- 相關(guān)推薦
體內(nèi)損傷構(gòu)建椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型的研究進(jìn)展
【摘 要】 按照構(gòu)建椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型時(shí)的損傷方式對(duì)體內(nèi)構(gòu)建退變椎間盤(pán)動(dòng)物模型的方法進(jìn)行綜述。體內(nèi)構(gòu)建椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型的方法很多，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，在以后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)一步研究和建立綜合模型仍然是努力的目標(biāo)。
【關(guān)鍵詞】 椎間盤(pán);動(dòng)物模型;體內(nèi)損傷;綜述
近年來(lái)，隨著人們生活和工作習(xí)慣的改變，椎間盤(pán)退變性疾病(disc degeneration disease，DDD)已成為現(xiàn)代人群中常見(jiàn)的疾病。本病是造成頸、肩、腰、腿痛的主要原因，嚴(yán)重影響了人們的生活和工作，甚至有些患者因出現(xiàn)嚴(yán)重的神經(jīng)損傷癥狀而不得不行手術(shù)治療，給患者帶來(lái)巨大的精神和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。為了更好地探索本病的發(fā)生機(jī)制及治療方法，20多年前，人們開(kāi)始運(yùn)用具有與人類(lèi)椎間盤(pán)高度相似性的動(dòng)物退變椎間盤(pán)來(lái)研究本病的病因病機(jī)，尋找更好的治療方法。近幾年，用于構(gòu)建動(dòng)物模型的種類(lèi)和造模的方法主要分為2大類(lèi)型：體內(nèi)損傷動(dòng)物模型和體外動(dòng)物模型。體內(nèi)損傷動(dòng)物模型主要指通過(guò)干預(yù)、誘導(dǎo)動(dòng)物椎間盤(pán)退變，依據(jù)其在影像學(xué)、形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)等方面的變化，動(dòng)態(tài)觀察動(dòng)物椎間盤(pán)退變的病理過(guò)程。體外動(dòng)物模型是指在體外培養(yǎng)的細(xì)胞和器官模型，此模型多用于短期的實(shí)驗(yàn)觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證能力弱。筆者通過(guò)查閱近十年來(lái)大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，總結(jié)了在動(dòng)物體內(nèi)構(gòu)建椎間盤(pán)退變模型的方法，并分析每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
1 動(dòng)物的選擇
從開(kāi)始使用動(dòng)物構(gòu)建椎間盤(pán)退變模型到現(xiàn)在，研究者嘗試了各種各樣的動(dòng)物，總結(jié)出用于構(gòu)建椎間盤(pán)退變模型的動(dòng)物應(yīng)符合如下幾個(gè)條件[1]：
�、偎脛�(dòng)物脊柱的解剖特點(diǎn)、生物力學(xué)特性、生理、病理功能等應(yīng)與人類(lèi)高度相似;②所選動(dòng)物可客觀地重復(fù)椎間盤(pán)退變的病理過(guò)程;③所構(gòu)建的動(dòng)物模型具有可復(fù)制性;④動(dòng)物價(jià)格較為便宜，且較易飼養(yǎng)，種群數(shù)量較多。目前，很多小型哺乳動(dòng)物及嚙齒類(lèi)動(dòng)物被學(xué)者作為動(dòng)物模型;但是由于某些倫理因素[2]，現(xiàn)如今大多數(shù)學(xué)者采用鼠及兔作為建模動(dòng)物[3]。
2 構(gòu)建椎間盤(pán)退變模型
2.1 生物力學(xué)模型(biomechanical model，BM) Goff等[4]運(yùn)用手術(shù)方式培訓(xùn)大鼠，改變其爬行習(xí)慣使其靠雙后肢如人類(lèi)直立行走，從而使大鼠的椎間盤(pán)發(fā)生退變，他也是首個(gè)通過(guò)改變大鼠行走習(xí)慣來(lái)構(gòu)建椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型的學(xué)者。本造模方法簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、成功率高、重復(fù)性好，建立的雙后肢大鼠模型符合人體椎間盤(pán)退變規(guī)律;但是其與倫理道德相悖，多數(shù)學(xué)者不贊成用此種方法建模。