引用本文： 陳浩, 戎鑫, 黃康康, 劉浩. 頸部脊髓損傷的嚙齒動物模型研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2023, 37(1): 120-126. doi: 10.7507/1002-1892.202209049 復制
脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）主要由交通事故、運動損傷和暴力等因素導致，在全球SCI已導致超過2 700萬人殘疾。SCI主要導致損傷平面以下感覺及運動功能障礙、大小便功能障礙等，嚴重影響患者的自理能力及生活質量，同時給家庭及社會帶來沉重的經濟負擔。目前治療方法主要有以椎管減壓為主要目的的手術治療和以減少神經凋亡、促進再生為目的藥物、干細胞療法，以及訓練患者殘留肢體功能以適應功能障礙生活狀態的康復治療等。但無論是手術還是其他治療方法，SCI預后仍較差。
對SCI機制及修復過程的研究，需要建立有效的動物模型。本文對嚙齒動物頸部SCI模型的研究進行回顧，總結了多種建模方法及其優勢、不足和可能改進方向，并簡要敘述了嚙齒動物頸部SCI后行為學、影像學、神經電生理學及組織學評估方法。
1 SCI模型的分類
SCI包括原發性損傷及繼發性損傷。原發性SCI包括直接機械損傷及其引起的脊髓局部神經元、軸突及血管損傷等[1]。原發性SCI根據損傷機制又可分為沖擊加持續壓縮、沖擊不伴壓縮、牽拉、撕裂或橫斷，以此衍生出不同的SCI模型，如挫傷、挫傷壓迫、骨折脫位、脊髓牽拉、脊髓橫斷模型等。挫傷為脊髓受到短暫外力作用所致，特點為外力接觸脊髓時間短，無后續二次損傷。挫傷壓迫模型中，脊髓同樣也受到短暫外力作用；與挫傷模型不同之處在于，挫傷壓迫模型中脊髓在初次瞬時損傷后繼續受到較長時間壓迫，與臨床SCI情況更為相似，即脊髓先受到瞬時挫傷，然后又因骨折脫位、骨折片壓迫、血腫及水腫等因素受到持續壓迫[2]。骨折脫位是較常見的損傷機制，在此類損傷中，脊柱及脊髓出現了移位并伴有骨折和周圍韌帶斷裂。而脊髓牽拉則是脊髓受到縱向牽張力時局部拉伸，如在頸椎屈曲-牽張和過伸性損傷中，脊髓可能僅受到縱向牽張力牽拉，而未直接受到挫傷[2-3]。脊髓橫斷模型即脊髓特定節段的連續性部分或完全中斷，最常見的是脊髓半切模型[4]。
繼發性SCI是指SCI后局部組織發生出血炎癥、水腫、缺血缺氧等病理過程，最終導致該部分出現脊髓神經細胞壞死、神經元軸突脫髓鞘、相應的神經功能受損等后果。為模擬繼發性SCI，目前研究建立了光化學模型及興奮性毒性模型等幾種化學損傷模型[5-6]。
2 嚙齒動物頸部SCI模型建立
2.1 挫傷模型
挫傷模型常見的建立方法為重物下墜法，該方法最早由Allen（1911）開創，通過將特定質量的重物從裸露脊髓上方一定高度自由落下擊打脊髓，造成脊髓挫傷；但該方法打擊脊髓精確度低，重物可能在脊髓上反彈，造成二次損傷。為避免上述缺陷，學者們設計出了不同打擊器進行建模，在頸部SCI中，常用的打擊器有Infinite Horizon裝置和電磁沖擊器。
Infinite Horizon裝置：Dunham等[7]首次報道使用該裝置建立頸部脊髓挫傷模型，其原理是控制打擊應力大小。Infinite Horizon裝置為電機控制的打擊器，帶有力傳感器，可感知打擊器頭端與脊髓接觸時的瞬時應力。工作時，先設置打擊應力大小，打擊器頭端打擊脊髓至設定力度后將自動回撤，從而造成相應應力大小的SCI。使用Infinite Horizon裝置時，首先需要將大鼠麻醉，擺放為俯臥位，在C2和T2棘突間作正中切口，切除C4～C6椎旁肌，切除C5椎體雙側椎板，從背側顯露脊髓，用Adson鉗夾住C2和T2棘突以穩定脊柱，使用直徑8 mm打擊器對準裸露脊髓，以1～3 N應力造成SCI。該裝置也能用于小鼠[8]。另外，其可通過控制頭端位置、直徑和應力大小等參數，造成單側或雙側SCI或輕、中、重度SCI[9]。
電磁沖擊器：該裝置于2000年由Jakeman[10]發明，2004年Pearse等[11]用于建立大鼠頸部脊髓挫傷模型。其原理是控制打擊器擊入脊髓的深度。工作時，打擊器頭端按照預先設定的深度在脊髓上進行單次沖擊，造成SCI；通過控制打擊器進入脊髓的深度造成不同程度SCI，輕度為0.8 mm，中度為0.95 mm，重度為1.1 mm，單次沖擊時間為20 ms。
挫傷模型建立方法簡單且使用范圍廣。使用以上裝置進行建模相比于重物下墜法，可重復性更高，對SCI部位的控制更為精確；通過控制打擊器頭端，能建立單側頸部挫傷模型，更加適合研究SCI后神經信號上行和下行傳導通路，同時避免因雙側頸部SCI導致實驗動物死亡率較高及損傷后動物養護繁瑣等不足[9，12]。
2.2 挫傷壓迫模型
在胸部SCI中，可使用動脈瘤夾、氣囊及脊髓捆扎等方法建立挫傷壓迫模型；而在頸部SCI中，常使用動脈瘤夾法。Forgione等[13]在小鼠脊髓上使用動脈瘤夾進行建模，同樣從背部暴露脊髓，之后用閉合力為5.25 g的動脈瘤夾夾住C6水平脊髓40 s，造成脊髓挫傷壓迫損傷。大鼠挫傷壓迫模型的建立與小鼠類似，通常使用閉合力為15～35 g的動脈瘤夾持續60 s，造成SCI[14-15]。
