疼痛的动物模型研究进展

疼痛的动物模型研究进展

疼痛是由急性或潜在组织损伤引起的一种不适感和情绪体验引起的。疼痛不仅仅是一种感觉现象,更是一种多维度现象,包括感觉、情感、动机、环境及认知成分。国际疼痛研究协会将慢性疼痛定义为“超过正常的组织愈合时间的疼痛”,也就是引起伤害性刺激损伤已痊愈而疼痛依然存在的一种状态,它常常伴随不愉快的情绪体验和身体反应。因此它既是一种生理反应,又是一种主观的自觉症状。疼痛常伴随各种急性或慢性疾病,由于它的发作给患者带来的痛楚,会使人出现睡眠紊乱、食欲缺乏、精神崩溃甚至人格扭曲和家居不宁等后果,致使不少病人因无法忍受长期的疼痛折磨而选择自杀,尤其对老年人的生活和生命质量产生严重影响,并给家庭、社会带来巨大负担。为了更好地了解疼痛的产生机制,并指导疼痛患者的治疗及护理,目前已有许多学者致力于动物模型的研究,试图模拟人类疾病或创伤等导致的各类疼痛。笔者就近年来国内外广泛应用或新近建立的疼痛相关疾病的几种动物模型作一综述。1病理变化因素国际疼痛研究协会将神经病理性疼痛定义为由躯体感觉神经系统的损伤或疾病而直接造成的疼痛。它属于一种慢性疼痛,疼痛表现为自发性疼痛、痛觉过敏、异常疼痛和感觉异常等临床特征。神经病理性疼痛由外周或中枢躯体感觉系统的损伤或疾病引起,通常继发于神经系统的创伤、缺血、代谢紊乱、或毒素的侵袭。虽然神经病理性疼痛的治疗方法众多,但目前多数患者尚无法达到治愈,总体治愈率较低,多数患者需长期用药,经济负担沉重。神经病理性疼痛动物模型的建立与不断完善,将有助于更加深入地研究各种病因导致的疼痛机制与治疗。1.1iii型胶原的模拟皮质或丘脑痛模型通过微量注射兴奋性毒性介质到躯体感觉皮质区或丘脑核团引起疼痛,这些介质包括苦味毒素或者红藻氨酸等。直接在丘脑微量注射IV型胶原已被研究用于模拟出血性脑卒中。皮质和丘脑痛通常引起机械痛敏和热痛敏,并伴随自发痛行为,其影响的肢体会有抬举、摇动行为及转轮活动减少。1.2脊柱损伤模型1.3周围神经损伤模型1.3.1神经瘤模型最早的神经病理性痛动物模型是上世纪70年代末由wall等首先介绍的坐骨神经轴索切断模型。方法是在麻醉下充分暴露坐骨神经,其后用丝线结扎神经干,将结扎部位切断,近端植入一端封闭的医用聚乙烯管内,由于保留的断端可以在9~40天后形成神经瘤,该模型又称神经瘤模型。该模型能复制出类似人类幻肢痛的症状,但手术动物在术后几天出现自噬现象,目前研究更倾向于该自噬现象是因为后肢缺乏运动及感觉神经支配,而非由于疼痛所致,且该模型无法进行痛觉过敏和痛觉异常的测试,目前已少有人用。1.3.2术后疼痛反应坐骨神经慢性压迫模型是Bennette等人在1988年建立的,目前在临床动物实验中广泛应用。建模方法是利用3~4根铬制羊肠线宽松结扎一侧坐骨神经中段。术后5~7天手术动物开始出现疼痛反应,如舔足、跛行、避免使用手术侧足行走等,10~14天达高峰,约持续2月消退,期间几乎不出现自噬现象。术后可进行机械痛或热痛的测量以评估痛觉过敏及痛觉异常程度。该模型的缺点是结扎的力度难以保持一致,造成的神经损伤程度不易控制。1.3.3骨神经损伤模型该法由Seltzer等人报道,建模方法与坐骨神经慢性压迫模型相似,通过结扎一侧坐骨神经的上1/3~1/2,模拟人类局部神经损伤所致的烧灼痛。术后大鼠出现“镜像”表现,即手术对侧肢体也出现痛觉过敏及痛觉异常,该模型术后痛觉过敏出现时间早,于数小时内即出现,且持续时间较CCI长,约7月余。缺点是该模型的损伤程度也较难控制。1.4酒精毒性模型系统性神经病多为糖尿病或酗酒相关疾病引起的神经病理性疾病。