張超等[5]將兔子固定在PVC管中，并將PVC管直立，使兔子腰椎受力負(fù)荷增加，8周后發(fā)現(xiàn)兔子的脊柱高度發(fā)生明顯降低，椎間盤(pán)發(fā)生明顯退化，這說(shuō)明了通過(guò)強(qiáng)迫直立位下，因自身身體重力負(fù)荷對(duì)椎間盤(pán)產(chǎn)生影響可以成功建立椎間盤(pán)退變模型。Barbir等[6]將大鼠尾巴固定在U型架上，在一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)尾椎椎間盤(pán)出現(xiàn)退變，證實(shí)椎間盤(pán)退變的程度與應(yīng)力改變有關(guān)。熊曉芊等[7]通過(guò)軸向加壓構(gòu)建兔子椎間盤(pán)退變模型發(fā)現(xiàn)，通過(guò)軸向加壓可使兔子腰椎間盤(pán)發(fā)生明顯退化。
BM對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物損傷較微小，具有操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、效果可靠等優(yōu)點(diǎn)。在誘發(fā)輕度椎間盤(pán)退變模型時(shí)見(jiàn)效快，造模的效率較高，通過(guò)該方式建模，椎間盤(pán)的結(jié)構(gòu)及基質(zhì)的改變與人體椎間盤(pán)退變的過(guò)程大致相似，可滿(mǎn)足基因治療時(shí)需要長(zhǎng)期觀察療效的實(shí)驗(yàn)研究的需要。
2.2 機(jī)械損傷模型(mechanical damage model，MDM)
指運(yùn)用各種方式破壞動(dòng)物的椎間盤(pán)纖維環(huán)、髓核、終板或通過(guò)手術(shù)破壞棘上、棘間韌帶、椎旁肌肉和棘突等改變?cè)炷?dòng)物脊柱的力學(xué)分布，改變椎間盤(pán)內(nèi)環(huán)境，從而獲得椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型。
2.2.1 纖維環(huán)損傷模型 通過(guò)針刺、刀片切割等方法，直接造成纖維環(huán)的物理?yè)p傷。Osti等[8]是較早用該方法構(gòu)建動(dòng)物椎間盤(pán)退變模型的學(xué)者，其通過(guò)手術(shù)方式切除羊的部分纖維環(huán)，4個(gè)月后發(fā)現(xiàn)羊的椎間盤(pán)發(fā)生了明顯的退變。Wang等[9]運(yùn)用21號(hào)針頭針刺破壞大鼠纖維環(huán)，在數(shù)周后發(fā)現(xiàn)其椎間盤(pán)發(fā)生了明顯退變。崔運(yùn)能等[10]在CT引導(dǎo)下，用18 G穿刺針經(jīng)側(cè)方皮下穿刺兔L5～6椎間盤(pán)，確認(rèn)刺入椎間盤(pán)纖維環(huán)深度約為5 mm，在84 d后，實(shí)驗(yàn)組影像學(xué)上見(jiàn)兔的椎間盤(pán)高度下降，終板骨質(zhì)硬化;組織學(xué)上見(jiàn)纖維環(huán)結(jié)構(gòu)紊亂、髓核細(xì)胞輕度減少。崔力揚(yáng)等[11]用21號(hào)針頭針刺大鼠全層纖維環(huán)和部分纖維環(huán)，4周后大鼠椎間盤(pán)在影像學(xué)上發(fā)生明顯變性，而部分大鼠在8周后才可見(jiàn)到此現(xiàn)象。
通過(guò)針刺損傷纖維環(huán)構(gòu)建椎間盤(pán)退變模型時(shí)，其退變的過(guò)程較為緩慢，退變的程度與損傷的大小之間存在明顯的正相關(guān)性，此為一較為緩慢推進(jìn)的過(guò)程，可較充分地再現(xiàn)椎間盤(pán)退變的發(fā)展規(guī)律，與人類(lèi)椎間盤(pán)退變病理變化過(guò)程較為相似，且造模過(guò)程簡(jiǎn)單，易重復(fù)，故可以作為椎間盤(pán)退變研究的動(dòng)物模型。但需要精確地把握穿刺時(shí)所選的穿刺針的型號(hào)及進(jìn)針的位置和針刺的深度，且手術(shù)過(guò)程中常需采用腹部或者其他手術(shù)切口，創(chuàng)傷大，易造成腹膜及腹腔臟器的損傷，極大地傷害了造模動(dòng)物，增加感染的機(jī)率，較難保證造模動(dòng)物的存活率。
2.2.2 髓核損傷模型 該方法主要是通過(guò)穿刺、抽吸模型動(dòng)物脊柱椎間盤(pán)髓核，造成髓核退變，從而引發(fā)模型動(dòng)物椎間盤(pán)退變。陳國(guó)仙等[12]通過(guò)模擬人后路髓核摘除構(gòu)建大鼠椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型，培養(yǎng)8周后發(fā)現(xiàn)大鼠椎間盤(pán)的髓核細(xì)胞明顯減少，纖維環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變。Liu等[13]在磁共振引導(dǎo)下，用16號(hào)穿刺針經(jīng)皮穿刺抽吸白兔椎間盤(pán)部分髓核，造成白兔髓核損傷誘導(dǎo)椎間盤(pán)退變模型。
