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实验方案

常用创伤性脑损伤与脑卒中大鼠模型的制作和特点

 

《中华神经科杂志》2016年第10

一、创伤性脑损伤模型

创伤性脑损伤是指暴力作用于头部造成脑组织器质性损伤。根据伤后脑组织与外界相通与否分为开放性脑损伤和闭合性脑损伤。临床及实验研究过程中,最常用的为闭合性脑损伤模型,下面重点介绍该类几种常用模型的制作。

()闭合性脑损伤模型

闭合性脑损伤的模型主要包括落锤撞击加速度模型、液压冲击损伤模型、爆炸损伤模型、瞬时旋转模型等。

1.落锤撞击加速度模型:

该模型包括局部脑损伤模型和弥漫性脑损伤模型两种。局部脑损伤模型是1981年由Feeney[1]建立的,该装置包括撞杆、外周导管、重锤三部分,均为不锈钢材料。制模时将外周导管内的撞杆放置大鼠头部上方,每次重锤下落撞击后,撞杆最大可移动2.5 cm;外周导管长40 cm,每隔1 cm有透气小孔,用来防止空气阻力的影响;重锤位于外周导管上方,下落时穿过导管,打击撞杆。动物模型:将大鼠麻醉后俯卧位固定,头皮矢状位切开,暴露的颅骨位于重锤下方,并于冠状缝后1.5 mm,矢状缝右侧旁开2.5 mm处钻取一直径约5 mm的骨窗,但保持硬膜完整,重锤从不同高度下落可导致右顶叶不同程度挫裂伤(1)。该模型特点在于:颅骨开窗,减少了因个体差异造成的损伤程度的差异,通过调节重锤高度制造不同的损伤程度,可重复性强。此模型在1994年由Marmarou[2,3]改进后,成为弥漫性脑损伤模型,装置与上述基本一致,不同之处主要有三点:(1)弥漫性脑损伤的大鼠无需开颅窗;(2)大鼠头皮切开后暴露颅顶,颅顶置一直径10 mm的铁制圆盘,重锤坠落后打击在圆盘上;(3)大鼠置于一有弹性的泡沫板上,撞击过程可起到缓冲作用(2)。该模型的特点在于:缓冲泡沫板可造成作用力的瞬时性,圆盘通过扩大接触面积造成损伤的弥漫性。

1局部脑损伤模型

2弥漫性脑损伤模型

2.液压冲击损伤模型:

液压冲击损伤模型由来已久,是通过向颅腔内快速注入生理盐水造成创伤性脑损伤(traumatic brain injuryTBI),最早于1965年由LindgrenRinder[4]设计,但其实验对象是兔,1987年被Dixon[5]首次挪用于大鼠。该装置分两部分,横放的圆形中空钢化玻璃柱(60 cm,直径41.5 cm)和打击架。圆形玻璃柱(内为37 ℃生理盐水)装有损伤轴和传感器的一端接触大鼠,负责制造损伤和监测压力,而装有活塞的一端则与打击架相连,活塞受打击后推动盐水进入颅腔。打击架上装有一钟摆样打击锤。通过调节打击锤的高度调节压力大小,致伤时传感器可直接读出致伤压力。根据打击部位不同模型可分为正中打击和侧方打击,正中打击可造成严重脑干损伤,侧方打击脑损伤主要在对冲侧(3)。该模型的缺点是:打击机制与人的受伤机制不一致,可造成严重的脑干和脊髓损伤。

3液压冲击损伤模型

3.爆炸损伤模型:

是通过模拟爆炸源和爆炸冲击波导致动物脑损伤的模型。到目前为止,爆炸伤仍是伊拉克士兵的最常见TBI原因,该模型主要用于模拟战时爆炸伤,是重要的军事医学课题之一。该装置是一个一端密闭、另一端开放的金属管道,爆炸源放于密闭端,大鼠放于开放端,接受冲击波[6]。爆炸伤主要损害颞叶皮质、扣带回和海马的CA1(4)。该模型的特点是:模型与现实相似性高,但致伤部位不好控制。常因损伤动物其他部位造成不可控的动物死亡。