因挫傷壓迫模型與人SCI機制有更多相似性，該模型適用于頸部SCI后繼發性損傷的機制研究和干細胞治療相關研究。建模操作與挫傷模型有一定相似性，但使用動脈瘤夾暫時無法建立不同程度的SCI，如何造成不同嚴重程度的挫傷壓迫模型仍需進一步研究。
2.3 骨折脫位和脊髓牽拉模型
骨折脫位和脊髓牽拉是脊髓在不同方向的相對移位。Choo等[16]設計了一種裝置分別用于模擬骨折脫位和脊髓牽拉。首先從后方暴露頸椎椎板，切斷C4、C5之間的韌帶和小關節，使用特制椎骨夾分別固定C3、C4椎體和C5、C6椎體；然后將C5、C6椎體相對于C3、C4椎體迅速向背側移動2.5 mm模擬骨折脫位，向尾側移動4.0 mm模擬脊髓牽拉。
骨折脫位及牽拉模型所造成的SCI有不同之處，前者造成脊髓的原發性損傷和膜損傷，主要集中于受損節段；而后者常無局部脊髓的明顯急性損傷，但后續可能出現更為廣泛的軸突損害[16]。骨折脫位及牽拉模型能模擬人頸椎SCI后病理表現，但造成的SCI較挫傷模型及挫傷壓迫模型更重，難以控制其一致性，模型動物的急性死亡率較高[17-18]，可重復性也較低。
2.4 脊髓橫斷模型
脊髓橫斷模型最常見的是脊髓半切模型，嚙齒動物脊髓半切模型與人類及靈長動物脊髓半切綜合征有很高相似性，常出現損傷急性期同側前肢和雙側后肢運動嚴重受損，以及恢復期雙側后肢運動率先恢復、而損傷同側前肢功能恢復緩慢的情況[19]。建立脊髓半切模型，首先從后方暴露頸椎椎骨，去除目標節段后方椎板，使用顯微剪剪開硬腦膜，用顯微刀鈍側插入脊髓中部，銳側朝外切開目標側脊髓，重復1次后即可建立脊髓半切模型[20]。
高位頸部脊髓半切模型（C2）常用于研究頸部SCI中膈神經和呼吸功能的恢復進程[21-22]；低位半切模型常用于研究頸部SCI后運動回路的上、下行通路和前、后肢功能恢復。與單側挫傷模型類似，該模型可將患側與健側前肢對比評估預后，也能通過損傷不同節段頸部脊髓，造成不同程度前肢功能缺失[23-24]。脊髓半切模型操作可重復性高，對動物造成的損傷小，后續動物護理更為方便。
2.5 繼發性頸部SCI模型
繼發性SCI模型主要有光化學模型及興奮性毒性模型，前者為使用激光照射局部脊髓表面，從而激發血管中的光敏物質，導致局部脊髓毛細血管腫瘤血小板聚集，從而引起局部缺血[5]。操作方法：首先麻醉動物，將光敏物質注入血管中，從背部暴露脊髓后，使用外部光源照射脊髓表面30 min。該方法對大鼠及小鼠均適用[25]，具有非侵入、手術操作少、可重復性高、損傷脊髓部位控制更精確等優點，但在頸脊髓節段建模的應用較少。興奮性毒性模型為將興奮性氨基酸（如谷氨酸和天冬氨酸等）直接注入局部脊髓，從而引起繼發性損傷。該模型與人SCI后病理表現類似[6，26]，常用于研究SCI后神經性疼痛，但在頸脊髓節段的應用仍需開發。
3 嚙齒動物頸部SCI模型的行為學評估方法
行為學評估能反映SCI及治療后動物全身功能的恢復情況，在頸部SCI研究中，對四肢特別是前肢的感覺及運動功能恢復更為關注。
3.1 后肢功能評估方法
BBB評分：BBB評分是目前應用最廣泛的評估SCI后下肢運動功能方法，是Basso等[27]在1995年為評估大鼠胸部SCI后的后肢功能開發的一種方法。該評分系統通過使用一系列量表，對在空曠場地自由活動的大鼠各種活動進行評分，評分標準從0分（后肢完全無功能）到21分（正常運動），能夠粗略評估動物SCI后恢復過程中的后肢運動、支撐、前后肢協調運動和全身運動情況等，在后續各種研究中均得到了很好的驗證。該評分優點在于不需要對動物進行預先訓練，而且研究人員能夠快速準確地學習該量表使用方法。
CatWalk法：CatWalk是一種由Hamers等[28]開發的運動分析系統，該方法通過對嚙齒動物的腳步和身體輪廓進行拍攝記錄分析，從而評估動物步態。該系統主要由一長的玻璃走道和走道下方的高速攝像機組成，通過記錄動物通過玻璃走道時的肢體支撐時間、步長、步幅、擺動速度、協調性指數等數據，分析動物的步態模式；所得數據能與基線數據、前后肢、左右側等進行對比分析，同時還可對各參數進行加權組合，量化評估各類SCI的步態模式[29-30]。該方法缺點在于要求動物保持一定運動功能，不適用于運動恢復的早期階段或嚴重頸部SCI。此外，該方法需要對動物進行一定預先訓練，從而保證測試結果的精確性。
3.2 前肢功能評估方法
對前肢功能恢復的評估能更有效地反映頸部SCI恢復程度。目前評估前肢功能的方法有握力法、前肢運動評估量表及換步試驗等。
握力法：握力法是最簡單的前肢肌力恢復評估方法，需在手術建模前對實驗動物進行4～5周前爪握力訓練，并使用握力計收集前肢總握力及左、右前肢握力的基線數據，手術建模后再收集各項握力數據，以評估治療效果[10，31]。該方法測量數據為前肢絕對力量，同時允許獨立測量每個前肢的力量，在相同體質量的大鼠或小鼠間測量有較高的穩定性和可重復性；另外，該項測試為客觀評估，受測試人員主觀因素干擾較小。但使用該方法進行評估，需對動物進行預先訓練，動物對使用握力計配合越好，測量數據越準確可靠。
