医学综述2008年4月第l4卷第8期Medical R 骨折合并脑损伤动物模型研究进展 罗同青(综述),李 兵(审校) (广西医科大学第五附属医院骨科,广西柳州545001) 中图分类号:R683.5 文献标识码:A 文章编号:1006-2084(2008)08・1130-03 摘要:成功的实验研究,有赖于一个成功的动物模型的建立。骨折合并脑损伤骨折愈合加 几种。 速是骨再生研究的热点,模型的建立是实验研究的基础。文章将脑损伤动物模型、骨折模型及 骨折合并脑损伤模型的建模方法进行综述,并对骨折合并脑损伤模型进行比较分析,有望找出 重复性好、稳定性高、有对照意义的骨折脑损伤复合模型,为骨折脑损伤模型研究提供指引。 关键词:脑损伤;骨折;模型;动物  ̄t-ogreKs in the Study of Fracture Combined Traumatic Brain Injury Animal Models LUO 2.1液压冲击脑损伤模型液 压冲击脑损伤模型是最常用的 直接脑变形模型之一,它适用于 颅脑损伤后神经病理、神经生 理、病理生理、药理等方面研究, 并成功在小鼠、大鼠、猫、猪、兔、 犬等建立模型l 。其原理是利 用一个液压脉冲冲击硬膜下的 皮质。一个单摆样打击锤打击 活塞后产生的压力通过液体传 导至硬膜下的脑组织,压力大小 % 一qing,12Bing.(Department ofOrthopaedics,FiShAffiliatedHospital ofGuangxiMedical Universi— ty.Liuzhou 545001. ina) Abstract!The successful experimental study depends upon establishing a perfect animal mode1. The fracture accelerating healing of the bone fracture combined traumatic brain injury iS the hotspot of the bone remodeling study.Establishing models iS the basis of experiment study.By reviewing the meth— osd of establishing the rtaumatic brain injury aniaalt models,fracture animal models and fracture tom— bined traumatic brain injury animal roodels in relative documents.the article giyes a comparative study on animal models of fracture combined traumatic brain injury.trying to find out a fracture combined rtaumatic brain injury model with injury stbialization.better reproducibility,and much comparability, which can direct the study of bone factrure combined traumatic brain injury mode1. Key words:Tmumatic brain injury;Fracture;Models;Animal 临床发现骨折合并脑损伤患者,相对单纯骨折 患者,其骨痂数量多,骨折愈合快,甚至出现异位骨 化,但由于骨折脑损伤复合模型的缺乏,骨折与脑损 伤的相互影响研究较少,而临床中骨折不愈合、延迟 可由打击锤的高度调节并通过压力传感器在示波器 上显示。损伤的严重程度由打击锤的高度决定,因 而可建立分级脑损伤模型。