脊髓损伤动物模型的运动功能评价

脊髓损伤动物模型

中国实验动物信息网

2020-12-09

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　　摘要: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。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。该文就国内外已经建立的评价方法作系统综述，同时列举其在实验治疗学上的应用，指导研究者选用合适的评价方法。

　　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，出现与损伤节段相应的各种运动、感觉和括约肌功能障碍、肌张力异常以及病理反射等改变。国内外已经建立了脊髓挫伤、压迫损伤、横断损伤、缺血损伤、牵张损伤和化学损伤等多种 SCI 动物模型，并且开展了部分神经保护药物的药效学筛选。但在实际研究中发现，动物模型与临床 SCI仍有很大区别，需要建立一套完整的、客观的运动功能评价系统，这对进一步探讨 SCI 发生发展机制和损伤后的修复治疗显得尤为重要。现有的 SCI 动物模型的运动功能评价方法可大致分为开放场地试验( open field test) ，非开放性场地试验( non-open field test) 和联合行为学评分法( combined be- havioral score) 3 类。本文就各种 SCI动物模型的运动功能评价方法及其优缺点作系统综述，方便研究者根据实验治疗学的需要选用合适的模型及其评价方法。

　　1.Tarlov 法(Tarlov test)

　　1953年Tarlov 等首次描述开放场地试验，并应用于动物脊髓压迫损伤后的运动功能评价，内容有关节活动度，能否行走、跑步等。其特点是对灵长类动物较为可靠，且与脊髓损伤程度、神经功能恢复及轴突残存数量等的相关性较好，但对啮齿类动物一致性较差。由于观察者存在主观随意性，在不同实验环境下重复性不高。随后许多学者对 Tar- lov 法进行了诸多改良，并将此法应用于大鼠后肢功能评价。 Kazanci 等采用 Tarlov 法评价家兔脊髓缺血损伤后的运动功能，表明美西律具有明显改善神经功能和缓解组织病理损伤的作用，但与甲泼尼龙( 强大的抗氧化剂) 比较无统计学差异。Liang 等探讨川芎嗪和去铁胺治疗大鼠脊髓缺血损伤的联合效应，结果治疗组 Tarlov 评分明显高于对照组，且截瘫发生率与形态学改变存在相关性。改良的 Tarlov 法虽然较为简单，但评分跨度大，容易呈跳跃性分布，较难判别啮齿类动物 SCI 程度上的差异，也难以揭示神经功能恢复的整个过程。因此，Tarlov 法仅作为啮齿类动物 SCI 程度的初步筛选，适合与其他行为学方法结合使用。Akdemir等采用改良后的 Tarlov 法分级标准和斜板试验，评价经 SJA6017 ( 一种钙蛋白酶抑制剂) 治疗后的 SCI 大鼠后肢功能的改善状况，提示抑制钙蛋白酶诱导的细胞凋亡可能是一种可行的SCI 治疗策略。

　　2.BBB 法(Basso-Beattie-Bresnahan test)

　　1995 年 Basso 等以 Tarlov 法的开放场地试验为基础提出一种新的神经运动功能评价方法( 简称 BBB 法) 。该法分级较细致，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。主要是将动物置于环形封闭金属壳内，两个观察者对侧站立观察后肢运动功能变化，观察期为 5 min，期间观察者依照评分标准进行评分。根据评分结果，可以把 SCI 分为瘫痪、早期恢复、中期恢复和*后恢复4 个阶段。Basso 等认为该法专门用于评价大鼠 SCI 后后肢运动功能恢复情况，尤其是低位胸段脊髓挫伤后运动功能评价。其次，评分结果具有灵活性，可用于探讨运动功能恢复机制。由于记分呈渐进性排列，能够反映早期、中期及晚期的行为变化，揭示 SCI 恢复的全过程。Lankhorst 等在此基础上又增加了数据的输入、储存和分析，方便了数据间相互比较。Li 等改良了 BBB 法，并应用于小鼠 SCI 模型的运动功能评价。与斜板试验相比较更具敏感性，本法变异系数更小。Pinzon 等报道米诺环素治疗并未引起 SCI 大鼠行为学或组织病理学的改变，呼吁临床脊髓挫伤之后使用米诺环素治疗尚需要作进一步细致的研究。Takeda 等报道利用米诺环素治疗大鼠脊髓缺血损伤，而后借助 BBB 法评判大鼠后肢运动功能。结果发现治疗组动物 BBB 评分和正常神经元数量明显高于对照组。BBB 法用于评价前后肢运动功能时，需要采用双盲、双人独立观察记录，这样评分结果更具有客观性。因评分细节较多，对于初学者不易掌握。BBB 法仅适用于轻、中度损伤，而对重型损伤的评判敏感性不高。

