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非人灵长类动物局部脑缺血模型的研究进展

添加时间:2018-05-21 10:58
  摘要:由于多项转化研究的失败,卒中治疗专业委员会建议,应该在非人灵长类动物局部脑缺血模型上进行临床前研究。采用血管内介入方法制备局部脑缺血模型与人类卒中发病过程一致,而且还可以进行血管内介入治疗,因此是模拟缺血性脑卒中发病与治疗过程的最佳动物模型。目前研究采用多种血管内介入方法制备模型,结果也不一致,本文将对血管内介入方法制备的非人灵长类动物进行总结,对各种模型的优缺点和潜在应用进行分析。此外,本文还根据不同类型的栓子,不同的闭塞部位,异常的血流动力学和可能的应用范围进行进一步的分析。选择合适的非人灵长类动物模型将有助于推动转化研究开展。
  
  关键词:卒中; 动物模型; 非人灵长类动物;
  
  卒中是成人致死、致残的主要原因。近年来,已有1000多种神经保护药物在细胞和啮齿类动物模型上证实有效,但转化到临床应用中却均以失败告终[1].其中重要的因素是人类与啮齿类动物存在巨大的种属差异,而非人灵长类动物(nonhuman primates,NHPs)在组织结构、免疫、生理和代谢等方面与人类高度近似,因此美国卒中治疗专业委员会建议,新的神经保护药物进行临床试验之前,在NHPs模型上进行临床前研究[2-3].
  
  大脑中动脉(middle cerebral artery,MCA)是人类脑缺血的多发部位,绝大多数的脑缺血模型都是针对MCA展开的。NHPs局部脑缺血模型的建立方法可大致分为血管内介入方法和开颅手术方法,其中血管内介入方法的模型制备过程与脑卒中的发病过程非常相似,因此值得特别关注[4].按照血管再通情况,NHPs局部脑缺血模型可分为缺血再灌注和永久性缺血两类。本文将就血管内介入方法制备NHPs局部脑缺血模型的最新进展进行总结和分析。
  
  1 永久性脑缺血模型
  
  永久性缺血模型是指制备局部脑缺血模型后不能或不必进行干预,不会出现自发再灌注的方法。制备NHPs永久性缺血模型所用的栓子包括线栓、聚苯乙烯球、黏合剂等。通过微导管将上述栓子注射到NHPs的MCA,栓子闭塞血管区域将出现局部脑缺血,并且即使给予溶栓药物也不会实现再通[5-7].该方法具有目标血管闭塞完全,梗死灶明确等优势。
  
  最初研究采用黏合剂作为栓塞物质,通过微导管将黏合剂注射到NHPs的MCA区域,随后影像学验证黏合剂闭塞MCA分支,磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)证实出现梗死灶。但是,该研究发现梗死灶大小(3.38 ~ 20.5 mL)差别很大,提示注射的黏合剂并未在注射部位局部闭塞血管[5].因此,闭塞部位的不确定性导致模型症状和梗死灶的不均一性。此后研究中,Zhang等[6]采用丝线作为栓塞物质,通过微导管将丝线送至MCA分支M2段的远端,他们发现恒河猴脑缺血模型梗死灶较小,而且模型出现对侧神经功能缺损的症状。为了更好的控制侧支代偿血流的作用,Tong等[7]采用丝线作为栓塞物质,通过微导管将丝线送至MCA分支M3段,而后撤出微导管至M1段,在此置入丝线。该研究发现,通过该方法可以降低侧支血流对于梗死灶的影响,梗死灶位置和大小相对恒定[7].在永久性缺血模型中,通过微导管辅助,栓塞物质能够准确闭塞MCA分支血管是制备NHPs脑缺血模型的关键。该模型的缺点是由于栓子不是血栓,尚不能进行缺血性脑卒中的溶栓、取栓等治疗。因此该模型可以很好的诱导局部脑缺血的发病过程,但是不能模拟干预过程。
  
  另一种制备NHPs永久性脑缺血的血管内介入方法是通过微导管注射微球。Cook等[8]研究发现,向食蟹猴颈内动脉注射10个直径400 μm聚苯乙烯微球后,成功制备局部脑缺血模型。食蟹猴模型在基底节和内囊区域出现显着的梗死灶,出现显着的对侧神经功能缺损症状。但是,注射10个直径200 μm聚苯乙烯微球后仅出现轻微神经功能缺损症状;注射10个直径100 μm聚苯乙烯微球未出现神经功能缺损症状,即使增加到20个微球也未出现症状[8].该研究提示,直径400 μm聚苯乙烯微球可以闭塞食蟹猴MCA的主干,造成相应区域的梗死。另一项研究中,Sato等[9]向食蟹猴颈内动脉注射直径50 μm琼脂糖微球后,模型并未表现局部脑缺血症状,MRI检查显示NHPs模型表现为腔隙性脑梗死。由于尚不能精确控制微球的闭塞部位,所以这类模型的梗死部位不确定。但是,注射微球所致的局部脑梗死,可以模拟临床缺血性脑卒中支架置入或取栓治疗过程中微栓子脱落而导致脑梗死的病理过程。
  
