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早产儿生发基质-脑室内出血动物模型建立方法的研究进展
摘要
早产儿生发基质-脑室内出血(germinal matrix hemorrhage-intraventricular hemorrhage,GMH-IVH)及其继发脑损伤是导致早产儿神经系统后遗症的主要原因之一。动物模型可以高度模拟GMH-IVH的病理生理过程,是研究GMH-IVH新型治疗方案的重要手段。本文对GMH-IVH动物模型的不同制备方法及最新研究进展进行综述,以帮助探索新型干预手段,改善预后。
随着新生儿重症监护及救治水平的提升,早产儿(尤其是极早产儿)存活率不断提高,早产相关并发症发生率也逐年攀升[1, 2]。生发基质-脑室内出血(germinal matrix hemorrhage and intraventricular hemorrhage,GMH-IVH)是早产儿常见并发症,可导致多种神经系统后遗症,如脑室周围白质软化、脑积水、脑性瘫痪、学习障碍和认知异常等[3, 4, 5]。据统计,我国胎龄<32周早产儿重度GMH-IVH(或脑室周围白质软化)发病率为10.4%[1],胎龄<28周的早产儿重度GMH-IVH发病率为13.7%[2]。生发基质是早产儿脑室周围室管膜下的一层高度血管化结构,血管壁结构不完整,极易破裂出血[6]。出血后血肿压迫脑组织可引发高颅压、离子超载、氧自由基增多,同时伴随炎症、脱髓鞘、神经细胞凋亡等一系列病理生理改变,对脑白质造成不可逆损伤[7, 8]。目前,GMH-IVH主要为对症治疗,尚无统一的标准疗法,亟待探究新型安全、有效的治疗及预防措施。建立动物模型可以最大程度地模拟GMH-IVH病理生理过程,是研究GMH-IVH新型治疗方案不可或缺的重要手段。既往研究中应用在动物脑内植入填充物、模拟缺氧或高碳酸血症造成脑血管扩张出血等方法模拟GMH-IVH,由于其诸多局限性近年来已较少采用。故本文对GMH-IVH 动物模型不同制模方法的现状及研究进展进行综述。
一、脑室内注射血制品
通过立体定位仪或超声定位技术,向大鼠、小鼠或猪仔脑室内注射自体全血[9, 10]、母体全血[11, 12]或其他血制品[13, 14, 15]可直接模拟脑室内出血后占位效应,故常用于模拟GMH-IVH。该建模法需充分暴露实验动物颅骨囟门,利用定位技术进行定点钻孔,缓慢注射血制品,并在注射完毕后缓慢退针、骨蜡封口,缝合皮肤。
脑室内注射自体血建模,通常选用体型较大、生后1周龄左右的约克仔猪,自股动脉取自体血约5~10 ml,在超声引导下注入脑室;在建模后第1天、第7天、第14天、第21天和第28天行颅脑磁共振检查评估脑室内血肿形成大小及脑室扩张程度[9, 10]。
脑室内注射母体全血时,通常选用生后4日龄SD大鼠,取母鼠血200 μl,固定好大鼠后利用立体定位仪,以前囟为参照点(x轴±0.5 mm左右侧、y轴+1.0 mm、z轴+2.5 mm)进行钻孔后缓慢注射母体全血,左右侧脑室内各注射100 μl,在建模后第1天、第7天、第28天行颅脑磁共振检查评估脑室内血肿形成情况及脑室扩张程度[11, 12]。
Lai等[10]向约克仔猪脑室内注射不同容量自体血模拟GMH-IVH后发现,出血后脑室扩张程度与血肿形成大小密切相关,与注入血量关系不大。脑室内注射自体血,既可通过控制注入血量进行脑出血分级研究,还可以观察血肿形成过程对脑组织的影响[10]。
脑室内注射血制品模拟GMH-IVH操作简单、可重复性较强。但直接注射大量血液可导致脑室内血凝块迅速形成,难以模拟脑室内出血的真实过程[9]。目前该建模方法主要用于研究GMH-IVH后脑室扩张及脑积水发生情况[10],观察脑室内出血后急性炎症反应、白质氧化应激和髓鞘化障碍病理生理过程[15],寻找新的治疗方案(如脐血来源间充质干细胞、祛铁剂)及其作用靶点[11, 12]等。其中,脐血来源间充质干细胞治疗重度GMH-IVH目前已进入临床试验阶段,未来有望应用于临床治疗[16]。
二、腹腔内注射50%丙三醇
