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腰背痛

痛性椎间盘退行性变目前常用的动物模型

发表者:王祥瑞 920人已读

动物试验在研究痛性椎间盘退变中是不可或缺的。实验性椎间盘退变的动物模型的建立,可为研究痛性椎间盘退变提供试验方法。理想情况下,在所有物种中,灵长类动物是研究LBP的理想动物,因为它们是最接近人类的物种。其他大型动物模型包括猪、绵羊、山羊、狗。啮齿动物模型是下腰痛研究中最广泛使用的动物模型。这里,我们讨论可用的可记录疼痛症状的椎间盘退变的动物模型。这些动物模型可以分为三类(): (1)针刺模型;(2)椎间盘施加异常机械应力的机械模型;(3)自发性IDD模型。

上海市东方医院疼痛科王祥瑞





痛性椎间盘退变的动物模型

这些模型包括一个机械模型、一个经后路或前路穿刺的针刺模型、以及SPARC-null小鼠的自发性椎间盘退变和下腰痛模型。IVD :椎间盘;LBP:下腰痛SPARC:富含半胱氨酸酸性分泌蛋白.

 

1针刺椎间盘退变模型

椎间盘针刺模型包括后路或前路穿刺。Olmarker用直径为0.4mm的穿刺针从后方穿刺大鼠腰椎间盘。后路穿刺可诱发自发性疼痛行为,如增加“梳理”和“湿狗抖动wet-dog shakes”。在该模型中,大鼠左侧小关节被移除,脊椎后柱的结构受到一定程度的破坏。由此导致的椎间盘退变及疼痛可能会导致脊柱不稳定。为了解释这种行为变化的机制,尼尔森等人比较了发生髓核渗漏的椎间盘损伤大鼠及健康髓核的大鼠,研究表明,髓核渗漏比椎间盘损伤的效应更明显。

除后路穿刺外,Kim等人使用前路手术通过腹部腹侧去除大鼠的髓核。这一过程导致炎症细胞浸润、蛋白聚糖损失和椎间高度降低。手术后9周,下背部出现以压力痛觉过敏为代表的疼痛行为。Lee等人通过前路将10毫升(CFA)氟伐他汀(完全弗氏佐剂)注射入成年大鼠腰椎间盘后,研究了椎间盘退行性变过程中疼痛的发展。术后7周,通过后爪收回反应评估,发现疼痛显著增加,同时DRG中降钙素基因相关肽(CGRP)和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)表达增加。Lai等人通过向大鼠腰椎椎间盘内注射生理盐水导致疼痛增加,进一步修改了前路模型,疼痛是通过增加的梳理时间、降低的机械戒断阈值和降低热戒断潜伏期而评估。后来,Lai等人和EvashwickRogler等人也进行了前路腰椎间盘穿刺,并发现注射TNF-α可产生更大和更持久的疼痛,而抗TNF-α抗体可将疼痛减轻到假水平。疼痛阈值还被发现与椎间盘退变和椎间盘内TNF-α的表达呈线性相关。这些结果表明通过前路向椎间盘内注射TNF-α是一种有用的痛性椎间盘退变模型。Millecamps也通过腰椎间盘前路穿刺在小鼠中诱导腰痛,并观察到疼痛行为体征变化,如尾部悬吊和握力、辐射过敏和运动障碍,同时伴有背侧神经支配增加和椎间盘高度减少。

除了腰椎间盘穿刺之外,尾骨盘水平的穿刺也会引起疼痛行为。Isma描述了一种新的大鼠尾骨疼痛模型,该模型通过C5-C6/C4-C5 水平穿刺获得。通过对大鼠尾部腹侧基底施加刺激而检测到的热痛觉过敏和机械异常疼痛均可形成针刺诱导的椎间盘退变模型。通过甩尾测试也可观察到大鼠尾部中间腹侧的热痛觉减退引起的变化。

在这些穿刺模型中,炎症的存在可能在疼痛的发展中起重要作用。Lee等人发现在前路穿刺小鼠模型中,病理性神经支配可持续长达12个月,而从术后第四天开始巨噬细胞在腹侧和背侧浸润。最重要的是,椎间盘后方大量炎症介质对脊髓神经根产生化学性、生物性刺激。在另一项研究中,在前路椎间盘穿刺试验中未检测到疼痛行为改变,而后路椎间盘穿刺导致术后持续1-21天的机械性异常性疼痛。有趣的是,在这项研究中,在后路穿刺后,在DRG检测到炎性细胞因子增加,而前路穿刺后并未出现,这表明炎性因子的存在对于疼痛的产生是必不可少的。

