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动物模型 ｜ 一文了解偏头痛动物模型构建
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依据国际头痛分类第3版(ICHD-3)，偏头痛临床特征为单侧颞部周期性反复发作的中重度搏动性头痛，是常伴随有恶心、呕吐、畏光畏声及感觉运动障碍等一系列症状的慢性神经系统致残性疾病，每次发作可持续4～72小时。选择与应用一个简便而有效的动物模型，为研究偏头痛的发病机制、药物开发、疾病预防和临床诊疗奠定基础。 一、基于皮质扩散性抑制学说的动物模型 目前大部分学者认为皮质扩布去极化/抑制（CSD）是偏头痛先兆的发生机制，这种电生理现象在实验动物中相对容易诱导，为偏头痛的研究提供了一个新的手段。对皮质直接进行电、化学、机械刺激均可以引起CSD，并可能激活三叉神经传入系统，延缓脑膜中血液流动速度，介导同侧脑膜血浆蛋白外渗。由于该模型需要在颅骨多处钻孔并埋置电极，手术难度较大，用小鼠造模易损伤脑组织，因此目前主要用发育成熟的成年大鼠（2个月龄以上，体重一般>300g）造模。 造模方法：选取300g左右的SD大鼠，麻醉后固定于脑立体定位仪上，暴露颅骨，用颅骨钻分别于前囟前方1～3mm，旁侧2～4mm处和前囟后方7～8mm，旁侧1～2mm处钻孔，平行插入两个电极到皮质向下1mm处。通过将玻璃电极插入到皮层向下0.9mm处或置于皮层表面来记录皮层稳定电位和脑皮质电图，以避免电极插入时诱发的CSD。在电刺激前1h破坏硬脑膜以避免电刺激硬脑膜造成的干扰并保证电刺激时动物状态稳定。给予1mA，300ms方波脉冲刺激以诱发CSD。 观测指标：主要以记录电极所采集到的电生理数据为判断造模是否成功的指标，数据包括CSD出现的持续时间、幅度、频率等。 模型特点：该模型可以较好的模拟偏头痛先兆症状的发病机制，尤其是皮质电生理活动，模型稳定性与可重复性高，造模成本较低。其缺点主要在于动物处于麻醉状态，无法检测或观察行为学变化，无法模拟偏头痛的痛觉信息加工过程，对于记录设备的要求也较高。 二、基于血管源性学说的动物模型 有研究表明偏头痛先兆期的非疼痛症状由血管异常收缩导致部分神经元供血不足缺氧而引起，而发作期的疼痛症状由随后血管扩张压迫并触发血管壁神经末梢上的压力型伤害性感受器、释放痛觉相关神经递质与血管活性物质而引起。 硝酸甘油型偏头痛模型 原理：硝酸甘油是一种脂溶性的神经递质一氧化氮(nitricoxide,NO)供体，易于通过血脑屏障，可以直接刺激血管平滑肌，导致血管扩张。硝酸甘油产生的NO可以直接激活第二信使环磷酸鸟苷(cGMP)，并通过调控下游信号通路引起颅内、外血管的扩张，激活伤害性感受神经元，诱导偏头痛的发作。 造模方法：该模型以小鼠和大鼠为实验动物，通常采用腹腔注射硝酸甘油的方式造模，若实验动物为大鼠，亦可采用皮下注射和静脉注射法造模，而依据注射方法的不同，该模型又可分为急性模型与慢性模型。急性偏头痛模型通常采用大鼠后颈部皮下注射法，慢性偏头痛模型小鼠腹腔注射法。 观测指标：行为学分析，给药后的1h内可以观察到明显的频繁挠头、双耳发红、竖毛等不安的行为表现，并在约3h后减少活动，恢复平静。急性偏头痛模型大鼠还会出现在注射后30min内出现双耳变红、爬笼次数增加、前肢频繁挠头等行为。 模型特点：该模型造模方法简便、成本较低、对实验技术与条件要求低，同时与人类偏头痛症状相似性高，病理状态稳定，适用性强，因此成为最为常用的偏头痛模型之一。该模型行为学改变较为明显，成功率高，很容易实现短期内大量造模并剔除造模失败的个体，并可根据实验设计延长注射天数，维持偏头痛症状。缺点是硝酸甘油不能特异性的影响颅内外血管，而是对全身血管都起效，因此所产生的症状与病理状态的改变可能并非与偏头痛相关。 