　　3.步态分析(gait analysis)

　　de Medinaceli 等*早于 1982 年建立了脚印分析( foot- print analysis) 方法，并将其应用于大鼠神经运动功能评估，后经 Metz 等进行诸多改良。该法是将试验动物爪子涂以不同颜色的墨汁，并让其在木杆上行走，以跨步距离、爪子负重以及爪子活动角度为指标进行分析。但由于动物跨步距离和爪子活动角度难以精确测量，可靠性较差。Jia 等报道传统中药疏血通能明显促进脊髓血液循环，减少继发性损伤，保护缺血区神经元。采用 Tarlov 评分法和脚印分析法证实疏血通能促进损伤脊髓的运动功能恢复。VisuGait分析系统是继 BBB 法之后，学术界广为推崇的一种研究动物步态的自动评价体系。一般重大的原创性的实验治疗学结果，建议采用 VisuGait分析系统证实。该法能够提供大量不同运动功能的分析数据，包括着地时间、悬空时间、步长、左右脚间距、步序等。与 BBB 法相比，VisuGait分析系统克服了因动物快速运动而难以作出准确评估的缺陷，适合前后肢协调性评价。其次，该法也大大减少了人为因素的影响，使得评价结果的可靠性大大提高。Salazar 等采用VisuGait分析系统和 BBB 法观察小鼠脊髓挫伤后 30 d，移植人类神经干细胞的治疗效果。结果显示小鼠运动功能在移植后 d 2 就得到明显改善。

　　跑台试验( treadmill test) 是在VisuGait分析系统装置的基础上进行的又一次改进。主要是把透明跑道转换成一条可运转的跑步带，以便更有利于步态分析。该试验可用于动物肢体协调性及水平或倾斜步态力学分析，适合对小型啮齿类动物的研究。其次，步态参数与跑步带的速率呈相关性，便于进行不同阶段神经运动功能的评估。此法不再需要对试验动物前后肢涂墨汁，弥补了脚印分析的缺陷。因此，跑台试验被广泛应用于大脑感觉运动皮质损伤和 SCI 后的神经再生研究，其不足是需要购置昂贵的带高速摄像机的跑步机以及配套的数据采集分析软件。Li 等报道激活 Nogo-66 受体可以促进成年中枢神经系统损伤后的轴突生长，跑台试验、改良、改良 BBB 法、斜板试验和倾斜网格爬行评分均明显提高。

　　4.网格爬行(grid walking)

　　爬网格试验是检测动物脑或脊髓损伤后是否精确控制后爪放置能力的一种评价方法，适用于猫、鼠等小型动物。

　　根据网格放置角度不同，可分为水平网格试验和倾斜网格试验。该方法是将试验动物置于水平或倾斜的网格上( 两杆之间距离 2. 5 cm) ，以训练动物在网格上方寻找食物与水，记录在此过程中大鼠后爪失足落空次数，发出脚步声次数以及通过这段距离的时间等行为学数据。缺点是网格线太细，对后肢失足不易评价。要求训练者把握评价的每个细节，以便准确判别损伤与非损伤行为学变化。人为因素影响较大，耗时耗力，并且费用高。动物行走速度过快时不易观察。之后，Prakriya 等建立了一套网格爬行试验自动分析系统，首先用于评价 T12-T13脊髓背侧横断损伤后的行为学改变。对于行为学判断更为精确化，尤其是判别脚步声的持续性。具有操作简便，耗时短，可比性高等优点。但是，细小的行为变化，如轻微失足，仍较难检测。此外，由于一维感觉模式的局限，难以区分左右后肢的脚步声。Xu 等联合应用神经干细胞移植和 NgR 免疫接种来改善成年大鼠 SCI 后的运动功能，网格爬行试验的指标和 BBB 评分明显好于单个药物的治疗效果。