糖尿病性神经病变模型通过对小鼠进行基因修饰或者注射链脲霉素建立。而酒中毒模型通过在实验动物日常饮水或摄食中加入酒精建立。有学者指出,链脲霉素引起的神经病变是由于其本身的神经毒性而非其介导的糖尿病状态。已有证据表明,链脲霉素引起的神经病变必须伴随高血糖症的产生,非独立存在。由于多方面因素的影响,包括选用的模型、建模的时间、选用动物的种系等这些模型对热痛、机械痛及其他疼痛行为表现不一。2中性红细胞趋化炎性疼痛模型是通过注射不同的刺激药物到动物的皮肤、足爪、肌肉、关节和内脏器官等。这些炎性刺激药物通过中性粒细胞趋化作用而引起急性炎性疼痛,同时介导巨噬细胞浸润引起持续性疼痛。炎性疼痛模型常用来模拟急性炎症和慢性炎症并存的疾病,阿片样物质和非甾体抗炎药对这类模型产生的疼痛有效,且已得到证实。以下主要列举一些常用的炎性刺激物。2.1青椒的疼痛模型2.2局部注射角叉菜胶对注射部位和时间的影响在实验动物的足爪、肌肉、关节等部位注射角叉菜胶,最初引起急性炎症,2周后可转化成慢性炎症。局部注射角叉菜胶对注射部位及以外区域均能引起热痛敏和机械痛敏。此外,实验动物后肢的防卫行为增加,后肢的承重减弱,逃避行为、自发痛行为以及转轮活动减少。该模型主要用于了解急性炎性痛以及模拟组织损伤的条件,如关节扭伤、拉伤、肌炎。2.3血药浓度和大鼠的区域热痛行为完全弗氏佐剂常被用于注射到实验动物的尾部、足爪、肌肉、关节,其引起的慢性炎症较角叉菜胶更甚。在注射部位周围及远处均能引起热痛及机械痛觉敏感。同时实验动物的后肢的承重减弱、自发痛行为及非反射性疼痛行为增强、转轮活动减少。完全弗氏佐剂被用于模拟慢性炎性痛相关的疾病,尤其是类风湿性关节炎和腱鞘炎伴随疼痛的情况。2.4福尔马林注射致炎剂福尔马林致痛模型是由Hunskaar等人于1985年提出,通过给予动物注射福尔马林使组织局部产生炎性反应,增加组织对疼痛的敏感性,是最为用的致炎剂。一般选用大鼠,在一侧足背皮下注射0.5%~2.5%的福尔马林溶液(50μl/只),疼痛行为的表现程度与注射药物浓度相关。其痛觉敏感表现分两个时相:第一时相(注射后0~5分钟)为福尔马林直接刺激局部神经末梢引起;第二时相(注射后20~30分钟)为药物引起局部释放验证介质增加痛敏所致。该法致痛刺激持久,可模拟急性损伤导致的持续性疼痛,也是目前国际公认的较好的用于研究药物镇痛作用的疼痛模型。3睾丸扭体法和结肠扩张法内脏痛模型通过刺激实验动物腹膜、腹部和盆腔空腔脏器来观察其疼痛行为。伤害性刺激因素包括电流、机械损伤、局部缺血以及化学药物。制备腹膜、腹部和盆腔空腔脏器的内脏痛的常用方法分别为:醋酸扭体法、结直肠扩张法和膀胱炎模型。醋酸扭体法用于研究腹膜伤害感受器并测量自发痛,对实验动物腹腔内注射0.6%乙酸刺激脏层和壁层腹膜,产生面积大、持续时间长的疼痛,研究者可观察并记录动物的疼痛行为(伸展、蜷缩、腹部贴地)次数。该法简便易行、重复性好,常用于中枢和外周镇痛药的研究,但不能在同一动物上进行时效分析,动物用量较多,且缺乏特异性,个体差异大,需与其他实验相结合进行。结肠扩张法是腹腔空腔脏器扩张法中最为常用的方式。通过对结肠充气,继而测量腹部肌肉的肌电活动,该模型已被验证能模拟人类的内脏痛。膀胱炎模型则是对泌尿生殖道注射有毒物质(如血管内皮生长因子、环磷酰胺、细菌)来建模,评估动物的诱发痛行为、扩张内脏运动反应、腹部或足爪的次级痛觉过敏。4骨性预防模型用于研究关节疼痛的模型,包括炎症引起的疼痛模型和组织损伤引起的疼痛模型。最常用的建模方法是对单一关节注射炎性刺激物,如角叉菜胶、辣椒素、完全弗氏佐剂等,引起单关节局部炎症,模拟急性和慢性炎症反应。