而根据打击管的位置不 同,置于前囱和人字缝尖中间为正中液压模型,而置 于矢状缝一侧或颧弓上方为侧方液压模型。近来研 究表明,建立侧方压力模型时一定要注意打击管的 埋置部位及离矢状缝的距离,这样可以增加实验模 型的可靠性及重复性 。液压脑损伤模型由于随着 损伤程度及病变的增加出现不相称的脑干损伤、神 经源性肺水肿,并由于生物力学方面限制及无法完 愈合及骨质疏松仍然是临床工作者所面临的一大难 题。因而,有必要建立骨折脑损伤复合模型研究脑 损伤与骨折相互影响及骨折愈合加速的原因,应用 于临床加速骨折愈合、治疗骨不连及骨质疏松症,并 可为其他相关多发伤模型的建立作为参考。本文旨 在从常用脑损伤模型、骨折模型及骨折合并脑损伤 模型三方面进行综述。 1脑损伤动物模型动物的选择 全复制人类创伤性脑损伤的复杂性,因而限制了它 的应用。 尽管人类脑损伤首选动物模型有不同观点,但 是大多数研究者认为,啮齿动物是脑损伤研究的最 合适动物,因为啮齿动物的价格及体积可以满足脑 损伤形态学、生物化学、细胞学及行为学等重复测量 的要求,而种系比啮齿动物更高的动物由于伦理、技 术及经济的影响实验中较少应用。然而,脑损伤对 啮齿动物和人在生理及行为反应的差异导致对啮齿 动物的应用有更多的关注。此外,啮齿动物脑皮质 缺脑回不适合模拟人类脑皮质解剖学上更复杂的变 2.2可控性皮质冲击模型 可控性皮质冲击模型 已在白鼬、大鼠、猫及小鼠等建立模型 J。流体驱动 的可控性皮质冲击模型在脑变形的参数(冲击的速 度、持续时间、冲击深度)上有更好的控制 。因此, 相对于液压脑损伤模型有潜在的优势,特别是创伤 性脑损伤生物力学的研究,而相对于自由落体皮质 冲击模型就避免了冲击时打击圆柱二次反弹打击的 化。尽管如此,啮齿动物仍然是目前人类脑损伤模 型最常用的动物。 2脑损伤动物模型 可能及有脑变形参数控制的优势。临床颅脑损伤后 的所有病理生理变化在可控性皮质冲击脑损伤模型 中均有报道。因此,颅脑变形及皮质压缩的临床脑 目前脑损伤模型大约有10种,但常用就以下 基金项目:广西青年基金资助项目(桂科青NO.0447055) 损伤模型广泛用于分析创伤性脑损伤在神经细胞死 亡及神经病学缺陷的复杂的分子、基因水平的机制, 也是研究脑损伤治疗方法非常有价值的工具,但设 备复杂,实验操作较液压模型困难,因而实际中应用 相对较少。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年4月第14卷第8期Medical 2.3冲击加速模型(头部不固定) 冲击加速模型 是通过一冲击活塞打击麻醉动物的头部指定区域。 这种模型仅颈部固定而头部可以活动,它可以复制 人类闭合性加减速脑损伤。损伤的严重程度由打击 的速度、打击活塞的重量、打击时的接触面积及界面 的材料决定。这种模型成功复制了人类脑损伤的一 些主要特点。如短期的意识障碍、组织病理学的、全 身性及脑局部的一些变化。Van Den Heuvel等 建 不统一,对动物的全身影响不等;利用棍棒的重物造 模虽然施力一致,但骨折的类型较多。三点受力装 置即骨折器在施力、软组织损伤程度、骨折部位一致 性上较上述方法大为提高,但相对于开放骨折模型 还是有很大差别。由于三点受力装置的闭合造模较 立绵羊冲击脑损伤模型研究不同程度创伤性脑损伤 引起弥散性轴索损伤,打击后允许动物头部自由旋 转及侧向移动。这种头部没有固定的脑损伤模型的 缺点是重复性差。因此,为了提高重复性,相继有限 制头部移动的模型被建立。总的来说,头部没有固 定的加速脑损伤模型由于缺乏对冲击及动态反应的 打击力精确控制,所以其可变性相当高。虽然损伤 后形态学特点明确,但这些模型损伤后的病理生理 反应不一致。 2.4冲击加速模型(头部固定)Marmarou等 的 自由落体模型是最常用于啮齿动物头部固定的冲击 加速脑损伤模型之一。这种方法已经在多种动物建 立分级脑损伤,损伤的严重程度由铜制圆柱体的重 量及下落的高度决定。尽管这个模型冲击的生物力 其他闭合造模成功率高、实验的可比性及重复性较 好,临床相似性较开放模型好,所以三点受力装置的 闭合骨折模型已为广大学者所认同并采用 j。 