早产儿生发基质结构不稳定,任何导致脑血流波动的因素均可导致GMH-IVH发生。50%丙三醇是一种高渗溶液,腹腔内注射会导致血浆胶体渗透压升高和血管内液体渗出,随之脑血流波动导致脑室内生发基质血管结构破裂出血突入脑室。因此,近年来越来越多地应用于制备GMH-IVH动物模型。该建模法需对孕29 d(足月为孕32 d)的母兔行剖宫产,取生后3~4 h幼兔腹腔内注射50%丙三醇(10 ml/kg),并在生后24 h行颅脑超声评估脑室容积,这是一种模拟自发性脑室内出血的建模方法[17, 18, 19, 20, 21, 22, 23]。根据超声测量脑室容积(矢状视图的长度×宽度×冠状视图深度)结果,将GMH-IVH分为轻度或无GMH-IVH(<70 mm3)、中度(70~150 mm3)和重度(151~250 mm3)[17,21]。
腹腔内注射50%丙三醇建立GMH-IVH动物模型的实验动物选用早产兔,主要因为它与人类早产儿相似,脑室管膜下都具有丰富的生发基质,且生发基质血管结构不稳定;此外,孕29 d早产兔肺发育较为成熟,即使早产状态下仍能存活[24]。
既往研究结果显示,腹腔内注射50%丙三醇对实验动物的肝、肾、肺、心脏等重要脏器无明显毒性作用;也不会改变脑组织谷氨酸及丙酮酸代谢,无直接脑损伤及神经毒性作用,是一种较为理想的实验试剂[25]。但该建模方法在不同实验室的成模率存在差异,实用性受到部分质疑[26]。母兔分娩前状况、幼兔生后照护情况以及头颅超声检测准确性可能是导致差异的主要原因。
早产兔腹腔内注射50%丙三醇目前已用于探究GMH-IVH近期及远期并发症潜在预防和治疗策略,包括糖原合成酶激酶-3β抑制剂[18]、脐血来源的非限制性体干细胞[19, 20]、透明质酸酶[23]以及过氧化物酶体增殖物激活受体γ激活剂[21]等。
三、生发基质区注射胶原酶
胶原酶是一种催化胶原(血管基底膜的主要成分)水解的蛋白酶,动物实验中应用的胶原酶为细菌提取产物;将其注射入脑室周围生发基质后可促使血管基底膜水解导致血管破裂出血,故可通过生发基质区注射胶原酶建立GMH-IVH动物模型。胶原酶分为多种类型,目前Ⅶ型胶原酶应用最为广泛[27, 28, 29]。实验动物通常选用生后7日龄SD大鼠[27, 28,30, 31, 32, 33, 34, 35],也有一些研究选用生后5日龄Wistar大鼠[36]、生后7日龄CD1小鼠[29,37, 38]。Jinnai等[36]将3种剂量胶原酶(0.1、0.2及0.3单位)分别注射入生后5日龄Wistar大鼠的生发基质区以探究最佳建模剂量,发现0.3单位胶原酶实验组的成模率最高,效果最好。
该建模法操作时需充分暴露实验动物颅骨囟门,利用定位技术进行定点钻孔后,缓慢注射胶原酶,并在注射完毕后缓慢退针、骨蜡封口,缝合皮肤。行胶原酶注射时,在立体定位仪上以前囟为参照点,右移1.5 mm,再前移1.6 mm为进针点,进针深度距硬膜2.7 mm,将0.3单位胶原酶缓慢注射到生后7日龄SD大鼠大脑生发基质区以诱导GMH-IVH[30, 31, 32,34, 35]。
脑室周围生发基质区注射胶原酶操作快捷且重复性好,但胶原酶作为外源性蛋白,本身可能诱导注射部位局部炎症反应,干扰实验结果[39]。胶原酶水解血管基底膜导致小血管广泛慢性渗血,而非小血管物理性破裂,形成的血液渗出灶并非真正意义上的局限性血肿,急性占位效应不明显,与早产儿GMH-IVH的病理生理过程有所不同[32,40]。
生发基质区注射胶原酶现已用于探究GMH-IVH脑组织形态学及神经认知功能改变[36]、出血后脑积水的新型预防和干预手段(如C3/C3aR抑制剂[28]及重组人松弛素2[32])、GMH-IVH新型治疗措施(如重组人脂肪因子Chemerin[30]及重组人干扰素α[31])、出血后血脑屏障功能改变[41]等。
四、总结与展望
综上,目前GMH-IVH动物模型建模方法主要为脑室内注射血制品、腹腔内注射50%丙三醇以及生发基质区注射胶原酶三种。各种GMH-IVH建模方法有不同的病理生理特点及优劣之处,要使动物实验模拟人类早产儿GMH-IVH的整个病理生理过程非常困难。选用恰当的GMH-IVH动物模型有利于进一步探究发病机制、病理生理改变以及新型预防改善措施,并最终转化应用于临床改善患儿预后。GMH-IVH动物模型目前多用于探究其新型治疗措施或改善预后,预防GMH-IVH的相关研究相对较少,是未来可进一步探讨的方向。
引用本文
阳柳, 聂川. 早产儿生发基质-脑室内出血动物模型建立方法的研究进展 [J] . 中华新生儿科杂志(中英文), 2023, 38(12) : 761-764. DOI: 10.3760/cma.j.issn.2096-2932.2023.12.014.