动物造模,儿童虐待性脑外伤动物模型 中国实验动物信息网 2023-08-04 780

　　简介：虐待性头部外伤 (AHT) 是目前公认的故意对幼儿造成头部损伤的名称，因为未将该头部损伤归因于任何特定的发病机制。这种神经系统疾病也被称为“小儿非意外头部损伤”、“摇晃婴儿综合症”、“受虐婴儿综合症”、“鞭打摇晃伤”和“摇晃冲击综合症”。AHT的神经病理学变化包括急性和慢性硬膜下出血（SDH）、脑肿胀、脑出血、挫伤性撕裂、缺氧缺血性损伤以及创伤性和缺血性轴突损伤（AI）。单独或以各种组合产生这些损伤的病理生理学和生物力学因病例而异。AHT中发现的急性脑病模式是全局性和缺血性的，神经元损伤广泛分布，以细胞质萎缩和嗜酸性粒细胞增多为特征。缺氧引起的弥漫性脑肿胀是常见的死亡原因。 在这个年龄段的儿童中，弥漫性轴索损伤 (DAI) 并不常见但颅内压升高导致的血管性 AI 是常见的发现。缺血性轴突损伤有缺血性和创伤性两种模式。在小于3个月的婴儿中，颅颈（颈髓）交界处似乎特别容易受到创伤性损伤，在 AHT 中发现该部位的缺血缺氧被认为是出现呼吸暂停和/或呼吸困难的儿童的结构基础。这种缺血性轴突损伤可能导致心肺停止，随后导致全脑缺血和肿胀。然而，这种机制对单侧脑损伤的解释不太令人信服。AHT病例中的SDH以薄层血液为特征，通常呈双侧分布。由头部加速/减速产生的剪切力是导致 SDH 的桥静脉破裂的*可能原因，尽管这些未成熟静脉中的缺氧内皮损伤以及血管通透性增加，也被认为是一种假定的损伤机制。与婴儿意外伤害相比，AHT中的视网膜出血（RH）更为常见和严重，但它仍然是非特异性的，因为还有许多其他潜在原因。AHT 出血通常是广泛的并且涉及所有视网膜层。 它们被认为是由旋转加速/减速力引起的，尽管有人推测 RH 可能是由于缺氧性血管损伤引起的。

　　AHT动物模型：已发表的 AHT 研究经常因其病例选择偏倚而受到批评，系统评价的结论是，没有足够的科学、循证研究来评估“三联征”在积极诊断 AHT 方面的诊断准确性并且存在关于三联症是否可以通过单独摇动产生的争议。AHT的诊断常常受到阻碍，因为缺乏令人信服的AHT疑似病例相关情况的历史记录，这是由于被指控的犯罪人混淆，并且没有可靠的证人。没有接触损伤也不一定意味着没有头部碰撞。动物建模的一个主要目的应该是更好地了解 AHT 中发现的病理变化的发病机制和生物力学。在开发AHT模型时，必须考虑儿童大脑的许多特征，这些属性解释了为什么试图将成人创伤性脑损伤（TBI）研究的数据外推到儿童往往是有问题的。婴儿大脑髓鞘形成不完全可能是造成对创伤损伤的反应与成人不同的原因，尤其是髓磷脂等脂质剪切值较低。髓鞘形成不完全和星形胶质细胞不成熟导致的剪切损伤易感性增加，似乎也有利于弥漫性脑损伤。婴儿颅骨穹窿柔软柔韧，缝线未融合，囟门开放，骨和硬脑膜血管丰富，硬脑膜与颅骨内表不牢固连接，相对较大的蛛网膜下腔有丰富的血管，颅骨底部光滑的骨支撑对大脑运动几乎没有阻力。未成熟大脑的含水量越高，其可压缩性越低，但也更容易受到颅内压升高的影响，尽管这在一定程度上可能被未成熟的囟门和缝合线分离所抵消。婴儿的大脑可以承受比大一点的儿童更大的变形，通常需要更大的力来使儿童的大脑变形。婴儿颅骨中的缝线在破裂之前可以变形超过 100%，但成人颅骨对机械力的抵抗力要高出 11 倍因为颅骨的刚度随着年龄的增长而增加。虽然更易变形的颅骨可能会减少角加速度造成的弥漫性脑损伤，但可能会增加撞击部位下方的局部损伤。在将结果从一个物种外推到另一个物种时，还必须考虑生长突增的时间，即大脑快速生长的短暂时期。 重要的是比较不同物种的大脑处于可比较的发育阶段，而不是相对于出生的年龄。根据大脑生长突增，哺乳动物物种主要可分为产前（例如绵羊）、围产期（人类、猪）和产后（大鼠、小鼠）大脑发育。我们对 AHT 脑损伤发展所涉及的病理生理学和生物力学机制的认识存在很大差距且这些研究不能在人类身上进行符合伦理的研究但很少有动物模型被设计用于研究 AHT 的发病机制。本综述的主要重点是评估已开发的动物模型的效用，以研究AHT中发生的神经病理学变化。AHT生物力学模型的评估超出了本综述的范围，但它们对于分析受伤后的头部运动，或脑内或脑与颅骨之间的差异运动非常重要。摇晃和头部撞击研究需要非常不同的生物力学建模，前者力相对低强度、持续时间长，而后者力高强度、短持续时间。由于不同的模型类型和损伤机制，比较不同生物力学模型之间的结果往往很困难，实验结果有时也相互矛盾。与生物力学研究类似，比较不同 AHT 动物模型之间发现的神经病理学变化是困难的，因为开发的机械装置的范围是为了在不同的动物物种中产生不同方向的头部运动。头部通常被限制在这些设备中以增强结果的可重复性，而不是自由移动，并且各种组织学技术已被用于检测脑损伤。本综述试图评估这些模型在再现与人类AHT相关的神经病理学变化方面的可靠性，包括其发生的一致性、严重程度和广泛的神经解剖分布。评估的病变是缺血性缺氧性神经元损伤、不同白质束中的多灶性 AI、血脑屏障 (BBB) 破坏和导致的弥漫性血管源性水肿，以及 SDH/SAH 和 RH。 如果给定研究中未描述病变，则假定未对其进行评估。