前肢運動評估量表：目前已有許多新的方法評估嚙齒動物頸部SCI模型的前肢功能。Cao等[32]為了更準確評估受影響側前、后肢運動功能，改良了BBB評分量表并修改了其部分評分標準，將得分范圍改為了從0分（后肢完全無功能）到17分（正常運動）。Anderson等[33]開發了一種新的前肢運動評估量表（FLAS），該量表更加注重前肢各部分運動情況，包括肩部、肘部和腕關節的運動，前爪各趾位置，前后肢是否協調及爬行時的平衡和代償行為，能評估頸部SCI大鼠在運動時前肢使用情況，不同等級評分也能反映大鼠前肢運動恢復情況。
換步試驗：換步試驗有姿勢不穩定性試驗（postural instability test，PIT）和前肢換步試驗等。PIT的操作方法為固定大鼠軀干使其懸空、身體倒立并盡量垂直于桌面，將一側前肢固定緊貼軀干，另一側前肢置于桌面；試驗開始時輕推大鼠，使其重心向前移動，導致重心不穩定，刺激大鼠為保持姿勢使用前肢向前邁步；收集兩步之間的平均距離，大鼠恢復越好，兩步之間平均距離越接近術前基線[34]。Khaing等[35]在PIT基礎上開發了前肢換步試驗，其操作方法與PIT類似，不同之處為前肢換步試驗大鼠雙側前肢均置于桌上；試驗開始時向前推大鼠，觀察大鼠是否交替使用前肢前行，從而判斷前肢損傷及恢復情況。以上試驗能評估嚙齒動物頸脊髓單側損傷后兩側前肢功能受損情況，同樣需要對動物進行預先訓練[36]。
對于嚙齒動物前肢和后肢的運動學評估相當費時，所以更多更便捷的測試方法被開發，如Ellens等[37]使用高速攝影及自動化投喂系統，可以訓練大鼠使用前肢獲取食物，同時攝像記錄并自動評估大鼠取食過程中的前肢動作。該系統在自動化基礎上，能精確記錄大鼠前肢各動作的時間。
3.3 感覺功能評估
感覺功能評估也是頸部SCI后的一項重要測試，對嚙齒動物感覺功能的評估方法主要針對痛覺及溫度覺，包括Von Frey 試驗和Hargraeves試驗。
Von Frey試驗：該試驗主要測量針刺痛覺的閾值，通過使用一系列不同粗細（即不同克數）的Von Frey細絲刺激動物爪部皮膚，觀察動物是否回撤受刺激爪子、舔舐刺激部位或發出聲音等，疼痛閾值為能導致實驗動物在至少50%的刺激時間中產生以上行為時的最低Von Frey細絲克數[38]。通過對疼痛閾值大小的比較，可以判斷感覺功能的恢復及感覺過敏等情況。
Hargreaves試驗：該試驗也被稱為熱輻射縮爪試驗，由Hargreaves等[39]于1988年開發，通過測量嚙齒動物足底受有害紅外線熱刺激后的縮爪時間，來評估肢體的熱溫度覺。該試驗需將檢測動物封閉于透明玻璃盒內，待動物適應后，將強度為40 W的紅外線照射到動物足底面，記錄從照射起到縮爪的時間；每次最長照射時間為30 s，以免損傷局部組織；每只爪子重復測量5次，每次照射結束間隔1 min，用于計算平均縮爪時間[40]。Hargreaves試驗是目前應用最廣泛的評估熱溫度覺方法，不需要對動物進行預先訓練，可進行SCI同側或對側對比。
4 嚙齒動物模型的影像學評估方法
影像學檢查能用于評估SCI損傷范圍，確定SCI程度及恢復程度。臨床上常用的X線片和CT主要能評估脊柱是否骨折、脊柱骨折程度及骨折愈合過程，但對SCI損傷及損傷程度無法評估，故需結合其他檢查一同評估。MRI有無創性和可重復性等優點，MRI及基于MRI發展的新技術是評估SCI的重要方法。
4.1 MRI
MRI可以顯示SCI部位脊髓水腫、出血、肌肉韌帶損傷等特征。通過對圖像的處理，能夠量化各時期不同類型圖像的總面積及總體積，從而判斷損傷范圍、損傷病理變化，并評估預后及治療效果[41-42]。
4.2 彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）
DTI是一種特殊MRI序列的成像方法，主要反映水分子在體內的擴散。在正常脊髓中白質結構完整，DTI成像時軸向擴散率（axial diffusivity，AD）較大而徑向擴散率（radial diffusivity，RD）較小；而SCI時，因損傷部位軸突直接破壞，軸突完整性受損，成像時局部AD減小，而軸突、細胞膜及髓鞘的破壞使得水分子垂直于軸突的彌散增加，RD明顯增加[43-44]。Lee等[45]對單側及雙側頸部SCI大鼠的研究表明，DTI的變化與組織學變化有較強相似性。Jirjis等[46]的研究表明，采用干細胞移植治療胸部SCI大鼠時，DTI能夠反映脊髓結構及功能的變化，可作為干細胞治療后脊髓修復的評估指標。
DTI能無創評估SCI程度，通過評估脊髓白質的修復情況，可預測脊髓功能恢復及評估治療效果。與胸部脊髓相比，頸脊髓白質/灰質比更大，供血更豐富，在損傷時更易出血，且能導致更大的功能障礙。目前頸部SCI中使用DTI進行評估的研究較少，仍需進一步研究。
