作者：柯嵩 李忠海

医院：大连医科大学附属第一医院骨科

慢性腰痛是临床上的一种常见病，也是造成患者残疾及巨额医疗开销的主要原因，调查显示，高达80%的人在一生中都会有腰痛的经历^[1]，然而许多患者缺乏有效的治疗，面对如此高的经济与社会压力，我们需要更为有效的治疗方法。

腰痛一般分成以下三类：非特异性腰痛，特异性腰痛，坐骨神经/根性疼痛综合征。

特异性腰痛指的是有明确病因的腰痛如骨折或脊柱肿瘤导致的；坐骨神经/根性疼痛综合征是指坐骨神经及其分布区域的疼痛综合征。坐骨神经痛及特异性下腰疼通过询问病史、体格检查及影像学表现即可明确诊断，而临床上他们只占15%。

非特异性腰痛(non-specific low back pain，NLBP)占85%，非特异性腰痛指的是病因不明、与众多危险因素相关联且缺乏有效影像学特征的、病程缓慢难以治愈的腰痛。

迄今为止，对于非特异性腰痛的发病机制及有效治疗方法仍未确立，高质量的临床动物实验仍然缺乏。

1. NLBP动物模型的选择

动物模型的制备对于了解疾病的产生机制及作用过程具有相当重要的作用。不同的实验项目有不同的目的和要求，因而每项研究都应选择最合适的实验动物，从而以最小的代价获得最好的结果。

对于NLBP来说，选用的动物模型需要能够反馈疼痛并能模拟人类脊柱解剖结构。灵长类动物是NLBP的理想的选择，但它们的价格昂贵且存在伦理限制，兔、猪、犬、羊等虽然已经成功应用于研究脊柱的分子及形态学变化，但对于NLBP来说，它们饲养管理难度较大且缺乏可靠的疼痛评估技术支持，故也不适合NLBP模型的选择。

当前，模型动物的发展呈小型化趋势，特别是针对于NLBP来说，啮齿动物价格低廉并能够表达可量化的疼痛，最重要的是，它们的椎体及间盘在生理解剖与生化结构上与人类极为相似，我们不仅可以通过手术改变它们的腰椎结构以模拟椎间盘及椎小关节疾病，还可以通过基因修饰来模拟人类脊柱生理病变。因此，啮齿动物模型是模拟NLBP的不二选择。

2. NLBP动物模型的疼痛评估

临床上评估患者腰痛的方式包括：询问病史、体格检查、疼痛自评等，体格检查包括视诊、触诊及脊柱运动功能评估等^[2]。疼痛自评即使用问卷或量表来评估患者疼痛强度及治疗效果，包括：数字疼痛评定量表、简要疼痛量表、麦吉尔疼痛问卷和视觉模拟评分。

对于动物来说，它们无法用语言来表达所感觉到的疼痛、麻木等不适，只能通过观察它们的行为改变来间接评估，量化NLBP动物模型的疼痛主要采用疼痛行为学测试法，它包括反射行为学变化测试及自发行为学变化测试。

2.1 反射行为学变化测试

在NLBP动物模型中，反射行为学变化用于评估机械刺激、冷热刺激等其他刺激施加之后小鼠的反应，它们是通过激活对应部位的伤害感受器并触发局部反应来测量从机械或冷热刺激中撤回所需的反应时间。它包括机械性痛觉反应及冷热刺激反应。

机械性痛觉反应通常采用Von Frey试验(Von Frey试验因能检测表皮痛觉过敏，最适于模拟具有皮肤敏感相关的临床疾患)，用它刺激大鼠后爪来刺激肢体回缩，大多数NLBP模型显示大鼠的机械性痛觉反应增加^[3、4]，痛觉计也是一种检测机械性痛觉反应的方法，将痛觉计对大鼠背部皮肤施加压力，当大鼠发出疼痛声时停止，通过记录的压力数值来评估疼痛反应^[5]。