通過(guò)針刺損傷動(dòng)物椎間盤(pán)髓核構(gòu)建椎間盤(pán)退變模型具有創(chuàng)傷小、劑量麻醉少、損傷小、動(dòng)物模型存活率較高、操作時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)此方法構(gòu)建的模型出現(xiàn)椎間盤(pán)退變的時(shí)間較早，進(jìn)程較快，程度較重，故可以作為椎間盤(pán)退變研究的動(dòng)物模型。同時(shí)它也存在著較難確定皮膚手術(shù)進(jìn)針點(diǎn)，易損傷脊神經(jīng)及容易形成椎體旁骨贅等不足，要求操作者有較高的技術(shù)及較豐富的經(jīng)驗(yàn)。如果可以在影像透視指導(dǎo)下行刺，將會(huì)更加符合當(dāng)今世界上倡導(dǎo)的微創(chuàng)趨勢(shì)。
2.2.3 終板損傷模型 在成人中，髓核細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)主要來(lái)自軟骨終板的滲透作用，所以當(dāng)軟骨終板結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，便直接影響髓核細(xì)胞的代謝，同時(shí)由于椎間盤(pán)內(nèi)部力學(xué)特性的改變，椎間盤(pán)形態(tài)可發(fā)生改變，造成椎間盤(pán)退變。該方法操作過(guò)程為：經(jīng)過(guò)模型動(dòng)物的椎體鉆1個(gè)斜行的空洞，直達(dá)軟骨終板，形成急性終板損傷引起髓核壓力降低和應(yīng)力重新分布，從而導(dǎo)致椎間盤(pán)退變。操作時(shí)需注意掌握深度，不要貫穿上下終板。Yuan等[14]通過(guò)破壞豬的椎體終板，9周后發(fā)現(xiàn)家豬的椎間盤(pán)內(nèi)環(huán)境發(fā)生明顯的改變，椎間盤(pán)炎癥介質(zhì)明顯增多，纖維環(huán)發(fā)生明顯的破壞性改變。
終板下方有著豐富血供的骨質(zhì)，含有數(shù)量巨大的免疫細(xì)胞，因此，通過(guò)損傷終板來(lái)構(gòu)建椎間盤(pán)退變模型，其退變的速率比纖維損傷等方法發(fā)生更快，進(jìn)展更迅速，且其退變的程度也更加嚴(yán)重，為一種快速腰椎退變的動(dòng)物模型，可以用來(lái)研究人類(lèi)椎間盤(pán)退變的病理、生理及形態(tài)學(xué)變化。它也存在著定位難、容易形成骨贅等不足。
2.2.4 椎旁的結(jié)構(gòu)損傷模型 該方法主要是通過(guò)手術(shù)破壞模型動(dòng)物的脊柱支持組織或椎體、椎間關(guān)節(jié)融合等手段可使脊柱過(guò)度運(yùn)動(dòng)，造成脊柱失穩(wěn)、造成椎間盤(pán)受力不平衡，而導(dǎo)致椎間盤(pán)退變。Zhou等[15]通過(guò)切斷大鼠頸部部分，造成頸部力學(xué)失衡，從而導(dǎo)致大鼠椎間盤(pán)纖維環(huán)明顯被破壞。
Woiciechowsky等[16]對(duì)小鼠行脊柱融合術(shù)，在3個(gè)月后發(fā)現(xiàn)小鼠纖維環(huán)部分變性。
該方法并未直接人工干預(yù)損傷動(dòng)物模型的椎間盤(pán)，保持了動(dòng)物椎間盤(pán)的完整性，與人類(lèi)椎間盤(pán)自然退變的過(guò)程較為相似，可作為短期研究人類(lèi)椎間盤(pán)退變的動(dòng)物模型。該方法有對(duì)動(dòng)物損害較大，且手術(shù)并發(fā)癥較多，易造成造模動(dòng)物存活率低等缺點(diǎn)。
2.3 化學(xué)損傷模型(chemical damage model，CDM)
使用藥物注射構(gòu)建椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型是最近幾年來(lái)新的發(fā)展趨勢(shì)，并有了較大的進(jìn)展。該方法主要是在盡量少損壞模型動(dòng)物椎間盤(pán)纖維環(huán)、終板及脊柱周?chē)W(xué)結(jié)構(gòu)的前提下，將某些化學(xué)藥品注射到椎間盤(pán)髓核內(nèi)，造成髓核溶解，引起椎間盤(pán)退變。從大量的文獻(xiàn)報(bào)道中可以發(fā)現(xiàn)，主要是向動(dòng)物椎間盤(pán)內(nèi)注入酶類(lèi)物質(zhì)，例如木瓜凝乳蛋白酶(chymopapain)或纖維結(jié)合蛋白(binding protein fiber，BPF)，從而使髓核細(xì)胞發(fā)生變性、死亡，蛋白多糖(proteoglycan)的急劇降低，造成椎間盤(pán)的退變。