4.3 功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）
fMRI是一種基于MRI技術檢測大腦功能變化的成像方法。該技術主要基于血氧水平依賴效應，能反映脊髓在不同狀態下的功能變化，研究感覺及運動信號在大腦和相應神經支配區域的傳遞過程[47]。Sanganahalli等[12]在評估大鼠頸部SCI后的前肢感覺功能時，使用fMRI技術評估SCI后大腦皮層活動及感覺過敏現象。fMRI主要用于評估SCI后運動和感覺恢復情況，它不僅能反映脊髓傳導功能的變化，也能反映大腦皮層在SCI后各種代償功能建立的過程。
其他基于MRI評估頸部SCI的方法也在不斷開發，如Meyer等[48]使用MRI中動脈自旋標記評估頸部SCI大鼠創傷部位的血流灌注情況。錳增強MRI被用于評估干細胞移植后受傷部位脊髓上行和下行傳導束的再生情況[49]。
5 嚙齒動物模型的神經電生理學評估方法
在嚙齒動物中使用神經電生理評估脊髓功能很常見，最常用方法為誘發電位。目前主要在嚙齒動物中使用的有感覺誘發電位（somatosensory evoked potential，SEP）及運動誘發電位（motor evoked potential，MEP）。
MEP和SEP分別代表運動和感覺通路，是評估神經功能恢復的客觀工具[50]。在嚙齒動物胸部SCI模型中，測量MEP時將記錄電極置于后肢腓腸肌內，而測量SEP時將刺激電極置于雙側后肢腓總神經附近。而在頸部SCI模型中，更加重視前肢運動及感覺通路的變化。Huang等[51]在單側頸部脊髓挫傷大鼠模型中，評估MEP和SEP與大鼠行為學及局部組織學結果的相關性。在每次電生理評估時，首先用異氟醚麻醉大鼠，測量MEP時將記錄電極置于前肢伸肌內，刺激電極置于頭顱皮下運動皮層對應位置，電流強度為3.5～12 mA，重復測量3次，記錄MEP峰值幅度；而測量SEP時將記錄電極置于頭頂皮下，參考電極置于頸部皮下，刺激電極置于雙側前肢正中神經附近，使用恒定脈沖電流（5～10 mA，0.2 Hz）進行測量，記錄SEP峰值幅度。Wilcox等[52]在頸部SCI大鼠模型中，記錄前肢正中神經至C1脊髓的SEP并與假手術組相比，結果顯示C5及C6 SCI組SEP明顯降低，而C7 SCI組在幅度及傳導時間上與假手術組均無差異。Li等[53]研究表明，MEP和SEP的變化以及電位幅度的變化可以反映頸部脊髓挫傷后大鼠粗大和精細運動功能的變化。
誘發電位的缺點在于使用過程中需連接額外的電極及儀器，而測試過程中對動物麻醉要求較高；但該方法能反映脊髓電活動的精確變化，可作為行為學評估的補充。
6 嚙齒動物模型的組織學評估方法
頸部SCI的組織學評估包括定性及定量微觀下脊髓的幾何變化，白質、灰質形態，神經纖維變性壞死，微血管壞死及脊髓修復情況。
SCI的病理學變化包括灰質細胞體凋亡、白質軸突變性壞死、出血及微血管破壞、星形膠質細胞增生及小膠質細胞募集等。HE染色為組織學中最常用染色方法，可用于觀測脊髓一般形態學和脊髓局部出血情況。固藍染色可顯示髓鞘是否完整、變性與壞死程度、修復程度，其可將髓鞘染為藍綠色，細胞核染為紅色[54]。尼氏染色可將神經元中尼氏小體染為深藍色，在神經細胞受損時，尼氏小體會減少甚至消失。而免疫組織化學染色能更精確評估SCI后細胞及亞細胞結構的變化。膠質纖維酸性蛋白是星形膠質細胞的特異性標志蛋白，可用于評估SCI與修復過程中星形膠質細胞的活動變化；而神經微絲蛋白、β-微管蛋白Ⅲ、髓鞘堿性蛋白等可作為免疫組織化學染色的標志物，定量分析脊髓軸突損傷及修復情況；NeuN/Fluoro Nissl免疫組織化學染色可用于評價存活神經元數量[54]。以上組織學及免疫組織化學染色，可根據研究目的選擇單獨或聯合使用，以評估SCI程度及修復情況。
7 總結與展望
對SCI機制及修復過程的研究，需要建立有效的動物模型。相較于大型哺乳動物（豬、狗等）及非人靈長動物（如獼猴等），小型哺乳動物模型的建模難度和成本更低。因此在SCI研究中，有92%采用嚙齒動物進行建模[55]。目前大多數嚙齒動物SCI模型為胸部SCI模型，最常見的損傷節段是T10，表現為下肢、尾部運動感覺功能障礙及排尿、排便功能缺失。頸部SCI后果嚴重，除造成下肢感覺、運動等功能喪失外，也造成上肢感覺、運動障礙。上肢功能能否恢復將顯著影響頸部SCI后患者的自主生活能力。胸部SCI嚙齒動物模型不能模擬頸部SCI后上肢感覺、運動及各種自主活動的變化，為更好研究頸部SCI，需要不斷建立并驗證新的頸部SCI動物模型。另外，在SCI不斷增多而頸部SCI后遺癥嚴重的情況下，通過動物模型研究SCI的病理生理過程、手術方法及時機、新型藥物及干細胞移植治療有重要意義。
本文總結了嚙齒動物頸部SCI模型的幾種建立方法及常用的損傷后評估方法。在研究人頸部SCI中，建立并使用與人頸部SCI更為相近、可重復性更高的動物模型，開發更為準確、敏感評估治療效果的方法，仍是未來探索的方向。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點