3.2开放骨折模型 开放骨折模型是在无菌条件 下。利用线锯、摆锯或咬骨钳等在骨的同一部位造成 骨缺损或在双骨仅锯断一根非承重骨或承重骨。这 种开放造模克服了闭合造模的一些缺点,如开放造 模骨折类型均一、骨折部位相当一致、可在同一解剖 部位造模。软组织的损伤、局部血肿的大小及骨膜损 伤的程度认为相同。但也有相对于闭合造模的缺点 如与临床实际不符,忽略了人类骨折多为突发事件 所致,局部软组织改变、机体的应激反应等均可以对 骨折愈合产生影响;肾上腺皮质激素、儿茶酚胺及生 长激素分泌时相和峰值不一致;该模型未涉及骨的 匿 参数;局部软组织及骨膜的损伤程度较闭合造 模大、局部血肿较闭合造模小因而相同的条件下愈 合延迟 引。 3.3基因骨折模型 基因骨折模型就是利用现代 基因技术研究骨折的发生,愈合及骨代谢的相关模 型。Beamer lol报道,发育阶段骨生长障碍和骨折的 小鼠模型可自发骨折,该模型可用于研究青春期的 骨生长机制。Chhabra等 利用短足鼠(一种骨形 学因素没有被完全及严格控制,打击力不能直接反 映头部所受压力,存在二次打击及打击力不均匀,但 是由于其价格不贵、容易完成并能够复制分级弥散 性损伤模型,被广泛应用。Cemak等 。 改进并设计 一可控性及重复性更高的大鼠弥散性脑损伤模型, 与Marmarou的模型相比,在二次打击及打击力量不 均匀上有较好的控制,并且Cemak的模型能够控制 打击的速度及打击时问。这个模型成功复制临床弥 散性损伤的主要生物力学及神经病学的变化。 3骨折模型 多年来骨折模型的研究已取得较大的发展,相 继出现闭合骨折模型、开放骨折模型及近年来出现 的基因骨折模型。各种模型各有利弊,一般由研究 方向及目的决定,主要是骨折模型要与临床相似并 且有可比性及重复性。 3.1 闭合骨折模型 闭合骨折模型是模拟人类骨 态发生蛋白14缺陷的小鼠)建立的骨折模型研究骨 形态发生蛋白一14对骨折愈合的影响。 4骨折合并脑损伤模型 由于临床骨折合并脑损伤的多见,而骨折合并 脑损伤模型是研究骨折合并脑损伤的基石。目前国 内外骨折合并脑损伤模型主要为骨折并落体撞击脑 损伤模型及骨折并液压脑损伤模型,其他骨折合并 脑损伤模型未见报道。 4.1骨折并落体撞击脑损伤模型 4.1.1 开放骨折并落体撞击脑损伤模型 张继东 等 利用改良的Marmarou法及开放骨折建立兔的 骨折脑损伤复合模型。孙良智等 建立该模型研 究发现,骨折合并脑损伤骨折愈合速度较单纯骨折 快,脑损伤组及骨折脑损伤组血清中胰岛素生长因 子I高于对照组,骨痂阳性细胞表达强于单纯骨折 组。提示脑损伤可以增强骨折局部胰岛素生长因 子I,促进骨折愈合。马维等 建立该模型研究发 现。骨折脑损伤组骨折愈合速度较单纯骨折组快,血 清中转化生长因子B 较对照组高,骨折脑损伤组骨 折的机制,即临床相似性形成闭合造模理论,三点受 力模拟临床骨折机制导致横行骨折 J。闭合骨折有 徒手造模及利用棍棒等重物造模。Bonnarens等 利用三点受力装置建立大鼠、小鼠股骨骨折模型。 周晓中等 在三点受力原理的基础上利用骨折造模 器建立标准的股骨骨折模型。闭合骨折模型在一定 程度上模拟人类临床骨折的机制,但与临床不完全 相符。如徒手造模施力不均匀,部位不定,骨折类型 维普资讯 http://www.cqvip.com ・l132・ 医学综述2008年4月第l4卷第8期Medical 折位点转化生长因子B 表达各时间点始终高于单 纯骨折组且高峰提前,提示转化生长因子B 可能是 脑损伤后骨折愈合加速神经体液因素之一。黄浩 等【l 建立大耳白兔股骨骨折脑损伤模型研究发现, 的愈合有无相关性暂无相关报道,因而有必要建立 分级的脑损伤骨折模型来研究与此相关的问题。 骨折合并脑损伤均有骨折愈合加速已为广大学 者所认同,许多相关的神经肽、细胞因子等参与骨折 的加速愈合过程,但亦有许多目前无法认识的问题, 有待进一步研究,而建立标准的模型是研究的基础, 所以骨折合并脑损伤模型的建立尤为重要。