近年來(lái)，也有學(xué)者通過(guò)切除動(dòng)物的子宮，改變動(dòng)物體內(nèi)激素水平，從而加速椎間盤(pán)的退變，構(gòu)建椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型。Zhan等[17]在X線透視下，向髓核內(nèi)注入1 mg BPF，3周后X線片顯示椎間盤(pán)脫水變薄，磁共振可見(jiàn)T2像信號(hào)強(qiáng)度減弱，提示椎間盤(pán)退變。Furtw ngler等[18]把牛尾椎間盤(pán)置于蛋白水解酶(proteolytic enzymes，PE)混合物的培養(yǎng)基中3周，發(fā)現(xiàn)椎間盤(pán)中央?yún)^(qū)變性、糖胺聚糖(sugar glycosaminoglycans，SG)含量下降。王娜等[19]將纖連蛋白片段注入大白兔的椎間盤(pán)中心區(qū)域，10周時(shí)觀察到髓核細(xì)胞數(shù)量明顯減少，細(xì)胞變圓，呈明顯的成簇聚集分布，纖維環(huán)排列明顯的不規(guī)整，各層間出現(xiàn)裂隙，甚至斷裂，蛋白聚糖染色明顯變淺，甚至部分未見(jiàn)染色，椎間盤(pán)發(fā)生明顯退變。Woiciechowsky等[16]通過(guò)多年的跟蹤和檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，婦女在絕經(jīng)后其椎間盤(pán)的退變速度明顯加快。
化學(xué)損傷誘導(dǎo)兔椎間盤(pán)退變模型與人類(lèi)椎間盤(pán)退變的過(guò)程更相似，生物化學(xué)特質(zhì)更接近，模型可重復(fù)性強(qiáng)，退變周期較長(zhǎng)，適用于分子水平研究椎間盤(pán)退變的動(dòng)物模型。同時(shí)它也具有退變發(fā)生快，對(duì)造模動(dòng)物損害大，成本高，難通過(guò)調(diào)節(jié)注射劑量來(lái)調(diào)控退變程度等缺點(diǎn)。
2.4 手術(shù)植入模型 通過(guò)手術(shù)方式，植入介質(zhì)，從而壓迫脊髓、神經(jīng)，構(gòu)建椎間盤(pán)退變模型。這種方法多用來(lái)構(gòu)建椎間盤(pán)突出、脫出或者是椎管內(nèi)占位的動(dòng)物模型。王雪喬等[20]通過(guò)半椎板切除術(shù)，暴露L1脊髓，并置入球囊，構(gòu)建腰椎間盤(pán)突出癥狀。
3 結(jié) 語(yǔ)
綜上所述，體內(nèi)損傷構(gòu)建椎間盤(pán)退變模型常用的方法均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際的造模過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)情況及實(shí)驗(yàn)室條件選擇較為合適的造模方法。但是無(wú)論采取哪一種方法，比較理想的椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型要求跟人類(lèi)的椎間盤(pán)退變的過(guò)程具有可比性、相似性，所選擇的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物應(yīng)遵循“3R”原則，同時(shí)也應(yīng)具有經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、來(lái)源充足的特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)及構(gòu)建臨床實(shí)用性強(qiáng)的椎間盤(pán)退變模型。需要借助現(xiàn)代醫(yī)療科學(xué)技術(shù)，不斷探索何種條件建立安全、有效、與人體真實(shí)情況相似、容易重復(fù)獲得的椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型。
4 參考文獻(xiàn)
[1] 崔淑芳.實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)[M].上海：第二軍醫(yī)大學(xué)出版社，2007：204-206.
[2] 周葳，徐義春，駱眾星，等.低溫等離子消融術(shù)建立兔椎間盤(pán)退變模型的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)臨床解剖學(xué)雜志，2013，31(6)：696-701.
[3] Masuda K.Biological repair of the degenerated intervertebral disc by the injection of growth factors[J].Eur Spine J，2006，17(4)：441-451.