作者貢獻聲明 劉浩：綜述構思及設計；戎鑫：論文審校；黃康康：資料及文獻收集；陳浩：文獻收集及文章撰寫
脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）主要由交通事故、運動損傷和暴力等因素導致，在全球SCI已導致超過2 700萬人殘疾。SCI主要導致損傷平面以下感覺及運動功能障礙、大小便功能障礙等，嚴重影響患者的自理能力及生活質量，同時給家庭及社會帶來沉重的經濟負擔。目前治療方法主要有以椎管減壓為主要目的的手術治療和以減少神經凋亡、促進再生為目的藥物、干細胞療法，以及訓練患者殘留肢體功能以適應功能障礙生活狀態的康復治療等。但無論是手術還是其他治療方法，SCI預后仍較差。
對SCI機制及修復過程的研究，需要建立有效的動物模型。本文對嚙齒動物頸部SCI模型的研究進行回顧，總結了多種建模方法及其優勢、不足和可能改進方向，并簡要敘述了嚙齒動物頸部SCI后行為學、影像學、神經電生理學及組織學評估方法。
1 SCI模型的分類
SCI包括原發性損傷及繼發性損傷。原發性SCI包括直接機械損傷及其引起的脊髓局部神經元、軸突及血管損傷等[1]。原發性SCI根據損傷機制又可分為沖擊加持續壓縮、沖擊不伴壓縮、牽拉、撕裂或橫斷，以此衍生出不同的SCI模型，如挫傷、挫傷壓迫、骨折脫位、脊髓牽拉、脊髓橫斷模型等。挫傷為脊髓受到短暫外力作用所致，特點為外力接觸脊髓時間短，無后續二次損傷。挫傷壓迫模型中，脊髓同樣也受到短暫外力作用；與挫傷模型不同之處在于，挫傷壓迫模型中脊髓在初次瞬時損傷后繼續受到較長時間壓迫，與臨床SCI情況更為相似，即脊髓先受到瞬時挫傷，然后又因骨折脫位、骨折片壓迫、血腫及水腫等因素受到持續壓迫[2]。骨折脫位是較常見的損傷機制，在此類損傷中，脊柱及脊髓出現了移位并伴有骨折和周圍韌帶斷裂。而脊髓牽拉則是脊髓受到縱向牽張力時局部拉伸，如在頸椎屈曲-牽張和過伸性損傷中，脊髓可能僅受到縱向牽張力牽拉，而未直接受到挫傷[2-3]。脊髓橫斷模型即脊髓特定節段的連續性部分或完全中斷，最常見的是脊髓半切模型[4]。
繼發性SCI是指SCI后局部組織發生出血炎癥、水腫、缺血缺氧等病理過程，最終導致該部分出現脊髓神經細胞壞死、神經元軸突脫髓鞘、相應的神經功能受損等后果。為模擬繼發性SCI，目前研究建立了光化學模型及興奮性毒性模型等幾種化學損傷模型[5-6]。
2 嚙齒動物頸部SCI模型建立
2.1 挫傷模型
挫傷模型常見的建立方法為重物下墜法，該方法最早由Allen（1911）開創，通過將特定質量的重物從裸露脊髓上方一定高度自由落下擊打脊髓，造成脊髓挫傷；但該方法打擊脊髓精確度低，重物可能在脊髓上反彈，造成二次損傷。為避免上述缺陷，學者們設計出了不同打擊器進行建模，在頸部SCI中，常用的打擊器有Infinite Horizon裝置和電磁沖擊器。
Infinite Horizon裝置：Dunham等[7]首次報道使用該裝置建立頸部脊髓挫傷模型，其原理是控制打擊應力大小。Infinite Horizon裝置為電機控制的打擊器，帶有力傳感器，可感知打擊器頭端與脊髓接觸時的瞬時應力。工作時，先設置打擊應力大小，打擊器頭端打擊脊髓至設定力度后將自動回撤，從而造成相應應力大小的SCI。使用Infinite Horizon裝置時，首先需要將大鼠麻醉，擺放為俯臥位，在C2和T2棘突間作正中切口，切除C4～C6椎旁肌，切除C5椎體雙側椎板，從背側顯露脊髓，用Adson鉗夾住C2和T2棘突以穩定脊柱，使用直徑8 mm打擊器對準裸露脊髓，以1～3 N應力造成SCI。該裝置也能用于小鼠[8]。另外，其可通過控制頭端位置、直徑和應力大小等參數，造成單側或雙側SCI或輕、中、重度SCI[9]。
電磁沖擊器：該裝置于2000年由Jakeman[10]發明，2004年Pearse等[11]用于建立大鼠頸部脊髓挫傷模型。其原理是控制打擊器擊入脊髓的深度。工作時，打擊器頭端按照預先設定的深度在脊髓上進行單次沖擊，造成SCI；通過控制打擊器進入脊髓的深度造成不同程度SCI，輕度為0.8 mm，中度為0.95 mm，重度為1.1 mm，單次沖擊時間為20 ms。
挫傷模型建立方法簡單且使用范圍廣。使用以上裝置進行建模相比于重物下墜法，可重復性更高，對SCI部位的控制更為精確；通過控制打擊器頭端，能建立單側頸部挫傷模型，更加適合研究SCI后神經信號上行和下行傳導通路，同時避免因雙側頸部SCI導致實驗動物死亡率較高及損傷后動物養護繁瑣等不足[9，12]。
2.2 挫傷壓迫模型
在胸部SCI中，可使用動脈瘤夾、氣囊及脊髓捆扎等方法建立挫傷壓迫模型；而在頸部SCI中，常使用動脈瘤夾法。Forgione等[13]在小鼠脊髓上使用動脈瘤夾進行建模，同樣從背部暴露脊髓，之后用閉合力為5.25 g的動脈瘤夾夾住C6水平脊髓40 s，造成脊髓挫傷壓迫損傷。大鼠挫傷壓迫模型的建立與小鼠類似，通常使用閉合力為15～35 g的動脈瘤夾持續60 s，造成SCI[14-15]。