  2 缺血再灌注模型
  
  随着介入医学技术和设备的快速发展,更多的研究采用可回收的介入装置,包括微导管、微球囊、弹簧圈等,制备NHPs缺血再灌注模型。理论上置入上述装置后可以造成局部脑缺血,撤出装置后可以实现血管再通。该模型具有梗死部位、梗死时程可控、撤出介入装置后可以实现再通等优点,因此,多项研究采用这类方法。
  
  2.1 微导管方法
  
  采用微导管制备NHPs局部脑缺血模型相对简便和经济。de Crespigny等[10]将微导管置于食蟹猴MCA的远端分支,阻断局部血流3 h,MRI检查显示模型动物出现梗死灶。此后,其他研究也采用该方法制备NHPs局部脑缺血模型[11].但是,de Crespigny等[10]的研究仅报道模型出现较小的梗死灶(0.3 ~ 1.9 mL),提示微导管并未完全闭塞目标血管。此后,Wu等[12]研究采用外径更大的微导管(Rebar 18)制备NHPs局部脑缺血模型,即使采用相同的闭塞部位和时间,该研究发现较大的梗死体积(9.7 ~ 20.1 mL),明显超出闭塞血管的供血区域,提示微导管完全闭塞目标血管,造成局部血流显着变化。因此,选择合适的微导管、最佳的闭塞位置成为该方法制备NHPs模型的关键。
  
  2.2 微球囊方法
  
  运用血管内神经介入技术将球囊导管置入MCA后,加压后充盈球囊可以闭塞MCA,释放压力后撤出球囊可以实现再灌注。Gao等[13]采用球囊导管置入的方式,短暂闭塞恒河猴MCA 2 h成功制备缺血再灌注模型,梗死灶主要位于基底节和内囊部位,模型动物出现对侧肢体瘫痪症状。另一项研究采用相似的球囊导管,短暂闭塞狒狒MCA 3 h也成功制备缺血再灌注模型[14].上述两项研究表明,球囊导管可以成功制备NHPs缺血再灌注模型。但是,由于上述研究所用球囊导管直径与NHPs MCA近端直径接近,因此,球囊导管只能闭塞MCA近端或颈内动脉(internal carotid artery,ICA)远端血管,梗死灶通常较大,症状较重。
  
  2.3 弹簧圈方法
  
  运用血管内神经介入技术将导管精确置于MCA特定位置后,释放弹簧圈可以精准闭塞MCA,解压弹簧圈后可以实现局部血流再灌注。Zhang等[15]采用弹簧圈置入方法,短暂闭塞恒河猴MCA的M1段,缺血2 h后收回弹簧圈,实现再灌注,MRI检查显示梗死灶位于基底节区域,模型可以长期存活。Guo等[16]采用相同的方法,短暂闭塞恒河猴M1段2 h后成功制备缺血再灌注模型。Zhao等[17]采用相同的方法,短暂闭塞恒河猴M2段2 h后也可成功制备缺血再灌注模型,与M1段闭塞模型相比,M2段模型的梗死灶较小、症状较轻。因此,弹簧圈方法可以精准控制闭塞部位、闭塞时程,最终梗死灶大小与闭塞部位直接相关。
  
  上述三种方法通过介入装置的置入和撤出,成功模拟血栓形成和溶栓/取栓过程。但是,由于血管介入装置对于局部血流和血管壁的影响,可能出现血管痉挛、局部血栓形成等不良反应,影响模型制备的一致性。一项研究报道,采用球囊导管制备NHPs局部脑缺血模型后,虽然撤出球囊导管实现MCA的完全再通,但是病理学结果显示,深穿支动脉出现局部血栓形成[18].采用上述方法制备的NHPs缺血再灌注模型,易于控制缺血时间和或缺血部位,可以实现血管再通。
  
  3 血栓模型
  
  缺血性脑卒中发生的主要原因是血栓形成和栓子脱落,而针对血栓进行的化学溶栓或机械取栓是目前缺血性脑卒中的主要治疗方法[19].采用血管内介入方法制备NHPs局部脑缺血的血栓模型,既可以模拟脑卒中的发病过程,也可以模拟脑卒中的治疗和干预过程。因此,这种NHPs模型是与脑卒中发病、治疗关系最密切,也是最具有转化前景的动物模型[20].
  