2机械动物模型

机械动物模型通过改变正常的生物力学状态诱导椎间盘退变。这些模型包括后肢卸载模型、双足动物模型、尾侧脊柱机械动物模型、尾侧弯曲模型、脊柱不稳定性模型。在这些模型中,只有尾侧脊柱机械动物模型和脊柱不稳定性模型被证明能够模拟下腰痛

在尾部脊柱机械模型中主要研究的是疼痛相关分子的表达,而不是疼痛行为的改变。Chubinskaya等人用椎体压缩大鼠模型研究应力和疼痛之间的关系。将两根直径为0.8毫米的克氏针经皮插入第三和第五尾椎骨。每根金属丝分别固定在一个特殊设计的铝环上,该铝环由两个直径为30毫米的外环组成。两个环与四个杆相连,以固定和长期压缩克氏针,直到尾部呈现最大程度的成角畸形。受压的椎间盘表现出退化和炎症的迹象,包括基质金属蛋白酶-13TNF-α和白细胞介素-1β,以及疼痛相关分子标记物如p物质的表达。Moyagi等人证实在大鼠中使用尾骨椎间盘加压装置对椎间盘施压可使椎间盘压导致椎间盘长期产生炎症介质、DRG产生神经肽,如CGRP及生长相关磷酸蛋白。此外,椎间盘压迫可诱导转录激活因子3a(一种神经损伤标记物)的持续表达,并增加支配椎间盘传入神经纤维的再生70Suzuki等人还发现受压后骨质疏松椎骨中DRG神经元内的CGRP持续上调。

脊柱不稳定模型最初是通过破坏脊柱结构建立的。小鼠颈椎病模型是通过手术切除后部脊柱成分制备而成。Ariga等人发现,与自然老化的椎间盘相比,在颈椎病模型的椎间盘中观察到大量细胞凋亡和电生理破坏。Fukui等人通过完全切除双侧L4-L5小关节建立大鼠不稳定脊柱模型。在7周后,在该模型中观察到IDDLBP和伴随步态异常的神经性疼痛。BianZheng等人切除了第3至第5腰椎(L3-L5)棘突以及棘上韧带和棘间韧带,以促进小鼠形成不稳定的腰椎,从而产生没有明显的脊柱后凸的稳定的椎间盘退变。在该模型中的疼痛是由netrin-1+破骨细胞引发的,该类破骨细胞可引起终板穿孔及和感觉神经支配的产生。

3自发性椎间盘退变模型

富含半胱氨酸(SPARC) 的酸性分泌蛋白是一种参与胶原沉积、细胞-细胞外基质相互作用和细胞外基质重塑的基质细胞蛋白。老年受试者的椎间盘细胞退变、SPARC表达减少。SPARC-null小鼠表现为结缔组织缺损和椎间盘退变加速。更重要的是,SPARC-null小鼠表现出慢性下腰痛和神经根痛的行为体征。随着年龄的增加,SPARC-null小鼠轴性和放射性下腰痛的行为体征逐渐发展、身体功能下降的表现逐渐增加。有趣的是,SPARC-null小鼠表现出冷过敏和沿脊髓轴性伸展的回避行为。冷敏感具有特点位点,主要位于后爪和背部,而不包括尾巴。此外,icilin诱发的行为增多主要累及后爪,而对嘴唇没有影响。

总结

上述所有动物模型高度相似,它们都可以引起椎间盘退变,并引起可测量的疼痛症状的发生。这些模型对椎间盘采用了不同的干预方法,每种模型都具有独特的优点和缺点,总结如表1。椎间盘穿刺模型通过椎间盘的后路或前路损伤椎间盘而建立,尽管有一些缺点,但它们容易建立。后路椎间盘穿刺不可避免的会损伤后路脊柱结构。切除棘突和椎板会导致动物驼背。此外,物理-机械穿刺本身有刺激脊髓和神经根的风险,这将使研究产生偏差。尾椎机械模型通过施加异常压力来模拟人类腰痛的自然发展,代表了疼痛自然发展过程。然而,这些模型的建立过程复杂的,需要熟练的技术。很难普及这种模式。脊柱不稳定模型利用不稳定脊柱对椎间盘产生的异常压力;然而,这种压力的影响可能导致后柱的过度破坏,并导致严重的脊柱后凸。因此,必须仔细设计脊柱损伤的范围。作为一种自发性椎间盘退变模型,SPARC-null小鼠为研究自发性椎间盘退变和疼痛提供了一种方便和可控的模型。然而,这些小鼠作为一种转基因模型也有一些缺点。除了我们已经知道的缺乏SPARC可能在多方面影响椎间盘。相反,SPARC缺乏可能不能全部代表椎间盘退变及自然条件下发生的疼痛。


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发表于:2021-05-05 10:32

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