因挫傷壓迫模型與人SCI機制有更多相似性，該模型適用于頸部SCI后繼發性損傷的機制研究和干細胞治療相關研究。建模操作與挫傷模型有一定相似性，但使用動脈瘤夾暫時無法建立不同程度的SCI，如何造成不同嚴重程度的挫傷壓迫模型仍需進一步研究。
2.3 骨折脫位和脊髓牽拉模型
骨折脫位和脊髓牽拉是脊髓在不同方向的相對移位。Choo等[16]設計了一種裝置分別用于模擬骨折脫位和脊髓牽拉。首先從后方暴露頸椎椎板，切斷C4、C5之間的韌帶和小關節，使用特制椎骨夾分別固定C3、C4椎體和C5、C6椎體；然后將C5、C6椎體相對于C3、C4椎體迅速向背側移動2.5 mm模擬骨折脫位，向尾側移動4.0 mm模擬脊髓牽拉。
骨折脫位及牽拉模型所造成的SCI有不同之處，前者造成脊髓的原發性損傷和膜損傷，主要集中于受損節段；而后者常無局部脊髓的明顯急性損傷，但后續可能出現更為廣泛的軸突損害[16]。骨折脫位及牽拉模型能模擬人頸椎SCI后病理表現，但造成的SCI較挫傷模型及挫傷壓迫模型更重，難以控制其一致性，模型動物的急性死亡率較高[17-18]，可重復性也較低。
2.4 脊髓橫斷模型
脊髓橫斷模型最常見的是脊髓半切模型，嚙齒動物脊髓半切模型與人類及靈長動物脊髓半切綜合征有很高相似性，常出現損傷急性期同側前肢和雙側后肢運動嚴重受損，以及恢復期雙側后肢運動率先恢復、而損傷同側前肢功能恢復緩慢的情況[19]。建立脊髓半切模型，首先從后方暴露頸椎椎骨，去除目標節段后方椎板，使用顯微剪剪開硬腦膜，用顯微刀鈍側插入脊髓中部，銳側朝外切開目標側脊髓，重復1次后即可建立脊髓半切模型[20]。
高位頸部脊髓半切模型（C2）常用于研究頸部SCI中膈神經和呼吸功能的恢復進程[21-22]；低位半切模型常用于研究頸部SCI后運動回路的上、下行通路和前、后肢功能恢復。與單側挫傷模型類似，該模型可將患側與健側前肢對比評估預后，也能通過損傷不同節段頸部脊髓，造成不同程度前肢功能缺失[23-24]。脊髓半切模型操作可重復性高，對動物造成的損傷小，后續動物護理更為方便。
2.5 繼發性頸部SCI模型
繼發性SCI模型主要有光化學模型及興奮性毒性模型，前者為使用激光照射局部脊髓表面，從而激發血管中的光敏物質，導致局部脊髓毛細血管腫瘤血小板聚集，從而引起局部缺血[5]。操作方法：首先麻醉動物，將光敏物質注入血管中，從背部暴露脊髓后，使用外部光源照射脊髓表面30 min。該方法對大鼠及小鼠均適用[25]，具有非侵入、手術操作少、可重復性高、損傷脊髓部位控制更精確等優點，但在頸脊髓節段建模的應用較少。興奮性毒性模型為將興奮性氨基酸（如谷氨酸和天冬氨酸等）直接注入局部脊髓，從而引起繼發性損傷。該模型與人SCI后病理表現類似[6，26]，常用于研究SCI后神經性疼痛，但在頸脊髓節段的應用仍需開發。
3 嚙齒動物頸部SCI模型的行為學評估方法
行為學評估能反映SCI及治療后動物全身功能的恢復情況，在頸部SCI研究中，對四肢特別是前肢的感覺及運動功能恢復更為關注。
3.1 后肢功能評估方法
BBB評分：BBB評分是目前應用最廣泛的評估SCI后下肢運動功能方法，是Basso等[27]在1995年為評估大鼠胸部SCI后的后肢功能開發的一種方法。該評分系統通過使用一系列量表，對在空曠場地自由活動的大鼠各種活動進行評分，評分標準從0分（后肢完全無功能）到21分（正常運動），能夠粗略評估動物SCI后恢復過程中的后肢運動、支撐、前后肢協調運動和全身運動情況等，在后續各種研究中均得到了很好的驗證。該評分優點在于不需要對動物進行預先訓練，而且研究人員能夠快速準確地學習該量表使用方法。
CatWalk法：CatWalk是一種由Hamers等[28]開發的運動分析系統，該方法通過對嚙齒動物的腳步和身體輪廓進行拍攝記錄分析，從而評估動物步態。該系統主要由一長的玻璃走道和走道下方的高速攝像機組成，通過記錄動物通過玻璃走道時的肢體支撐時間、步長、步幅、擺動速度、協調性指數等數據，分析動物的步態模式；所得數據能與基線數據、前后肢、左右側等進行對比分析，同時還可對各參數進行加權組合，量化評估各類SCI的步態模式[29-30]。該方法缺點在于要求動物保持一定運動功能，不適用于運動恢復的早期階段或嚴重頸部SCI。此外，該方法需要對動物進行一定預先訓練，從而保證測試結果的精確性。
3.2 前肢功能評估方法
對前肢功能恢復的評估能更有效地反映頸部SCI恢復程度。目前評估前肢功能的方法有握力法、前肢運動評估量表及換步試驗等。
握力法：握力法是最簡單的前肢肌力恢復評估方法，需在手術建模前對實驗動物進行4～5周前爪握力訓練，并使用握力計收集前肢總握力及左、右前肢握力的基線數據，手術建模后再收集各項握力數據，以評估治療效果[10，31]。該方法測量數據為前肢絕對力量，同時允許獨立測量每個前肢的力量，在相同體質量的大鼠或小鼠間測量有較高的穩定性和可重復性；另外，該項測試為客觀評估，受測試人員主觀因素干擾較小。但使用該方法進行評估，需對動物進行預先訓練，動物對使用握力計配合越好，測量數據越準確可靠。