[4] Goff R，Weindling S，Gupta V，et al.An experiment using animal models research[J].Cell Transplant，1996，13(8)：632-635.
[5] 張超，李寧寧，胡朝暉.間斷直立位下兔椎間盤(pán)退變模型的影像及病理表現(xiàn)[J].中國(guó)組織工程研究，2012，16(4)：679-682.
[6] Barbir A，Godburn KE，Michalek AJ，et al.Effects of torsion on intervertebral disc gene expression and biomechanics，using a rat tail model[J].Spine(Phila Pa 1976)，2011，36(8)：607-614.
[7] 熊曉芊，邵增務(wù)，裴洪，等.可控軸向壓力致兔腰椎間盤(pán)退變模型的建立及評(píng)價(jià)[J].中國(guó)病理生理雜志，2008，24(10)：2077-2080.
[8] Osti OL，Vernon-Robens.Acupuncture Anulus and IDDM.An experiment using animal models research[J].Spine，1990，15(8)：665-676.
[9] Wang J，Tang T，Yang H，et al.The expression of Fas ligand on normal and stabbed-disc cells in a rabbit model of intervertebral disc degeneration：a possible pathogenesis[J].J Neurosurg Spine，2007，6(5)：425-430.
[10] 崔運(yùn)能，李紹林，周榮平，等.CT引導(dǎo)下經(jīng)皮纖維環(huán)穿刺建立兔腰椎間盤(pán)退變模型[J].中國(guó)脊柱脊髓雜志，2014，24(3)：234-243.
[11] 崔力揚(yáng)，劉尚禮，丁悅，等.大鼠腰椎間盤(pán)針刺退變模型的建立[J].中國(guó)矯形外科雜志，2007，15(13)：1008-1011.
[12] 陳國(guó)仙，王萬(wàn)明，張志宏，等.模擬人后路髓核摘除構(gòu)建椎間盤(pán)退行性變動(dòng)物模型[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2009，13(28)：5433-5437.
[13] Liu Y，Li JM，Hu YG.Transplantation of gene-modified nucleus pulposus cells reverses rabbit intervertebral disc degeneration[J].Chin Med J (Engl)，2011，124(16)：2431-2437.
[14] Yuan W，Che W，Jiang YQ，et al.Establishment of intervertebral disc degeneration model induced by ischemic sub-endplate in rat tail[J].Spine J，2015，15(5)：1050-1059.
[15] Zhou RP，Zhang ZM，Wang L，et al.Establishing a disc degeneration model using computed tomography-guided percutaneous puncture technique in the rabbit[J].J Surg Res，2013，181(2)：e65-74.
[16] Woiciechowsky C，Abbushi A，Zenclussen ML.Regeneration of nucleus pulposus tissue in an ovine intervertebral disc degeneration model by cell-free resorbable polymer scaffolds[J].J Tissue Eng Regen Med，2014，8(10)：811-820.
[17] Zhan Z，Shao Z，Xiong X，et al.Ad/CMV-hTGF-beta1 treats rabbit intervertebral discs degeneration invivo[J].J Huazhong Univ Sci Technolog Med Sci，2004，24(6)：599-601，624.
[18] Furtw?ngler T，Chan SC，Bahrenberg G，et al.Assessment of the matrix degenerative effects of MMP-3，ADAMTS-4，and HTRA1，injected into a bovine intervertebral disc organ culture model[J].Spine(Phila Pa 1976)，2013，38(22)：E1377-1387.
[19] 王娜，吳成愛(ài)，趙丹慧，等.應(yīng)用纖連蛋白片段建立椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型[J].中國(guó)脊柱脊髓雜志，2013，23(1)：47-53.
[20] 王雪喬，饒宇騰，吳偉澎，等.犬椎間盤(pán)脫出模型的建立及其脊髓微循環(huán)與組織學(xué)變化觀察[J].中國(guó)比較醫(yī)學(xué)雜志，2014，24(6)：22-26.
【體內(nèi)損傷構(gòu)建椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型的研究進(jìn)展】相關(guān)文章：
心肌損傷生化標(biāo)志物的研究進(jìn)展03-06
變應(yīng)性鼻炎防治藥物的研究進(jìn)展03-14
談肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子與肝損傷關(guān)系研究進(jìn)展03-18
骨關(guān)節(jié)炎軟骨退變與炎癥的關(guān)系03-10
探討腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)退變的影像學(xué)改變及意義03-18
怎樣構(gòu)建企業(yè)團(tuán)體內(nèi)部財(cái)務(wù)控制系統(tǒng)03-22