4爆炸损伤模型

4.类似射击贯穿脑损伤模型:

类似射击贯穿脑损伤模型,顾名思义是指由子弹等高能物质穿透大脑造成的局灶性瞬时空腔。该射击穿透脑损伤模型最早被用于猴[7],后来由Williams[8]设计了射击贯穿伤的大鼠模型,该装置主要有固定大鼠装置、改良的调压气枪、撞击探针三部分组成。调压气枪可使探针瞬时贯穿脑组织。脑组织贯穿伤在我国并不常见,因此该模型可用性并不强,制造此动物模型的研究更是少之又少,此处暂不赘述。

5.瞬时旋转加速度模型:

该模型又称旋转加速度模型,因为脑组织抗剪切力较弱,在头颅快速旋转过程中产生的剪切力可造成大脑弥漫性轴索损伤。生活中该类损伤并不少见,常因车祸引起。瞬时旋转加速度模型的装置[9,10,11]包括固定部分、驱动部分、角度限孔三部分组成。固定部分包括门齿孔、横向杆,使大鼠俯卧位,躯干与实验台成30°角。驱动部分有扭矩弹簧和扳机,顺弹簧螺旋方向转动后,具有反方向回旋力,按动扳机弹簧释放后,横向杆带动动物头部快速转动产生剪切力。旋转盘每隔15°有一个角度限孔,可控制旋转角度,包括15°30°(5)。该模型造模后,动物随即会出现昏迷或呼吸紊乱,醒后大小便失禁,精神差。模型特点:造模机制与人体弥漫性轴索损伤机制类似,并具有良好的可重复性。病理变化:可见胼胝体、脑室或脑干出血,大脑切片后HE染色电镜下可见神经元细胞肿胀坏死,神经胶质细胞增生。GleesMarsland镀银染色后可见轴索迂曲肿胀,后有轴索球形成。

5瞬时旋转加速度模型

()开放性脑损伤模型

开放性脑损伤模型并不常见,通常用爆炸或气动射钉枪造模,过程简单,无需特殊装置。

二、脑卒中模型

脑卒中是脑血管狭窄、闭塞或破裂造成的脑血液循环障碍。该疾病发病率随年龄的增加而增高,具有地区差异,北方发病率明显高于南方,成为危害人类生命健康的主要疾病之一[12]。脑卒中包括脑缺血和脑出血两部分。由于该疾病发病率、致残率、致死率较高,因此是临床和实验研究的重点。在实验研究中的脑卒中动物模型分为脑缺血和脑出血两类。

()脑缺血动物模型

实验研究中较常用脑缺血动物模型包括:易卒中自发性高血压大鼠模型、线栓脑缺血模型、栓子栓塞脑缺血模型、开颅电凝脑梗死模型、光化学脑缺血模型4种。

1.易卒中自发性高血压大鼠模型:

自发性高血压大鼠模型(SHR)所用大鼠为近亲交配产生的基因鼠,伴有常染色体显性遗传高血压病。因其交感神经活性较高,随后阻力血管发生代谢性和结构性肥厚,导致外周阻力增加,出生后血压逐步升高,因地区不同,发生高血压的时间亦有差异。一般510周为高血压波动期,34个月为高血压确立期。而易卒中自发性高血压大鼠模型由死于卒中的SHR的子代近亲交配产生,出生后913个月发生脑出血或脑梗死,卒中率高达90%,因其发病机制和出血部位、病理改变与人类脑卒中基本一致,被认为是目前研究高血压脑卒中的理想模型。但该模型具有饲养困难、易变种等缺陷。病理改变:光镜下可观察到有出血灶或梗死灶形成,可见脑小动脉的纤维素样坏死、透明变性及微动脉瘤形成。

2.线栓脑缺血模型:

线栓脑缺血模型于1986年由Koizumi[13]设计,是目前最常用最经典的脑缺血模型。经颈总动脉插入线栓,线栓向上行走经过颈内动脉颈段和颈内动脉脑底段。因线栓头端直径稍大,颈内动脉向远端延伸过程中逐渐变细,线栓与血管吻合越来越紧密,进而达到减少或阻塞血流的目的。该模型的特点是:经颈动脉制造缺血,无需开颅,提高了实验动物生存率。另外,制模后可根据实验需求,拔出线栓则为缺血再灌注模型。在脑缺血再灌研究中应用更加广泛。

3.栓子栓塞脑缺血模型:

此模型与线栓模型相似,经颈内动脉系统引入栓子,影像辅助下将栓子放入目标血管。栓子分为三种:永久性、稳定性、不稳定性。永久性栓子不可再通;稳定性栓子后带有细线,可再通;不稳定栓子可通过吸收或自行溶解实现再通。该模型特点是:更贴切地模拟了临床栓子栓塞型脑卒中的发病原理,操作简单,病死率低。但可出现栓子异位,有一定的不可控性。

4.开颅电凝脑梗死模型:

开颅电凝脑梗死模型,顾名思义该模型是指开颅后分离出大脑中动脉,用电凝笔电凝并切断大脑中动脉造成脑梗死。该模型最早由Tamura[14]提出,得到广泛认可并经后人不断改进,现已成为经典的脑梗死模型之一。制模时大鼠麻醉后俯卧位,切口以左眼眶与左外耳道连线中点为起点,切开2 cm垂直该连线的弧形切口,分离颞肌,暴露颅骨及颧骨,牙科钻颧骨上方去骨瓣,开一直径为3 mm的骨窗,分离电凝并切断大脑中动脉,造成脑梗死。该模型的特点:开颅创伤性大,有感染风险,手术过程中会有脑损伤,且该缺血梗死模型为永久性,不可再通。

5.光化学脑缺血模型:

光化学脑缺血模型于1982年由Coyle[15]1985年由Watson[16]先后成功建立。本模型利用光化学反应的产物对血管内皮细胞的损伤作用,使血小板黏附和血栓形成。制备过程:麻醉大鼠后开颅暴露大脑中动脉,静脉推注光敏剂,然后选择波长最适合该光敏剂吸收的光,照射于大脑中动脉,光敏剂被照射后在血管内发生光敏反应产生活性氧,引起脂质过氧化反应,损伤内皮细胞导致血小板聚集,最终该血管缺血梗死。该模型的特点是:根据实验的目的血管不同,可选择开颅或不开颅,实验过程中需要对光源去热,避免损伤脑组织,与人体血栓形成机制类似,可用于抗血小板聚集药物的研究[17]

()脑出血模型

脑出血的动物模型较常用的有:自体血输注模型、胶原酶脑出血模型、自发性脑出血模型、气囊肿胀脑出血模型。

1.自体血输注模型:

自体血输注制作脑出血是目前最常用的脑出血模型,1982年由RopperZervas[18]首次提出。该模型经后人不断完善,现已相当成熟[19,20]。麻醉大鼠后,自眼眶和外耳道中点做一长约2 cm的纵行切口,分离颞肌暴露颅骨,定位在regma点右侧旁开3 mm向前1 mm处,牙科钻开直径为1 mm的骨窗。延尾部腹侧正中做一纵行切口,分离尾动脉后微量注射器取血60 μl,后微量注射器经骨窗垂直进入脑内,进针约6 mm,到达尾状核后缓慢推注50 μl血液,观察无血液流出后,封闭骨窗缝合切口。

2.胶原酶脑出血模型:

胶原酶脑出血模型与上述模型制备过程相似,不同之处在于将向尾状核处注射的自体血换为肝素化的胶原酶。但因肝素可影响血液凝聚进而影响到脑出血后血肿的形成与发展,这也成为该模型的缺陷。

以上两种模型的特点是:适合做出血周围脑组织的病理机制的研究,该模型未能模拟出因为血压变化导致的脑出血。

3.气囊肿胀脑出血模型:

气囊肿胀脑出血模型是1987Sinar[21]提出的,它与上述两种模型的制备过程基本相同,不同之处在于暴露脑组织后向脑内垂直插入微球囊,微球囊到达尾状核后可注入50 μl生理盐水或气体,充盈微球囊,产生类似脑出血时血肿压迫脑组织并使颅内压增高的效应,充盈维持一段时间后去充盈,拔出微球囊,以此模拟神经外科血肿清除后脑组织的病理生理改变。此模型的特点:可控性较强,避免了蛛网膜下腔出血,出血破入脑室等情况的发生。但因无血液成分,不能模拟出血液自身对脑组织的损伤作用。

4.自发性脑出血模型:

自发性脑出血模型是指通过引起动物高血压,而自发形成脑出血。该模型的制作有两种:一种是通过基因表型及近亲杂交等方法培育出自发性高血压大鼠。特点:模型与人类脑出血发病机制相同,但大鼠来源和饲养均有一定困难。另一种是通过结扎双侧或单侧肾动脉制造肾性高血压大鼠,大约10周后出现高血压引起的脑血管损伤。特点:该模型模拟的脑出血与人体高血压脑出血的发病过程及病理生理机制相同,但出血量和出血部位的可控性太差。

三、慢性脑缺血缺氧模型

慢性脑缺血是由于大脑长期供血量不足引起的脑实质损害,包括皮质萎缩、胶质细胞增生等,临床表现主要有认知功能下降、抑郁、步态障碍、吞咽和排尿功能异常。影像学表现为脑白质疏松,其发病机制目前尚无定论,多数认为可能是血管性痴呆和缺血性卒中发病过程的重要环节。常用的慢性脑缺血缺氧模型主要有:双侧颈总动脉结扎模型、双侧颈内动脉结扎模型、控制血管直径模型。

1.双侧颈总动脉结扎模型:

慢性脑缺血模型最常用的是双侧颈总动脉结扎法,该方法于1992年由Torre[22]首次提出,大鼠的脑部供血主要由双侧颈总动脉和椎基底动脉提供,其中双侧颈总动脉供血占全部供血量的2/3。结扎双侧颈总动脉后,椎基底动脉可通过侧支循环代偿,达到慢性脑缺血缺氧的效果。由于大鼠脑缺血后学习记忆能力明显下降,因此该模型也是血管性痴呆最常用模型。模型制备方法:麻醉大鼠后取仰卧位固定,颈部腹侧备皮切开2 cm切口,纤维镊逐层分离,找到血管神经束,分离出双侧颈总动脉后结扎。该模型特点:结扎颈总动脉会使眼动脉供血障碍,损伤视力,影响接下来的行为学实验结果,且死亡率较高。

2.双侧颈内动脉结扎模型:

为改善双侧颈总动脉结扎后对视力的影响,1997Ohta[23]提出了双侧颈内动脉结扎模型,制模操作步骤基本与制备双侧颈总动脉结扎模型相同,不同之处在于分离出颈总动脉后,沿着颈总动脉向上到达颈内、外动脉分叉处后,结扎颈内动脉。模型特点:此模型保护了大鼠的视力,但其对大脑的损伤程度及病变范围并未达到双侧颈总动脉结扎的效果。

3.控制血管直径模型:

所谓的控制血管直径是指分离出血管之后,将血管与注射器针头并列结扎在一起,然后抽出注射器针头。特点:减小血管直径,可将血流量控制在相同水平。但该损伤较轻,后期血流量可基本恢复正常。

四、总结

大脑是人体的生命中枢,临床上常见的脑部疾病,如TBI、脑卒中、脑白质损伤等严重影响了生命健康和生活质量。临床医生和实验研究人员都试图通过动物模型的研究找到更有效的应对方案[24]。大鼠脑损伤的实验室研究是辅助临床治疗方法不可或缺的一部分。我们详细总结了多种脑损伤模型的制备过程、各模型优缺点等,希望对以后新模型的研发改进有所帮助。



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