛和骨質性疼痛。

2.6 其他模型 ODA 等[22]通過設計實驗讓小白鼠每日抽煙8 h，8 周后小鼠的纖維環結構紊亂、環內軟骨細胞逐漸變大，IL-1β 水平明顯增高，說明每天吸煙8 h 的會使炎癥化學物質的水平增加，從而改變了軟骨細胞功能。WANG 等[23]研究報告了大腦吸煙會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細胞衰老、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的流失程度有所增加。此外，在關節硬化期的小鼠模型[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胞代謝功能障礙和骨化。

3 小結

IDD是隨著年齡的不斷增長而出現的復雜的退行性變化，以目前的情況而言，構建完全與該退變相同的動物模型十分困難。且動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雜。IDD模型通常會造成椎間盤及附屬器件出現各種形態學的變化，使方法、變化程度及時間也不同。雖然，動物造模所能提供的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、機械間接損傷、自發型、基因敲除、根痛性及其他模型都會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物模型。但由于IDD的復雜性，人類IDD的影響因素絕不止如此，而那些因素對IDD的影響還需更進一步的研究。目前，隨著微創理念的融入，各種IDD動物模型可操作性得到提高，且近年來分子生物技術和基因技術的應用，推進了IDD動物造模的精確性，將為IDD動物模型提供更廣闊的未來。