而目前 上述两种复合模型虽然无法完全模拟骨折合并脑损 伤的复杂机制,但液压脑损伤骨折模型不失为一种 好的研究模型,具体要根据研究目的及方向选择模 型。而利用现代基因技术建立基因骨折脑损伤模 型,研究骨折合并脑损伤骨折愈合加速的原因及各 骨折脑损伤组骨折愈合速度快,血清中转化生长因 子 较对照组高,骨折愈合加速可能与脑损伤后神 经体液因素使转化生长因子 分泌增加有关。王新 等¨钊建立该模型研究发现,骨痂中骨祖细胞、软骨 细胞、成骨细胞降钙素基因相关肽及P物质阳性表 达,与对照组比较阳性细胞表达提前、强度高、时间维 持长,提示神经因素参与调节骨折愈合过程。开放骨 折并落体撞击脑损伤模型相对于开放骨折并液压脑 损伤模型稳定性、重复性差,致伤能量不能测定,撞击 时间不一致也不恒定,有时存在持续压迫及二次打击 可能,其次开放骨折模型在临床相似性较闭合模型 差,但该模型所需的设备简单,容易操作,可比性及重 复性较闭合模型强、可操作性好,因而目前大部分复 合模型均利用开放骨折及落体撞击法来建立模型。 4.1.2 闭合骨折并自由落体撞击脑损伤模型 Boes等u’ 建立闭合骨折合并脑损伤模型研究骨折 合并脑损伤骨折愈合加速的原因,得到与上述研究 致的结果,即骨折合并脑损伤组骨折愈合较单纯 一种神经体液因素之间的关系是复合模型的研究发展 方向之一。 参考文献: [1] 方加胜,袁贤瑞,刘运生.实验性大鼠液压分级颅脑损伤模型 的建立与研究[J].湖南医科大学学报,1995,21(5):385-389. 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[6]Cemak I,Vink R,Zapple DN,et a1.The pathobiology of moderate difusettanmatic braininjury asidentified usinga new experimen. 在临床相似性较开放模型高,骨折处感染率低,但可 比性及可重复性稍差,实验操作较开放模型复杂、骨 折固定不确切、骨折类型不一致,骨不连发生率较开 放骨折模型高,因而应用相对较少。 4.2骨折并液压脑损伤模型 国内未见骨折并液 压脑损伤复合模型报道,而Maegele等¨ 等应用闭 合骨折及侧方液压法建立该模型研究发现,骨折脑 损伤组骨折愈合明显加速,并分析可能与血清中自 细胞介素6升高有关。液压脑损伤模型由于其实验 重复性与稳定性较落体撞击法好,伤情可分级,致伤 能量可测定,无持续压迫及二次打击是近年来发展 较快、研究较多的脑损伤模型。骨折并液压脑损伤 由于单个的模型在重复性及稳定性较好,因此复合 tlmoadel ofinjuryin rat[J].NeurobiolDis,2004,17(1):29—43. [7]Bonnarens F,EinhornTA.Plggtuction of a standard closedfracture inlaboratoryanimalbone[J】.J Or*hop Res,1984,2(1):97.101. [8] 周晓中,董启榕,张健.大鼠股骨骨折闭合模型的制作[J].东 南大学学报(医学版),2007,26(1):60・62. [9]Park SH,0 Connur K,Sung R,et a1.Comparison of healing process in open ostoteomy model and closed fracture model[J].J Orthp Trauma,1999,13(2):1 14・120. [10]BeamerWG.Spontaneousfactrure(sfx):amouse geneticmodel of defcteive peripubertal bone formation[J].Bone,2000,27 (5):619. 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