关节注射Ⅱ型胶原抗体或K/BxN转基因小鼠血清可引起广泛的炎症浸润,伴随滑膜炎、软骨降解、关节炎炎性细胞因子升高,由于其病理学的相似性,常用于模拟类风湿性关节炎。该模型常引起足爪和关节的机械痛敏以及活动减少。骨性关节炎模型常通过对实验动物进行关节周围组织损伤建立,包括断离前交叉韧带、半月板切除术、颞下颌关节部分切除术。这些模型均伴随关节破坏,尤其是关节软骨的损伤情况与骨性关节炎病患情况相似。单一注射谷氨酸钠乙酸也可引起动物关节破坏、炎症、细胞因子水平升高和疼痛行为,故该模型也常用于模拟骨性关节炎。这些模型表现出多种疼痛行为,包括关节运动发声和肢体承重的减弱。5骨痛与化疗的动物表现行为癌症相关疼痛包括由癌症本身引起的疼痛和癌症治疗过程中产生的疼痛。动物模型可有助于研究上述两方面的病因。肿瘤相关疼痛通过在颌面部局部异种移植癌症细胞模拟颌面痛,或在骨部异种移植癌症细胞模拟转移性骨痛该模型动物表现行为与癌症患者相似,如对机械痛、热痛及触痛敏感,控制力减弱。除了癌症本身引起的疼痛,化疗过程中也常常引起周围神经病变。对实验动物全身注射化疗药物模拟化疗所致的周围神经病变,动物模型的疼痛行为表现亦与化疗患者相似,包括机械痛及热痛敏感。尤为重要的是,化疗所致的周围神经病变模型考虑到了针对神经性表型的预防性治疗的研究。然而,动物模型所需的化疗药物剂量与实际患者用量相去甚远,故两者的神经性表型尚不能完全匹配。6外科手术对小鼠的损伤与外科领域密切相关的术后疼痛模型主要是通过对实验动物足底皮肤、筋膜和肌肉作一纵向切口建模,引起浅层组织和深部组织损伤,可复制外科手术导致的病理学改变。实验动物表现出热痛敏、机械痛敏和自发痛行为。此外,其他的常见疾病模型也可用于测量疼痛及其相关症状,包括HIV引起的神经病理性疼痛模型、抗逆转录病毒神经病变模型、镰刀细胞疾病模型、头痛或偏头痛模型。7脊髓性损伤模型的动物特征在研究疾病相关的疼痛的大量动物模型中,许多动物模型具备表面效度,并显示出与临床情况相似的病理学和症状学表现。在设计实验过程中,选择恰当的模型对于研究结果相当重要。疼痛的开始和表现形式必须同时反映出临床表现和潜在的疾病机制。毋庸置疑的是,随着人类对疾病病理学研究的进步和科技的发展,越来越多的模型将被建立,同时这些模型的建立必须符合上述标准且验证有效。目前对动物疼痛研究的领域尚存在一些不足。主要体现在:第一,现有的动物模型与自然状况仍有一定差距。对此,与人类病理生理状态更贴合的动物模型将成为未来研究的新方向。第二,疼痛行为的测量过度集中于由温度或机械刺激所导致的疼痛行为变化,这与人类症状并不完全吻合。第三,在实验过程中,研究者大多只关注疼痛本身,对疼痛的伴随症状未予重视。第四,慢性疼痛在人群中的流行病学特征与动物研究选择的被试存在明显的不匹配,而性别、年龄、遗传等因素均对实验结果产生强烈影响。建立并且选择合适的实验设计包括多方面因素,诸如模拟的疾病、模型引起的疼痛表现以及给定测试预估的参数,对疾病临床情况有良好的熟悉度也有助于选择合适的模型以及实验结局。在检测新的疼痛治疗方法时,其疾病动物模型必须切合该疾病在人类的表现。更进一步而言,鉴于疼痛是一种多维度的体验,宜结合多种行为学的检测,以便更好地了解潜在治疗的有效性。在评估一个治疗的临床实用性时,需结合测量自发痛、诱发痛、逃避行为、生活质量等多方面因素。脊髓损伤模型的主要机制为脊髓由于挫伤、手术损伤、局部照射产生缺血性损伤或神经递质引起兴奋性中毒引起直接损伤[6~8]。在外伤或缺血性脊髓损伤后,脊髓损伤模型动物表现为机械性痛觉敏感以及热敏,同时伴随自发痛行为,如位置偏爱。典型的脊髓损伤