三、基于三叉神经血管学说的动物模型 目前认可度最高的是偏头痛是由于三叉神经血管系统(TGVS)中的血管、神经和神经递质相互影响引起的。当脑膜受到伤害性刺激后，脑膜周围的伤害性感受器被激活，痛觉信息传入到三叉神经节并通过三叉神经脊束核传入到感觉皮质，产生痛觉反应。 1.硬脑膜刺激模型 造模方法：选择电刺激硬脑膜上矢状窦区域。选取300g左右的成年SD大鼠，麻醉后固定于脑立体定位仪上。随后在大鼠颅骨表面前囟前4mm和后6mm处各钻开一小孔，避免破坏硬脑膜。将两个电极分别垂直插入到小孔中，电极底部与硬脑膜接触，并在颅骨表面用牙科水泥固定电极。术后3天使大鼠恢复并进行适应性训练，然后连续7天以频率20Hz，脉宽0.25ms，电流2.5～3.5mA（或电压3～6V）的方波脉冲进行电刺激，每次刺激时间为2h。 观察指标：造模后大鼠眶周机械痛阈值下降，出现明显的频繁甩头、颤动、过度理毛等行为，血浆中的CGRP和P物质含量上升。 模型特点：对实验设备要求较低。其缺点是手术复杂，钻孔时容易破坏硬脑膜，短期内无法大量复制。由于电极和套管埋置较浅，因此容易造成电极和套管掉落从而导致造模失败。 2.三叉神经节刺激模型 造模方法：以电刺激三叉神经节法为例，选取300g左右的SD大鼠，麻醉后固定于脑立体定位仪上。随后暴露颅骨，于前囟后方3.7mm，左右侧各约2.9～3.1mm处分别钻一小孔，正下方对应左右两侧的三叉神经节。垂直向两侧小孔中插入电极尖端至硬脑膜下9.2～9.7mm处，为防止电极松动，可在颅骨表面用牙科水泥固定电极。在牙科水泥凝固后，用1.2mA，5Hz，5ms的方波脉冲刺激两侧三叉神经节，持续5min，也可适当调整电流大小和持续时间。如需实现慢性偏头痛模型，则连续每日都需要进行1次电刺激。 观测指标：大鼠眶周机械痛阈值下降，口鼻处分泌物增加，血液中CGRP水含量上升。电刺激后短时间内大鼠可能会出现过度理毛、节律性颤抖、频繁甩头、躁动不安等异常行为。 模型特点：行为学表现与临床病人相似，容易通过动物的行为表现判断出造模是否成功。缺点在于三叉神经节中还包含传递非伤害性刺激和运动信号的神经元，并且模型采用逆行激活三叉神经节的方式，并非直接刺激伤害性感受器，因此该模型的中枢信号的处理过程缺乏特异性与准确性，不利于中枢机制的研究。该模型对实验人员有极高的操作技术的要求。 四、基因工程鼠模型 该模型基于偏头痛基因学说，主要针对一种常染色体显性遗传的家族性偏瘫型偏头痛进行研究。家族性偏瘫型偏头痛是一种单基因遗传病，主要有三个亚型，分别与三种离子通道编码基因的突变有关。I型由与编码电压门控钙离子通道蛋白α1亚基(Cav2.1)的基因CACNA1A相关，II型与编码阳离子通道Na+/K+-ATP酶转运亚α2基的基因ATP1A2相关，III型与编码电压门控钠离子通道蛋白α1亚基(Nav1.1)的基因SCNA1A相关。可以通过导入不同的基因培育对应的偏头痛动物模型。 造模方法：目前对于I型家族性偏瘫型偏头痛模型应用较多，可将对应的带有突变位点的致病基因CACNA1A(192Q/192Q)导入到小鼠中，繁育并鉴定出纯合子小鼠作为偏头痛模型。 观测指标：小鼠头面部机械痛阈值下降，可能会出现畏光、头痛、单侧肢体无力的症状。 模型特点：该模型可以很好的模拟家族性偏瘫型偏头痛的症状，而其他模型无法做到控制相应的基因发生突变。 参考文献 [1]于尚玥,范春兰,李依林,等.愈风宁心片对偏头痛大鼠模型的镇痛作用研究[J].药物评价研究,2022,45(11):2208-2214. [2]韩李阳,田韦韦,华桦,等.都梁软胶囊对皮质扩布性抑制偏头痛大鼠的作用研究及机制探讨[J].中药药理与临床,2023,39(07):27-33. [3]王瑞琼,宁艳梅,吴国泰,等.丹珍头痛胶囊对慢性偏头痛大鼠的干预作用[J].中国应用生理学杂志,2022,38(06):771-775+819. |
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