手把手带你了解脊髓损伤动物模型

生物科研实验室

脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）是由于椎体的移位或碎骨片突出于椎管内造成脊髓或马尾神经不同程度的损伤，是一种致残致死率较高的中枢神经系统性损伤，能够导至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。

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。

建立可靠性高、重复性好的动物模型是研究脊髓损伤机制，观察损伤后病理生理变化，探寻脊髓损伤程度的标准，是探讨药物及干细胞治疗方法的基本前提。

一、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，兔等。

大鼠脊髓损伤模型应用最普遍，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。

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。
二、造模方法
依据损伤机制的不同，脊髓损伤模型可以分为挫伤型、压迫型、缺血损伤型、牵拉损伤型、化学损伤型等。




1、挫伤型




挫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。目前打击装置主要包括重物坠击器、电磁打击器、气枪打击器等。



1.1、重物坠击器

Allen于1911年最先提出了重物坠击法( weight-dropping，WD) 制作脊髓损伤模型。该方法是使用重锤从一定的高度自由降落，撞击脊髓，可通过控制重物的高度和质量来限定打击力度的大小，从而制造出不同程度的脊髓损伤，这项技术后来被认为是标准的实验性脊髓挫伤损伤模型。此外，还可以通过限定撞击脊髓节段来制作出不同脊髓节段和不同类型的脊髓损伤。



1.2、PSI-IH脊髓打击器

PSI-IH脊髓打击器(precision systems and instrumentation-IH spinal cord impactor)是由University of New Jersey公司研发的一种专门用于大鼠医学研究的脊髓挫伤装置。PSI-IH 脊髓打击器装置利用力控冲击器而不是失重高度或组织移位造成损伤。步进电机与外部计算机接口，用于控制冲击力。在要损伤的脊髓节段进行椎板切除后，通过带有不锈钢打击器快速打击暴露的脊髓背部，立即上抬撞头，避免对脊髓造成挤压伤。其附着的传感器会直接测量撞击器和脊髓组织之间的力，使在造模时的误差降到最低，当达到预定阈值时，端部自动抽离。该装置可通过计算机软件记录探头打击瞬间的力位移曲线变化。

有研究者运用该打击器制作出轻、中以及重损伤模型，且BBB评分和组织学检查显示该方法是较为可靠的人类脊髓损伤动物实验模型。该装置具有易控制脊髓损伤程度，计算机可准确记录组织撞击后的位移程度及力量大小; 具有应用广泛，造模精确性、可靠性及重复性好，操作简单的优点。但该装置不能持续挤压，无法完全模拟脊髓损伤的临床病理改变，且在夹固脊柱时易损伤脊柱的缺点。



1.3、电磁打击器

通过步进电动机、计算机、传感器、脊柱磁夹固定的应用，打击器 ( infinite horizon，IH）能精确控制打击力度。传感器能直接测量打击装置对脊髓的压力，当达到预先设定的压力时，打击接头会自动撤回，从而避免重物坠击器出现的反弹现象。然而，脊柱固定的多变性是其最大的缺陷。



1.4、气枪打击器

气枪打击器是2012年由Marcol等开发的一种新型脊髓挫伤装置。它可以在不直接接触神经组织和不产生脑膜损伤的情况下产生明确的、分级的脊髓损伤。它是一种采用精密的压入式气枪作为损伤因素来造成脊髓损伤。

气枪打击器具有:

①在计算机控制模块的帮助下精确控制伤害力。

②无需切除椎体骨的制备。

③脑膜连续性未受影响。

④脑脊液无损失。

⑤所制作的脊髓损伤动物模型可复制和分级的优点。

但同时对此模型作行为评分时，不同损伤程度的模型没有统计学意义，因此对损伤的量化需要进一步研究。






2、压迫型




压迫型脊髓损伤模型往往通过动脉钳夹、气囊等方式对脊髓造成压迫。与挫伤型脊髓损伤模型的区别在于脊髓存在长时间的挤压。



2.1、钳夹

有研究者通过钳夹脊髓制作脊髓钳夹伤，研究激活素 A 通过减轻脊髓损伤炎症反应来保护脊髓神经元。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。



2.2、气囊

有研究者应用经皮穿刺技术向硬膜外置入可扩张球囊导管建立绵羊急性脊髓压迫性损伤模型，该方式简单易行，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，可重复性较差。另外，其也缺乏急性冲击成分。






3、横断损伤型




完全横断或部分横断脊髓损伤模型是SCI再生修复研究最常用的模型之一。

造模方法：用异氟醚麻醉大鼠并于俯卧位固定，背部脱毛并彻底消毒，于T10胸椎的中心划约2cm长纵向切口，小心切断T10椎板并暴露脊髓。用眼科手术刀沿正中静脉切开右侧脊髓，观察到损伤局部迅速充血水肿，大鼠出现尾部痉挛及右下肢瘫痪，表明SCI模型建立成功。逐层缝合内层肌肉和创口皮肤。SCI造模后72h，采用BBB运动功能评分和斜板试验评价大鼠行为学功能。