创伤性脑损伤模型的研究进展

　　作者：尹延庆(综述)，陈 兵(审校) 作者单位：广东医学院附属医院神经外科，广东湛江 524001

　　【摘要】 随着对颅脑损伤机制的了解及研究的不断深入，现在人们愈来愈倾向于制作及使用可复制分级颅脑损伤和外力可准确定量的动物模型。中枢神经系统创伤体外模型能够精确控制细胞外环境，便于人们观察创伤后某种特定细胞的病理生理变化，而尸体撞击模型、物理模型、颅脑数学模型也有特殊的价值。本文综述了颅脑损伤模型的研究现状。

　　【关键词】 创伤;脑损伤;细胞;模型;综述文献

　　创伤性脑损伤(traumatic brain injury，TBI)是神经外科最常见的疾病，是导致创伤患者伤残及死亡的主要原因。研究脑损伤后的神经生化、神经病理生理等方面的变化，可为探索行之有效的脑保护治疗提供帮助，将有助于提高颅脑损伤患者的生存率及生存质量。故建立各种便于观察和施加干预因素、控制性佳、可分级、可复制性好并符合人类脑创伤特点的创伤性脑损伤模型，是目前创伤性脑损伤的研究热点。本文对目前颅脑损伤模型的研究现状作一综述如下。

　　1 创伤性脑损伤动物模型

　　1.1 加速和减速损伤法

　　Marmarou等1994年制作的加速性TBI动物模型，其特点是以打击面为中心的弥漫性脑挫伤，减轻了液压法损伤所致的血压急剧升高，但存在损伤主要局限于脑干和需开颅操作等不足。随后许多人在此基础上进行改良[1]。惯性负载造成的脑损伤更为严重，在减速性脑损伤中它占更大比重。谭源福等[2]研制出的减速性脑损伤模型，损伤机制与临床减速性颅脑损伤机制相似，复制出了临床颅脑损伤几个重要特征，如脑损伤生理反应、颅骨骨折、脑挫伤(包括冲击伤和对冲伤)、外伤性蛛网膜下腔出血、脑干损伤等。

　　1.2 落体撞击法

　　此法最早由Allen应用于脊髓损伤模型，1940年Scot用它制作颅脑损伤模型，被认为是一种简单易行、控制性好、可定量的经典方法。Marmarou最早提出一次性打击负荷伤模型，该模型在模拟车祸或坠落伤较佳，创伤程度由重量和高度调节，简单实用，可行性强，但有时重复性差。由霍永强等[3]报道的一种改进的落体脑创伤模型，引入可调的垂直导引管和定向光，让光斑中心置于撞击处中点，充分保证了撞击点的准确性和一致性，并设计应用了“T”型撞垫直接置于硬膜外，限制了撞压深度，这种改进的落体脑创伤模型具有控制性好、受干扰因素少、可复制分级脑损伤、重复性好、外力参数可调等优点。

　　1.3 打击损伤法

　　基本方法是利用外力如下落的单摆撞击、簧片弹击、气枪推动金属球打击动物的头部，形成闭合性脑损伤，多用于复制脑震荡模型和局灶性脑挫伤模型。打击法有较多优点，如保持头部皮肤和颅骨的完整，因而与人类闭合性脑损伤情况相似。但也有其缺点：(1)由于动物头颅自由活动，很难保持恒定，因而较难控制打击颅腔外力的方向，使每次打击头颅吸收的能量不同，影响实验的重复性;(2)不能排除动物颅骨发育和形态差异的影响;(3)不能复制分级脑损伤模型[4]。