　　从该分析中可以明显看出迄今为止开发的动物模型没有可靠地再现在受虐待的人类婴儿中发现的全部神经病理学变化，尽管一些模型可能对研究特定病变的发病机制有用。唯一可靠地产生广泛神经元缺血缺氧损伤的模型是宾夕法尼亚大学开发的模型，其3-5日龄仔猪在不同方向上保持头部旋转。AHT羔羊模型发现脑和视网膜神经节细胞中广泛分布的神经元APP免疫阳性。这种神经元反应被认为是对手动摇动的非特异性急性应激反应。使用银浸渍技术在摇晃的婴儿小鼠中也发现了进行性新皮质神经元变性。在8 到 12 日龄的摇晃小鼠检测到、 3-5 日龄的机械头部旋转仔猪，7 – 10 日龄的手动摇晃羔羊中观察到不同白质束中的多灶性 AI。羔羊AI在半球白质中特别严重，但也广泛分布在脑干和颅颈交界处（震动期间负荷*大的位置）。据推测颅颈交界处的 AI 可能导致部分死亡羔羊出现呼吸暂停和心肺骤停。小鼠模型实质损伤仅限于脑室周围白质，导致出血，*终导致囊性改变，尽管AI更为广泛。在一些动物模型中发现SDH/SAH，但RH不常见。3 周龄的仔猪通过开颅术将外源性血液注入硬膜下腔，而不是通过机械诱导的头部运动产生 SDH。早期基因c-fos在手动摇动的羔羊模型颅颈脊髓的脑膜上皮细胞中有显著表达，但在半球、小脑和脑干脑膜，脑膜和半球白质中的血管内皮细胞也有显著表达。宾夕法尼亚大学的猪模型用于研究不同方向和不同应用频率的机械摇头所产生的脑损伤。 选择仔猪是因为它们与人类出生后的大脑发育序列相似，并且具有相似的脑血管发育，以及脑血流和脑电活动等反应。从这些猪研究中得出结论，神经病理学变化的严重性特别是AI，取决于持续的创伤性振动损伤的数量、这些损伤之间的时间间隔以及冲击力引起的头部运动的旋转方向。3-5日龄仔猪的创伤性AI在重复头部旋转后比单头旋转后更大意味着这种创伤性损伤的累积效应。当旋转间隔为24小时而不是7天时AI也更大。仔猪周期性的低速头部旋转比相同幅度的单次旋转产生更多的AI。仔猪也被用在同一个机械装置中研究头部在不同方向旋转产生的脑损伤。矢状和水平方向（但不是冠状方向）的头部运动经常产生缺血缺氧性神经元损伤、多灶性 AI 和 SDH。四分之三的动物不同方向的头部运动后在受伤后 6 小时出现 RH， 70% 的出血位于玻璃体视网膜区域。轴向旋转产生的出血多于矢状旋转或冠状旋转。这些发现支持了加速/减速力导致玻璃体对视网膜的异常牵引从而损伤视网膜血管并导致出血的观点。

　　讨论：迄今为止，实验室啮齿动物和家养动物开发的实验动物模型无法可靠地复制人类婴儿 AHT 中发现的全部神经病理学变化。很大程度上是由于不可调和的神经解剖物种差异以及在不同方向造成震动伤害的机械装置中，头部通常受到限制，而不是自由移动。不幸的是，TBI 动物模型的一个共同属性是机械输入越受控和可重复，模型就越不像现实世界的人类神经创伤，实验结果对人类的可转化性就越有问题。在大多数实验室啮齿动物模型和宾夕法尼亚大学的猪模型中，头部仅限于特定方向的运动，这不能模拟人类婴儿被恶意摇晃时可能发生的头部运动。动物模型尚未解决的 AHT 中*具争议的问题之一是单独摇晃是否足以造成严重的脑损伤，或者是否需要额外的头部撞击。

　　结论：任何动物模型都不太可能精确复制用于支持人类婴儿 AHT 诊断的完整脑部和眼部病变范围，所选模型可能是*适合正在研究的特定病变的模型 。未发育成熟的实验啮齿动物大脑与人类婴儿大脑之间的巨大差异，将使实验结果的物种间转化经常出现问题特别是动物头部在摇动过程中受到约束而不是自由移动。尽管存在这些困难，动物模型极大地提高了我们对成人TBI发病机制的理解，并有望进一步改进以产生更可靠的AHT神经病理学诊断结果。