　　5.平衡木行走

　　平衡木行走可分为阶梯平衡木( ladder beam test) 和狭窄平衡木( narrow beam test) 两种试验。前者用来评价动物控制前后爪的放置能力，方法是将动物置于阶梯平衡杠杆上，记录前后肢滑落杠杆的次数，由 DV 视频采集数据。Cum- mings 等制作了改良的阶梯平衡木装置及其评分系统，并用于评价 T9 脊髓挫伤小鼠的后肢功能。*为关键的是，水平阶梯平衡木行走试验能辨别在开放场地试验中脚步频率相等的小鼠。该法的特点是受试对象训练时间短，参数评估准确，试验过程便于重复观察。其次，有利于辨别小鼠 BBB评分中第 5 ～ 7 点和大鼠 BBB 评分中第 9 ～ 13 点的行为变化。但与 BBB 法不同的是，该法主要评价感觉运动皮层损伤或 SCI，尤其是高位颈部 SCI 引起的前后肢功能障碍。另外，该法可对某些区域功能恢复能力加以辨别，如负重行走。Fiore 等将阶梯装置倾斜至 40°建立倾斜阶梯平衡木试验分析小鼠失足指标。小鼠中等程度的脊髓挫伤采用神经甾体脱氢表雄酮治疗后，运动行为障碍减轻，而且行为学结果与神经病理学改变呈一定相关性。1975 年 Hicks 等建立狭长平衡木装置评价大鼠 SCI 后身体平衡能力，失足次数等指标，适用于 SCI 模型及颅脑感觉运动皮层损伤的行为学评估。根据试验要求，通常将平衡木分为 3 种规格: 1. 2 cm、 2. 3 cm 矩形平衡木和 2. 5 cm 直径的圆柱形平衡木。Kunkel- Bagden 等认为狭窄平衡木试验可定量评估 SCI 大鼠的运动功能。郭丽萍等采用改良的狭窄平衡木试验评价大鼠颅脑损伤后的协调肌肉运动以及保持平衡的能力，并将损伤程度量化测试。缺点是平衡木越狭窄，试验动物的失足次数越多，导致评估结果可靠性降低。Merkler 等报道在采用Nogo-A( 一种髓鞘相关轴突生长抑制剂) 抗体中和抑制性抗原的抑制作用研究中，狭窄平衡木试验、BBB 评分及爬网格试验评分结果都有明显提高。

　　6.胸腰高度试验(thoracolumbar height test)

　　胸腰高度试验是通过监控设备观察大鼠通过透明跑道走廊时胸腰椎高度，借此分析大鼠后肢是部分负重还是全部负重。van de Meent 等将 SCI 后大鼠分别置于 3 个不同类型的环境中，分别采用胸腰高度试验、BBB 评分和 VisuGait步态分析、网格试验评价其行为学改变。结果表明 SCI 大鼠在富裕环境中进行训练达到一定阈值，运动功能会得到明显改善，但运动功能恢复不会再随强度增加而增加。缺点是不适用于轻型或极重型 SCI 模型的行为学评估，只能作为行为学评价的一种辅助手段。

　　7.斜板试验(inclined plane test)

　　斜板试验装置主要由 2 个直角夹板构成，通过铰链将夹板相互连接。斜板侧面设有角度板，便于调整角度。方法是将实验动物置于一斜板上，通过调整斜板角度获取动物 SCI后在斜板上维持 5 s 的*大角度值。斜板试验的设备制作简单，方法简便，重复性好，无创伤性，且与 SCI 程度相关性高，比较适用于轻中度 SCI 模型。1998 年 Yonemori 等将斜板试验进行了技术上的改造。具体是将大鼠置于水平斜板上( 0°) ，然后逐渐升至 30°作为起始角度，随后以 2 度/秒的速度增大，直到动物从斜板上滑落，记录*大角度值。Han 等报道实验性 SCI 大鼠给予降血脂药物辛伐他丁后，斜板试验角度以及 BBB 评分均明显提高，认为这种神经保护功效可能与上调 BDNF 和 GDNF 的表达有关。国内学者通过斜板试验与 Tarlov 法相结合的方法，观察中药龟板对大鼠SCI 后后肢