　　1.4 液压损伤法和压缩气击法

　　液压损伤法由Lindgren于1966年首先报道。1987年Dixon等建立了大鼠液压冲击颅脑损伤模型。其原理是通过液压装置骤然改变密闭颅腔内压力而间接造成脑损伤。根据颅骨钻孔的位置不同，可将模型分为正中冲击和侧位冲击两种。该法受外界因素如动物头颅发育的差异影响小，稳定性和重复性好。其缺点是冲击后装置内压力不能立即释放，脑组织可再次受损伤，与临床机械性脑损伤实际有差距。张永亮等[5]设计了侧位液压冲击脑损伤装置，可精确控制冲击气压的大小、记录冲击时脑组织所承受的压力、显示压力曲线、液压冲击后可以很快释放装置内的压力，使脑组织不受再次损伤并能较精确地复制分级脑损伤。Lighthall等于1988年报道用颅骨开窗压缩气撞击法复制皮质损伤模型，气击量由气流速度和形变大小两参数决定，实验时可依据能精确控制的气击量来衡量脑损伤的程度，复制分级脑损伤，撞击力与脑损伤程度、范围以及血压、心律等生理改变有很好的相关性，以脑皮质挫伤为主，重度损伤组小脑、中脑、桥脑和颈髓也可见明显挫伤。颅骨开窗压缩气撞击法受个体差异因素影响较小，可精确控制撞击时间、撞击速度和脑组织变形程度，可重复性好，可用于复制分级脑损伤;不足之处是实验同时需以高速摄像技术测知气击速度和脑组织变形程度，且其致伤机制与实际不尽一致，这些都限制了其广泛应用。另有颅骨完整压缩气撞击法由Nilsson等1977年建立，原理是利用压缩气体推动活塞撞击枕骨嵴造成脑损伤，通过调节气体压力来改变活塞撞击速度。本模型优点是：(1)根据临床实际设计了加速性脑损伤模型;(2)通过调节气压大小可以相当稳定地控制撞击速度，复制分级脑损伤模型;缺点是：(1)实验结果易受动物头颅发育差异的影响;(2)撞击后大鼠头部下落，易产生两次以上撞击，影响实验的可重复性;(3)动物麻醉后头部受外力作用所发生的被动运动与清醒状态时的被动运动有一定差距;(4)实验中需用高速摄影机，费用较高。

　　1.5 瞬间旋转损伤模型

　　Gennarelli 1982年设计出经典的弥漫性轴索损伤(diffuse axonal injury,DAI)瞬间旋转模型。实验成功证明了DAI是一种原发性脑损伤，并由此阐述了DAI的致伤机理。该模型优点在于重复性好，头部运动方向和距离可控性强，是DAI研究中应用最广泛、代表性最强的模型。

　　1.6 在体牵拉损伤模型

　　Gennarelli制作的豚鼠视神经牵拉伤模型为本类模型的代表，其利用特制的牵拉装置，在19～22ms内对视神经施以150～180g牵拉力，在此范围内，视神经及其供应血管均不会被拉断，既控制了损伤程度，又确保避免缺血性因素的干扰。本模型的优点是可以对受损轴索进行逆向和顺向追踪，有利于更全面地了解轴索损伤的病理变化过程及其机理[67]。

　　1.7 负压损伤法

　　大鼠负压脑创伤模型是20世纪90年代发展起来的一种模型。根据Mahmood等[8]的负压性脑创伤模型原理，当注射器管由于弹簧的张力后退时，产生的负压传送到吸管的开口，由于吸管的开口受到大鼠硬膜的密封，负压作用于硬膜及其下的脑组织，产生脑组织的损伤。所制造的损伤局限于负压打击部位的皮层和皮层下的局部组织，深部组织不受累及。因此，这个模型在实际应用中适用于以局灶性的浅表的创伤性脑损伤为对象的研究[9]。

　　1.8 颅脑火器伤模型

　　制作猫、狗和猴等颅脑火器伤动物模型时右枕骨钻一直径为7mm的骨孔，枪口距硬膜6cm，钢珠由右枕飞向右眶上额部。由于去除了颅骨，排除了骨折片致伤的影响，故称之为“清洁的创伤”。但也正因为去除了颅骨，也就增大了模型与实际伤情的差异。高波等[10]采用一种新型点爆炸源，将1gTNT当量的球形爆炸源距致伤犬的右颞顶部9、13mm处引爆，模拟冲击波原发效应，建立颅脑爆炸伤模型。

　　1.9 清醒颅脑创伤模型

　　近年清醒动物脑损伤模型研究取得了很大的进展，常采用徒手固定清醒动物来满足定位的要求，因而所用动物多为小鼠、青蛙等温顺无攻击力的动物。该模型定位准确，致伤可靠，可制成分级脑损伤。缺点是受力后头颅处于静止状态，大脑未受到加速运动时的剪切力和张力等作用[11]。

　　2 中枢神经系统体外创伤模型

　　2.1 离断损伤体外模型

　　轴索离断是弥漫性轴索损伤和脊髓横断损伤的重要病理表现[12]。模型有两种，一种是Ramon 1928年用塑料细针刮擦培养皿中的附壁细胞，使突起从细胞胞体撕裂同时保留细胞其余部分的完整性。另一种是Gross等(1983)首先用激光行单细胞突起离断，可在距细胞体特定范围内切断某一突起或数个突起。此外，还一种离断损伤模型是培养细胞机械划痕损伤。Tecoma(1989)首次采用此模型研究神经元体外创伤性损伤。Muhkin等[13]改进了这种模型，改用电动转子划痕损伤，由转子上的针头数量控制损伤程度和范围，具有致伤条件统一、简便快捷、费用较低的特点。黄卫东等[14]利用微量移液器塑料滴头机械性划割培养的神经细胞，此法能同时观察损伤区周围细胞反应，还能避免划伤培养板影响观察记录。