前肢運動評估量表：目前已有許多新的方法評估嚙齒動物頸部SCI模型的前肢功能。Cao等[32]為了更準確評估受影響側前、后肢運動功能，改良了BBB評分量表并修改了其部分評分標準，將得分范圍改為了從0分（后肢完全無功能）到17分（正常運動）。Anderson等[33]開發了一種新的前肢運動評估量表（FLAS），該量表更加注重前肢各部分運動情況，包括肩部、肘部和腕關節的運動，前爪各趾位置，前后肢是否協調及爬行時的平衡和代償行為，能評估頸部SCI大鼠在運動時前肢使用情況，不同等級評分也能反映大鼠前肢運動恢復情況。
換步試驗：換步試驗有姿勢不穩定性試驗（postural instability test，PIT）和前肢換步試驗等。PIT的操作方法為固定大鼠軀干使其懸空、身體倒立并盡量垂直于桌面，將一側前肢固定緊貼軀干，另一側前肢置于桌面；試驗開始時輕推大鼠，使其重心向前移動，導致重心不穩定，刺激大鼠為保持姿勢使用前肢向前邁步；收集兩步之間的平均距離，大鼠恢復越好，兩步之間平均距離越接近術前基線[34]。Khaing等[35]在PIT基礎上開發了前肢換步試驗，其操作方法與PIT類似，不同之處為前肢換步試驗大鼠雙側前肢均置于桌上；試驗開始時向前推大鼠，觀察大鼠是否交替使用前肢前行，從而判斷前肢損傷及恢復情況。以上試驗能評估嚙齒動物頸脊髓單側損傷后兩側前肢功能受損情況，同樣需要對動物進行預先訓練[36]。
對于嚙齒動物前肢和后肢的運動學評估相當費時，所以更多更便捷的測試方法被開發，如Ellens等[37]使用高速攝影及自動化投喂系統，可以訓練大鼠使用前肢獲取食物，同時攝像記錄并自動評估大鼠取食過程中的前肢動作。該系統在自動化基礎上，能精確記錄大鼠前肢各動作的時間。
3.3 感覺功能評估
感覺功能評估也是頸部SCI后的一項重要測試，對嚙齒動物感覺功能的評估方法主要針對痛覺及溫度覺，包括Von Frey 試驗和Hargraeves試驗。
Von Frey試驗：該試驗主要測量針刺痛覺的閾值，通過使用一系列不同粗細（即不同克數）的Von Frey細絲刺激動物爪部皮膚，觀察動物是否回撤受刺激爪子、舔舐刺激部位或發出聲音等，疼痛閾值為能導致實驗動物在至少50%的刺激時間中產生以上行為時的最低Von Frey細絲克數[38]。通過對疼痛閾值大小的比較，可以判斷感覺功能的恢復及感覺過敏等情況。
Hargreaves試驗：該試驗也被稱為熱輻射縮爪試驗，由Hargreaves等[39]于1988年開發，通過測量嚙齒動物足底受有害紅外線熱刺激后的縮爪時間，來評估肢體的熱溫度覺。該試驗需將檢測動物封閉于透明玻璃盒內，待動物適應后，將強度為40 W的紅外線照射到動物足底面，記錄從照射起到縮爪的時間；每次最長照射時間為30 s，以免損傷局部組織；每只爪子重復測量5次，每次照射結束間隔1 min，用于計算平均縮爪時間[40]。Hargreaves試驗是目前應用最廣泛的評估熱溫度覺方法，不需要對動物進行預先訓練，可進行SCI同側或對側對比。
4 嚙齒動物模型的影像學評估方法
影像學檢查能用于評估SCI損傷范圍，確定SCI程度及恢復程度。臨床上常用的X線片和CT主要能評估脊柱是否骨折、脊柱骨折程度及骨折愈合過程，但對SCI損傷及損傷程度無法評估，故需結合其他檢查一同評估。MRI有無創性和可重復性等優點，MRI及基于MRI發展的新技術是評估SCI的重要方法。
4.1 MRI
MRI可以顯示SCI部位脊髓水腫、出血、肌肉韌帶損傷等特征。通過對圖像的處理，能夠量化各時期不同類型圖像的總面積及總體積，從而判斷損傷范圍、損傷病理變化，并評估預后及治療效果[41-42]。
4.2 彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）
DTI是一種特殊MRI序列的成像方法，主要反映水分子在體內的擴散。在正常脊髓中白質結構完整，DTI成像時軸向擴散率（axial diffusivity，AD）較大而徑向擴散率（radial diffusivity，RD）較小；而SCI時，因損傷部位軸突直接破壞，軸突完整性受損，成像時局部AD減小，而軸突、細胞膜及髓鞘的破壞使得水分子垂直于軸突的彌散增加，RD明顯增加[43-44]。Lee等[45]對單側及雙側頸部SCI大鼠的研究表明，DTI的變化與組織學變化有較強相似性。Jirjis等[46]的研究表明，采用干細胞移植治療胸部SCI大鼠時，DTI能夠反映脊髓結構及功能的變化，可作為干細胞治療后脊髓修復的評估指標。
DTI能無創評估SCI程度，通過評估脊髓白質的修復情況，可預測脊髓功能恢復及評估治療效果。與胸部脊髓相比，頸脊髓白質/灰質比更大，供血更豐富，在損傷時更易出血，且能導致更大的功能障礙。目前頸部SCI中使用DTI進行評估的研究較少，仍需進一步研究。
4.3 功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）