  早期NHPs血栓模型研究发现,由于不能精准控制外源性血栓在MCA的位置,所以梗死灶位置和大小非常不一致。Kito等[21]向食蟹猴MCA注射单条10 cm长的血栓后成功制备局部脑缺血模型,模型动物在基底节、皮层等部位出现梗死灶,出现行为、意识、感觉等异常表现。该项研究虽然控制外源性血栓的负荷量,但是病理学检查发现,外源性血栓并未完全在注射部位。Gauberti等[22]在结扎MCA近端和远端的基础上,注射外源性凝血酶诱导局部血栓形成,成功制备恒河猴MCA主干血栓形成的局部脑缺血模型。但是,上述两项研究均报道,注射血栓压力增大后,外源性血栓存在破碎的风险,造成梗死部位的不确定性。Wu等[12]参照啮齿类动物研究中制备白血栓的方法,改进NHPs自体血栓制备方法,提高了恒河猴自体血栓的韧性。注射单条血栓后发现,血栓位于MCA的M1段或M2段,其中M2段血栓闭塞模型可以长期存活,表现对侧上肢神经功能缺损,但是M1段血栓闭塞模型脑缺血症状严重,具有较高的死亡率[12].
  
  溶栓或取栓治疗是急性缺血性脑卒中的标准治疗方法。因此,可以在NHPs血栓模型上模拟溶栓或取栓治疗,评估新型溶栓药物或设备。Qureshi等[23]报道,制备食蟹猴MCA血栓模型后,接受动脉给予溶栓药物(t-PA)治疗的模型血管再通比例更高。但是,该研究每组仅纳入4只模型动物,因此,并未进行统计学分析。另一项研究,制备食蟹猴MCA血栓模型后,经动脉给予尿激酶进行溶栓治疗,这样可以降低梗死体积、改善意识状态和运动功能[24].上述研究证明,NHPs血栓模型可以成功模拟缺血性脑卒中的发病和治疗过程,给予溶栓治疗后可以降低神经功能缺损。
  
  通过血管介入方法制备的NHPs血栓模型具有最接近临床发病、治疗过程的优点,但是血栓模型仍然存在闭塞部位不完全精准、血栓自溶、血栓延伸等不确定因素,因此,尚需辅助其他方法克服上述缺点[4].此外,由于NHPs的MCA直径较小,即使血栓可以闭塞MCA,目前临床常用的取栓支架尚不能通过NHPs的MCA.因此,制备更小的取栓支架后才能在NHPs血栓模型上进行取栓实验。
  
  4 NHPs模型制备中血流动力学改变
  
  MCA通常是制备NHPs局部脑缺血模型的目标血管,同时MCA闭塞时间、程度也是关系模型术后存活、症状轻重的关键因素[25].由于MCA供血区域广泛,同时发出豆纹动脉等穿支动脉,因此,临床研究发现,MCA主干闭塞后,患者将发生“恶性脑梗死”,预后不良[26].制备NHPs局部脑缺血模型的研究通常选用青年或中年动物,无其他基础疾病,MCA主干闭塞后,如果没有良好的侧支循环,NHPs模型易于死亡。因此,制备NHPs永久性脑缺血模型的研究通常选择M1段的远端或M2段作为闭塞部位,避免闭塞MCA的主干。这样可以保障MCA主干通畅,避免出现“恶性脑梗死”.NHPs缺血再灌注模型也仅仅闭塞MCA主干2 ~ 3 h,之后血管再通,保障MCA主干通畅[4,27].其次,血管内介入方法所用装置以及栓子(血栓或其他栓子),都将显着影响局部脑血流。上述装置以及栓子作为外源性异物,都可以触发血小板凝集,形成新生血栓,造成模型症状加重[28].因此,采用血管内介入方法制备NHPs模型过程中,应该特别关注模型局部脑血流的变化。
  
  5 动物伦理问题
  
  NHPs研究应该严格遵守实验动物伦理委员会的要求,达到“3R”原则。首先,所用神经保护药物应经过细胞模型、啮齿类动物模型的验证,具有明确显着的神经保护作用[25].其次,采用统计学方法,计算达到研究目标所需的最少动物数量[29].最后,在局部脑缺血手术过程以及后续治疗过程中,选择最佳的麻醉方式,保障术中平稳,使用阵痛、麻醉药物,尽量降低模型动物的痛苦[30-31].
  
  NHPs局部脑缺血模型为基础、转化和临床研究提供了重要的研究工具,具有重要意义[32].因此,根据不同研究的目标和任务,建立重复性好、死亡率低且易于控制缺血时间的NHPs脑缺血模型是关键。
  
  参考文献
  
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