常用的「脊髓损伤动物模型」构建方法总结

常用的「脊髓损伤动物模型」构建方法总结

脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）是指由于外界直接或间接因素导致脊髓损伤，在损害的相应节段出现各种运动、感觉和括约肌功能障碍，肌张力异常及病理反射等的相应改变。

脊髓损伤是一种致残致死率较高的中枢神经系统性损伤，能够导致不同程度的肢体瘫痪、感觉或自主功能丧失等一系列的并发症，给患者带来巨大痛苦的同时也给家庭、社会带来沉重的负担。

关于脊髓损伤的治疗，目前尚缺乏明确有效的手段。原因是，脊髓损伤后的病理生理变化机制十分复杂，目前尚未能对其进行全面、深入的了解及认识。

建立理想的动物模型是开展脊髓损伤相关研究的首要问题。在过去的几十年里，脊髓损伤模型研究发展迅速。但鉴于人类脊髓损伤的复杂性，目前尚没有一种模型可以完全模拟人类脊髓损伤。

本文将带大家一起了解目前实验研究中常用的一些脊髓损伤动物模型。

实验动物的选择

目前用于脊髓损伤模型的动物种类包括大小鼠，非灵长类动物，兔，犬等。

其中大鼠脊髓损伤模型应用最普遍（大鼠价格相对低廉，容易获取、喂养和护理，而且解剖操作方便、对疾病抵抗力强，在电生理和脊髓形态上与人类脊髓相似），应用较多的是Sprague-Dawley大鼠和Wistar大鼠。但大鼠的椎管周径小、脊髓较细，建模的手术难度较大，尤其是在缺少专用器械的情况下，易误伤脊髓，影响实验的准确性。

小鼠与人类有着较高的基因同源性，加之损伤后的行为学评估方法较为成熟，尤其是小鼠具有独特的转基因优势，使其更适用于基因干预的实验研究。但小鼠体形小，脊髓较大鼠更细，不利于实验操作（压迫过程中不能控制压迫程度，且无法重复实验结果）。

灵长类动物的脊髓组织比啮齿类动物更接近人类脊髓，其更适合于脊髓损伤的研究，但因较为稀少、成本较高且涉及伦理问题等原因，未能被普遍使用。

兔的神经系统较发达，价格相对便宜，容易获得，且耐受损伤能力强，是目前应用较多的慢性脊髓损伤（chronic spinal cord injury，CSCI）模型动物。

另外，猪或犬等大型动物也被选入作为实验动物建立实验性SCI模型，便于对实验进一步验证。

常见的脊髓损伤模型

目前，国内外已经建立了脊髓打击损伤型、压迫损伤型、横断损伤型、缺血损伤型、牵张损伤型和光化学损伤型等多种脊髓损伤动物模型。

一、脊髓打击损伤

脊髓打击损伤型脊髓损伤是短暂的、急性脊髓损伤，损伤外力与脊髓接触时间较短。

重物坠击法：即使用一定质量的物体从一定高度自由降落，撞击脊髓。

早在1911年，Allen等就采用重物坠落法（Weight dropping，WD）撞击脊髓背侧，制作了经典的脊髓损伤动物模型。其操作方法为：背部正中切开，切除椎板，露出脊髓硬膜。将一定重量的重物沿一个有刻度的套管垂直落下，打击于脊髓上，致脊髓损伤。

脊髓损伤程度可通过控制重物质量和坠落高度来调节，因此，该方法能复制出不同程度的脊髓损伤模型。

该方法应用广泛，效果显著，被认为是标准的实验性脊髓挫伤损伤模型。

但当重物下落撞击脊髓后，重物不能立即移开而继续压迫脊髓导致二次损伤，同时脊髓会偏转或移动而造成损伤区域与损伤程度可能会有所不同，最终同样的势能造成的损伤程度往往相差较大。

许多学者为了克服这些缺点而对经典的WD法进行改良，使其仪器化、计算机化、智能化，从而对损伤程度进行既能定性又能定量的控制。

（DOI: 10.1002/jnr.25120）

二、压迫损伤型

目前国内外较为成熟的动物模型有动脉钳夹伤型、球囊压迫损伤型、丝线环扎/解压损伤型、可膨胀材料压迫损伤型等。

（1）钳夹伤：通过钳夹脊髓制作脊髓钳夹伤

可根据动物模型的不同而改变钳夹的力度，不同的钳夹力和钳夹时间导致不同的脊髓损伤程度。

中洪博元新模型：

大鼠脊髓钳夹伤模型

造模动物：健康SPF级SD大鼠（雌性，8周龄左右，体重190-240 g）

造模方法：脊髓T10节段钳夹损伤造模

■ 麻醉，背部剃毛备皮，消毒。

■ 确定T10体表标志点。取T10-T11段脊椎，沿脊椎中线切开皮肤和肌肉，角针穿3-0缝合线，钩两侧肌肉暴露脊椎，咬骨钳剪除一段脊椎背侧椎板，然后使用显微直镊夹持脊髓T10段，持续5s，停止钳夹，止血。然后缝合肌肉和皮肤切口，动物单笼饲养直至伤口恢复。

■ 术后护理：大鼠术后恢复过程中，每天进行2次辅助排尿，直到大鼠排尿反射能力恢复。术后3天给抗生素，防止尿路感染。

模型验证数据展示：

■ BBB评分

■ HE染色结果

有研究者通过动脉夹内侧壁置入厚度分别为1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm的垫片，确保动脉瘤夹释放后仍可保留所夹脊髓横径的一半，该方法不但保持了硬脊膜的完整，而且与临床上因骨折移位、椎间盘突出等对脊髓造成的挤压伤非常类似。