最早发明的冷热刺激反应检测方法是摆尾试验，即给予鼠尾热刺激然后记录鼠尾移开所需的时间。随后发展的是热板试验，记录大鼠后爪离开热板或出现添爪动作所需要的时间来评估疼痛反应，较摆尾试验来说更加准确。还有一种常见的热刺激反应检测法是哈格里夫斯测试，测试的是小鼠后爪移开某一热刺激所需的时间来评估研究对象的疼痛反应。

径迹分析法是测定周围神经损伤所致神经功能障碍的方法，K.Olmarker等认为检测疼痛应是在大鼠活动而非站立时，他们将大鼠后爪在X线胶片显影剂浸湿后测量大鼠运动中步长及跛行情况，分析得出跛行存在时运用径迹分析法是测定NLBP反射性行为较有价值的方法。

2.2 自发行为学变化测试

如前所述，NLBP的疼痛评估常用机械/冷热刺激的反应时间及径迹分析法，然而，这些方法是特定试验条件下对研究对象的操作及刺激，会不可避免的会对研究对象产生影响。

Olmarker等首次应用自发性行为变化来估测正在发生的疼痛反应，可将实验者对研究对象的影响降到最小^[6]，它们将动物行为学表现分成十余种，然后分类研究、分析数据。对于小鼠NLBP模型来说，自发性行为包括笼内异常行为、矿场测试以及位置逃逸测试等。

Burrowing行为是啮齿动物与生俱来的行为，是动物身体健康状况的衡量指标，当机体发生疾病或免疫系统激活时，Burrowing行为会在各种疼痛状态影响下发生变化^[7]。Burrowing行为检测的是自发性行为变化，因为动物在Burrowing行为时会舒展腰部，因此该行为变化与NLBP有一定的联系。

近年来，越来越多研究者认为：对于NLBP动物模型研究方法而言，自发行为学变化测试更优于反射行为学变化测试，在未来的研究中具有更大的发展潜力。

3. NLBP的动物模型分类

建立动物模型对研究NLBP的发病机制及临床治疗策略提供了一个良好的途径，根据腰椎的解剖结构及疾病的发展机制，可将NLBP动物模型分为以下几类。

3.1 椎间盘源性NLBP模型

椎间盘包括外周纤维环及中心富含基质的髓核，由上下部软骨终版界定^[8]。2005年，我国腰椎退行性疾患座谈会上将椎间盘源性腰痛(discogenic low back pain，DLBP)定义为：不以神经组织受压或破坏为表现的腰椎间盘退行性疾病^[9]，临床常见的有节段性腰椎不稳、间盘内结构紊乱、退行性椎间盘病变等。近些年研究发现，椎间盘源性腰痛以L4/L5及L5/S1间盘病变最为常见^[10]。

既往已运用穿刺方法在不同动物身上成功建立椎间盘退变动物模型，但仅少数与动物疼痛行为改变有关，Olmaker等首次用大鼠椎间盘模型模拟疼痛行为变化^[11]，研究者切除大鼠L4及L5椎旁小关节，用0.4mm穿刺针刺入L4/5椎间盘造成髓核突出，发现大鼠自发性疼痛行为明显增加，提示了椎间盘针刺与大鼠疼痛行为的关联。

与Olmaker不同的是，Kim等采用了腹部穿刺入路法成功建立了大鼠DLBP模型^[12]，研究者采用特制器械穿刺大鼠L4/5及L5/6椎间盘并破坏对应髓核，9周后，影像学发现实验组椎间盘变窄，组织学发现椎间盘结构部分破坏伴炎症细胞侵入，实验组大鼠痛觉计出声试验压力值较对照组明显减低。

随后，同一研究组用特制脊柱穿刺针在C臂机引导下穿刺到兔的腰2/3、3/4、4/5间盘并将髓核抽吸出，结果示实验组椎间盘退变呈时间上调趋势，术后15周后实验组椎间盘已完全退变^[13]。

与Kim相似，Lai通过将磷酸盐缓冲液注入髓核组织成功构建了另一种大鼠DLBP模型^[14]，具体方法是：采用腹部入路，分别注射磷酸盐缓冲液于L3/4、L4/5、L5/6间盘，发现实验组机械性痛觉反应时间显著减低、疼痛自发反应行为显著增加，影像学表现实验组椎间盘高度亦显著下降。