fMRI是一種基于MRI技術檢測大腦功能變化的成像方法。該技術主要基于血氧水平依賴效應，能反映脊髓在不同狀態下的功能變化，研究感覺及運動信號在大腦和相應神經支配區域的傳遞過程[47]。Sanganahalli等[12]在評估大鼠頸部SCI后的前肢感覺功能時，使用fMRI技術評估SCI后大腦皮層活動及感覺過敏現象。fMRI主要用于評估SCI后運動和感覺恢復情況，它不僅能反映脊髓傳導功能的變化，也能反映大腦皮層在SCI后各種代償功能建立的過程。
其他基于MRI評估頸部SCI的方法也在不斷開發，如Meyer等[48]使用MRI中動脈自旋標記評估頸部SCI大鼠創傷部位的血流灌注情況。錳增強MRI被用于評估干細胞移植后受傷部位脊髓上行和下行傳導束的再生情況[49]。
5 嚙齒動物模型的神經電生理學評估方法
在嚙齒動物中使用神經電生理評估脊髓功能很常見，最常用方法為誘發電位。目前主要在嚙齒動物中使用的有感覺誘發電位（somatosensory evoked potential，SEP）及運動誘發電位（motor evoked potential，MEP）。
MEP和SEP分別代表運動和感覺通路，是評估神經功能恢復的客觀工具[50]。在嚙齒動物胸部SCI模型中，測量MEP時將記錄電極置于后肢腓腸肌內，而測量SEP時將刺激電極置于雙側后肢腓總神經附近。而在頸部SCI模型中，更加重視前肢運動及感覺通路的變化。Huang等[51]在單側頸部脊髓挫傷大鼠模型中，評估MEP和SEP與大鼠行為學及局部組織學結果的相關性。在每次電生理評估時，首先用異氟醚麻醉大鼠，測量MEP時將記錄電極置于前肢伸肌內，刺激電極置于頭顱皮下運動皮層對應位置，電流強度為3.5～12 mA，重復測量3次，記錄MEP峰值幅度；而測量SEP時將記錄電極置于頭頂皮下，參考電極置于頸部皮下，刺激電極置于雙側前肢正中神經附近，使用恒定脈沖電流（5～10 mA，0.2 Hz）進行測量，記錄SEP峰值幅度。Wilcox等[52]在頸部SCI大鼠模型中，記錄前肢正中神經至C1脊髓的SEP并與假手術組相比，結果顯示C5及C6 SCI組SEP明顯降低，而C7 SCI組在幅度及傳導時間上與假手術組均無差異。Li等[53]研究表明，MEP和SEP的變化以及電位幅度的變化可以反映頸部脊髓挫傷后大鼠粗大和精細運動功能的變化。
誘發電位的缺點在于使用過程中需連接額外的電極及儀器，而測試過程中對動物麻醉要求較高；但該方法能反映脊髓電活動的精確變化，可作為行為學評估的補充。
6 嚙齒動物模型的組織學評估方法
頸部SCI的組織學評估包括定性及定量微觀下脊髓的幾何變化，白質、灰質形態，神經纖維變性壞死，微血管壞死及脊髓修復情況。
SCI的病理學變化包括灰質細胞體凋亡、白質軸突變性壞死、出血及微血管破壞、星形膠質細胞增生及小膠質細胞募集等。HE染色為組織學中最常用染色方法，可用于觀測脊髓一般形態學和脊髓局部出血情況。固藍染色可顯示髓鞘是否完整、變性與壞死程度、修復程度，其可將髓鞘染為藍綠色，細胞核染為紅色[54]。尼氏染色可將神經元中尼氏小體染為深藍色，在神經細胞受損時，尼氏小體會減少甚至消失。而免疫組織化學染色能更精確評估SCI后細胞及亞細胞結構的變化。膠質纖維酸性蛋白是星形膠質細胞的特異性標志蛋白，可用于評估SCI與修復過程中星形膠質細胞的活動變化；而神經微絲蛋白、β-微管蛋白Ⅲ、髓鞘堿性蛋白等可作為免疫組織化學染色的標志物，定量分析脊髓軸突損傷及修復情況；NeuN/Fluoro Nissl免疫組織化學染色可用于評價存活神經元數量[54]。以上組織學及免疫組織化學染色，可根據研究目的選擇單獨或聯合使用，以評估SCI程度及修復情況。
7 總結與展望
對SCI機制及修復過程的研究，需要建立有效的動物模型。相較于大型哺乳動物（豬、狗等）及非人靈長動物（如獼猴等），小型哺乳動物模型的建模難度和成本更低。因此在SCI研究中，有92%采用嚙齒動物進行建模[55]。目前大多數嚙齒動物SCI模型為胸部SCI模型，最常見的損傷節段是T10，表現為下肢、尾部運動感覺功能障礙及排尿、排便功能缺失。頸部SCI后果嚴重，除造成下肢感覺、運動等功能喪失外，也造成上肢感覺、運動障礙。上肢功能能否恢復將顯著影響頸部SCI后患者的自主生活能力。胸部SCI嚙齒動物模型不能模擬頸部SCI后上肢感覺、運動及各種自主活動的變化，為更好研究頸部SCI，需要不斷建立并驗證新的頸部SCI動物模型。另外，在SCI不斷增多而頸部SCI后遺癥嚴重的情況下，通過動物模型研究SCI的病理生理過程、手術方法及時機、新型藥物及干細胞移植治療有重要意義。
本文總結了嚙齒動物頸部SCI模型的幾種建立方法及常用的損傷后評估方法。在研究人頸部SCI中，建立并使用與人頸部SCI更為相近、可重復性更高的動物模型，開發更為準確、敏感評估治療效果的方法，仍是未來探索的方向。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點
作者貢獻聲明 劉浩：綜述構思及設計；戎鑫：論文審校；黃康康：資料及文獻收集；陳浩：文獻收集及文章撰寫