　　2.2 加速损伤模型

　　Lucas(1991)将内有培养细胞的烧瓶放置在类似钟摆的机械装置中，用撞击振动产生200g加速度作用于培养细胞，由切应力造成细胞损伤，只是该加速度是以切线方向作用而非通常所知的针对细胞层面。此模型的缺点是细胞对加速反应变化不能测定。Laplaca等[15]改进了此模型，其所制作出的模型致伤时可在显微镜下由高速摄影观察细胞的变化，通过应用黏附的微珠，可以计算单个细胞所受的应力;但细胞受损状态的观察受视频系统的限制，无法进行持续动态观测。

　　2.3 压迫损伤体外模型

　　Shepard(1991)用20ms以下6atm的短暂压力作用于一个密闭的充满液体的装置，使放入装置内的培养细胞损伤。张永和等[16]建立了一种空气高压力方法导致体外培养神经细胞的损伤模型，并利用碘化丙啶(PI)荧光探针不能穿过正常的细胞膜，但当细胞膜损伤后其通过细胞膜并与细胞核的DNA结合，在荧光显微镜下显红色及乳酸脱氢酶(LDH)的测定来检测细胞损伤。

　　2.4 牵张损伤模型

　　Ellis(1995)用6孔硅胶膜培养皿，给予一定的正压使硅胶膜牵张变形，导致培养于硅胶膜上的细胞牵张损伤。由Morrison等[17]报道的改进装置用激光位移转换器直接测量牵张过程中膜的位移，用计算机控制的电磁阀控制损伤时间和波形。王克万等[18]采用计算机控制的驱动压力，以不同压力牵张损伤细胞。

　　3 创伤性脑损伤人体模型

　　常用的方法是使尸体仰卧，将头部从一定高度落下与固定的撞击头发生碰撞，模拟减速性损伤发生过程。Yanagida等1989年观察了防腐尸头沿上下方向和后前方向的冲击运动、颅内压变化和颅脑损伤的情况。尸体在结构上比动物逼真，可以确定人体颅骨的力学特性、颅骨变形及骨折发生条件等指标，但因组织降解，不能检测其病理生理反应[19]。

　　4 创伤性脑损伤物理模型

　　最初人们用有机物与水来模拟颅脑组织做冲击实验，用硬石腊做成的圆环围在外面模拟颅骨，把加速度和液体压力梯度联系起来，为线性运动/空腔理论的产生奠定了基础。为了观察颅脑受撞击时颅骨和脑组织内应力波的传播过程，出现了颅脑静态和动态光弹性模型[20]，模型受到撞击后，局部颅骨内出现密集的光弹性条纹区，并围绕内外两个界面形成应力集中区域。随后应力波分别沿颅骨和脑组织向远处传播，脑组织内出现的光弹性条纹较宽，间隔较大。该结果与临床和动物实验中观察到的损伤分布相吻合。这些模型的优点减少了复杂的手术过程，记录结果也很客观，对于理论研究有所帮助。

　　5 创伤性脑损伤数学模型

　　5.1 二维有限元颅脑模型

　　二维模型是基于颅脑的某个断面进行计算的，由圆盘状模拟颅脑的撞击实验提供必要的物理参数，该模型的几何形状具有多数成年男性头颅的头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液等主要解剖特征[21]。二维模型能够定性地反映颅脑的受力情况，使人们了解颅脑受侧向撞击的反应，其结果与尸体颅脑模型实验有一定的相似性。

　　5.2 三维有限元人脑模型

　　三维模型目前也较为成熟，最简单的颅脑三维模型是用球形有机玻璃容器模拟颅骨，用充满在容器内的水或高分子溶液模拟脑。外载荷有径向的正弦形脉冲、方脉冲或冲击载荷，反映了应力波在颅脑中的传播[22]。三维有限元人脑模型的三维几何形状体现了人类头颅的立体分布特征及主要组织结构。阮世捷等[23]根据正常头部螺旋CT扫描影像，通过对CT扫描影像的图像处理，利用计算机辅助工程技术，采用单元网格划分和三维重构技术，开发、建立了三维的人类头部有限元计算模型。

　　6 小结

　　目前各种脑外伤模型都是模拟某种病理机制，尚无一种模型可完全模拟人类创伤性脑损伤的复杂受力情况，但均与临床损伤情况部分类似，而且由于各种脑损伤模型建立的目的及所采用的动物种类、机械性外力、麻醉方式、处理手段不同，模型之间不具有可比性，所以只能根据具体的研究方向选择特定的脑损伤模型种类选择。随着近几十年对颅脑损伤机制的了解及研究的不断深入，人们愈来愈倾向于制作和使用颅脑损伤可分级而外力可准确定量的模型。

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