Lai进一步研究发现TNF-α注射或NGF/VEGF注射于间盘诱发的疼痛较于磷酸盐缓冲液更为剧烈^[15]。

3.2 神经根性NLBP模型

椎间盘突出是最常见造成慢性腰痛的原因，Kawakami等首先构建了椎间盘突出神经根性NLBP模型，研究者切除L6椎体后外侧椎板，移植部分同种异体间盘组织至硬膜外，发现移植组术后均出现机械痛觉反应及热刺激反应过敏。

之前认为，突出的髓核直接压迫是导致慢性腰痛的主要原因，现如今，越来越多的研究表明NLBP是由神经根的机械压迫协同神经根的炎症反应导致的^[16、17]，有时神经根未受到机械压迫也可导致疼痛，研究者将髓核组织直接置入于大鼠的神经根附近且不造成机械压迫，结果发现IL-1、IL-6及TNF-α等炎性因子表达上调，继续研究发现这些炎性因子通过转录因子介导，进一步诱导神经免疫作用而导致NLBP产生^[18、19]。

椎间孔狭窄是造成慢性腰痛的另一原因，Hu等首次建立了椎间孔狭窄背根神经节慢性压迫动物模型，显露L5单侧椎间孔，将一L形不锈钢特制棒插入此椎间孔从而造成L5背根神经节的稳定性压迫，结果示实验组术后出现后爪热刺激反应过敏。

Song等采用相同研究方式压迫L4和L5背根神经节，术后示大鼠出现机械性痛觉及热刺激反应过敏。

随后，Gu等建立了一个新型背根神经节受压动物模型^[20]，它们应用了一新型止血材料代替了之前的金属杆，植入此材料造成L5椎间孔慢性压迫，结果示术后大鼠出现持续性机械性痛觉及热刺激反应过敏，组织学观察显示实验组L5椎间孔压迫侧神经根处门冬氨酸受体及抑制因子kb-a表达增高。

近年来，Zhang等背侧入路暴露L4、L5椎体横突及椎间孔，将特制长棒插入椎间孔内，成功制备大鼠背根神经节持续受压模型，之后分别于术前1天、术后第7天、术后第7天鞘内注射钌红2h后测量各实验组大鼠机械性痛觉反应阈值。结果示，术后第7天，实验组大鼠机械性痛觉反应阈值较假手术组明显下降;而注射钌红2h后，实验组大鼠机械痛阈值较前明显升高。

3.3 炎症反应性NLBP模型

大量研究表明，局部炎症反应及炎症因子水平与NLBP息息相关^[21]。为了解其机制，Xie等建立了大鼠背根神经节炎症反应模型^[22]，研究者在大鼠L5横突处钻一孔径，然后注射免疫激活酵母聚糖于L5背根神经节的硬膜外区以诱发炎症反应，结果示大鼠术后出现双侧机械性痛觉反应过敏及异常性触发痛觉反应，进一步研究发现，局部炎症反应还能导致背根处A型及C型神经纤维放电频率显著增加，激活脊髓后角胶质细胞表达上调。

炎症反应不止在背根神经节处存在，腰椎小关节病变也是引起NLBP的重要因素^[23]，Kim等成功建立了大鼠小关节突关节炎模型^[24]，研究者经皮穿刺大鼠腰椎各个关节突小关节，并将21号特制蝴蝶针头置于囊内。结果示实验组大鼠痛觉计出声试验压力值明显低于对照组，影像学观察示实验组小关节突关节出现软骨下骨结构的退变，且组织学观察示实验组脊髓灰质后角中的IL-1、TNF-α上调。

同一时间，Shuang等建立了类似的腰椎小关节突关节炎模型^[25]，研究者将完全弗氏佐剂注射大鼠腰椎小关节腔内，术后小关节软骨及软骨下骨出现严重的软骨破坏，实验组大鼠的机械性痛觉反应过敏，关节软骨组织病理学评分和滑膜炎评分均升高。第二年，同一研究组注射尿激酶于大鼠腰椎小关节腔内，结果出现相似的炎症反应变化^[26]。