（2）球囊压迫损伤：应用经皮穿刺技术向硬膜外置入可扩张球囊导管建立急性脊髓压迫性损伤。

这种模型中脊髓损伤的程度主要取决于球囊提供的压力大小和脊髓受压时间的长短。球囊压迫法可调控性较强，简单易行，被广泛应用于脊髓损伤的实验研究中。

但由于气体或液体在椎管内移动，造成脊髓不同部位、不同程度的损伤。另外，由于气囊膨胀时囊内压力并非呈线性增加，且反复充气对脊髓的反复刺激容易造成急性及亚急性损伤，难以完全模拟CSCI的病理进程。

（3）丝线环扎损伤

该技术的优势在于，它是一种相对无创的方法，不需要椎板切除术或引起出血，存活率高（100%）。该方法提供对脊髓两侧的压迫，而不仅仅是在背腹侧或外侧方向，并能够产生分级的损伤模式。然而，损伤在精确部位和延伸处的一致性可重复性仍有待证实。

（DOI:10.1038/sc.2014.91）

（4）可膨胀材料压迫损伤

1989年，ARBIT等首次将一种遇水可膨胀材料（甲基纤维素-聚丙烯腈）植入动物硬脊膜外，制成CSCI模型。此后，这种造模方式在脊髓损伤的实验研究中多有应用。

可膨胀材料压迫模型的优点是：①手术操作简单，一次手术就可完成造模操作；②感染率较低，动物成活率较高，样本量丢失较少；③材料膨胀时可形成对脊髓的均匀压迫，较为符合CSCI的病理特征。

不同材料植入物遇水膨胀的速度以及持续时间差别较大，而且难以人为控制，因此这种造模方法也容易形成急性或亚急性脊髓损伤，影响实验效果。

压迫损伤型模型与脊髓打击损伤型模型相比，区别在于脊髓存在长时间的挤压。在临床中，椎体骨折脱位、爆裂骨折等对脊髓的损伤往往是持续性压迫所致，即慢性脊髓损伤（CSCI）。

三、横断损伤型

采用椎板切除术，以虹膜刀、眼科剪等锐器将脊髓选择性进行全横断、半横断、部分切断或造成块状缺损来构建该类模型。

与脊髓挫伤、压迫模型不同，脊髓横断损伤模型能够尽可能排除损伤区域残留的神经纤维对实验结果造成的影响，可以有效地观察外源性因素对于脊髓损伤修复的调控作用。

完全横断或部分横断脊髓损伤模型是脊髓损伤后的再生修复研究最常用的模型之一。该模型有利于评估轴突的再生能力和脊髓的功能恢复以及神经递质、神经营养因子等对这一过程的影响及作用。

但是这种损伤的情况在临床中十分罕见，并不能真正地反映脊髓损伤后的病理改变，与临床相关性差，损伤硬脊膜，破坏了相对独立的中枢环境，稳定性差，死亡率较高。

（DOI: 10.1038/sc.2014.91）

四、缺血损伤型

该模型的方法主要有血管栓塞法、血管夹闭法、血流阻断法、光化学法、电凝灼闭法等。该动物模型主要用于脊髓缺血再灌注损伤的研究，具有重复性好，邻近组织损伤小，一致性强的优点，但制备过程复杂，实验要求高。

五、牵拉损伤型

牵拉损伤模型是通过牵拉脊髓来模拟脊髓损伤时脊髓所承受的张力。不同的牵拉可造成不同程度的损伤。该模型主要模拟脊柱外科手术医源性的脊髓牵拉伤，能模拟临床脊髓损伤的致伤原因及受伤机制，但是损伤程度不一致，操作复杂，重复性差。

六、光化学损伤型

光化学模型由Watson等发明，在过去20年里，这种模型被证明是脊髓损伤小鼠实验模型中最可靠和复制性最高的，已经被广泛地应用到研究小鼠神经创伤中。

光化学损伤主要是由于微血管阻塞所致，虽然该模型与人SCI时的高能损伤模型有很大不同，但它可用于研究创伤后继发损伤，模拟创伤后的二级反应。

脊髓损伤模型的评价

不同的脊髓损伤动物模型复制出不同类型的解剖结构损伤以及相应的行为学改变。

（1）运动功能评分

损伤后的运动功能评价既可直接衡量脊髓的再生、修复和神经功能的重建，也是开展神经保护药物药效学试验不可或缺的环节。目前评分方法主要有以下3种：

①Tarlov评分：1953年Tarlov 等首次描述开放场地试验，应用于大鼠后肢功能评价，仅作为啮齿类动物脊髓损伤程度的初步筛选。

②BBB评分：该法分级较细致，将大鼠后肢运动分为22个等级，几乎包括了SCI后大鼠后肢恢复过程中所有行为学变化，且与脊髓损伤的程度高度相符。该法是目前许多研究者较为推崇的一种方法。

③联合行为评分：包括7个项目：后肢运动、伸趾、回缩反射、斜板试验、热板试验和游泳，该法弥补了单一运动功能评价的不足。

（2）行为检测法，如步态分析、网格爬行、平衡木实验等。

（3）电生理检测，如运动诱发电位检测(MEP)、体感诱发电位检测。