近年来，大量研究表明腰椎Modic改变与NLBP关系密切，腰椎Modic即腰椎终板炎，Dudli等成功建立了腰椎Modic改变的动物模型，研究者将离体鼠尾组织与痤疮丙酸杆菌(P.acnes)共同培养，成功诱导出I型Modic改变，相邻终板区域出现T细胞激活及炎症反应^[27]。

随后Chen等在兔腰椎间盘中分别注入P.acnes及金黄色葡萄球菌，发现P.acnes组术后4月终板区域出现II型Modic改变伴终板骨质损伤及炎性因子表达增加，但椎间盘本身无任何退变表现[28]。

3.4 基因相关性NLBP模型

目前已经开发大量转基因动物模型用来评估脊柱相关疾病的发病机理及病程发展，但用于NLBP中评价大鼠疼痛变化的模型却少之又少。

富含半胱氨酸的酸性分泌型蛋白(SPARC)又称骨黏连蛋白，是一种细胞基质蛋白，在机体损伤反应中发挥关键作用，随着人体椎间盘退变SPARC的表达逐渐减低。

Gruber等研究表明，SPARC基因敲除小鼠椎间盘退变进程明显加速。随后Millecamps等成功建立了SPARC基因敲除小鼠模型^[29]，研究者采取了一系列试验评价基因敲除小鼠疼痛行为的变化，发现基因敲除小鼠与同龄对照组小鼠相比，基因组均出现运动能力下降及悬吊过程静止时间缩短，同时伴有后爪皮肤冷刺激反应过敏，提示基因组小鼠存在腰痛症状。

后续研究发现，SPARC基因敲除小鼠背根神经节中降钙素基因相关肽(CGRP)和神经肽-Y随年龄增加而上调，且脊髓后角中小胶质细胞、星状胶质细胞及CGPP也随年龄增加上调^[30]。由此推测：腰椎间盘内神经纤维的长入及脊髓的神经重塑，可能是NLBP的发病机制之一。

其他基因相关性NLBP模型包括β-catenin基因鼠模型、Biglycan基因鼠模型等，这些基因鼠模型并未用于NLBP中评价疼痛变化，有待研究者们进一步的开发。

3.5 其他NLBP模型

除了上述4种NLBP模型，还有如应力性NLBP动物模型：人类的直立行走姿势会导致脊柱的压力负荷增加^[31]，脊柱的压力负荷改变及活动度改变均可导致NLBP，Bai等将兔子置于特制皮套中，使兔子处于被动直立体位，每天6H，持续14周，结果示实验组I型胶原蛋白表达逐渐上调，还出现了髓核纤维化等病理学改变^[32]。

运动系统NLBP动物模型：越来越多研究报道NLBP很大程度上与维持腰部稳定的腰部多裂肌有极为密切的关系，Chen等建立了一个大鼠腰肌损伤的NLBP模型^[33]，研究者将0.5%的布比卡因溶液注射于大鼠的L4-5双侧多裂肌内，结果示实验组大鼠2周后出现多裂肌损伤、萎缩等功能紊乱的表现，证实了NLBP与腰部多裂肌损伤之间的联系。

计算机模拟NLBP动物模型：随着计算机试验技术的普及，利用专业软件造模，再通过相应程序计算来导出各种动物模型参数已成为临床研究趋势之一。这种模型的优势是不需要繁琐的动物活体操作且试验数据可短时间内得出，但因其为既往数据模拟，可信度较差^[34]。

4. 小结

建立有效的动物模型具有十分重要的临床意义，它不仅可用于研究NLBP相关的病理机制及治疗策略，而且基于动物试验的数据，可以为设计临床试验拓展途径和启发思路。但同时，人类临床试验条件的复杂性、人类的社会及心理因素、药物的药理作用以及人类与动物行为试验测试方式的差异等都会对动物试验的临床转换带来巨大的挑战。

综上所述，选择一个模拟人类疾病表型的最佳动物模型以及开发出尽可能直观反馈症状性疼痛的评价方法是必不可少的，近些年随着科学研究者们的不断尝试和开发拓展，动物模型法研究NLBP一定会在不远的未来大放异彩。

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