Моделирование повреждений спинного мозга: достигнутые успехи и недостатки

Обложка
  • Авторы: Виссарионов С.В.1,2, Рыбинских Т.С.3, Асадулаев М.С.1, Хусаинов Н.О.1
  • Учреждения:
    1. Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера» Министерства здравоохранения Российской Федерации
    2. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова» Министерства здравоохранения Российской Федерации
    3. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации
  • Выпуск: Том 8, № 4 (2020)
  • Страницы: 485-494
  • Раздел: Обзоры литературы
  • URL: https://bakhtiniada.ru/turner/article/view/34638
  • DOI: https://doi.org/10.17816/PTORS34638
  • ID: 34638

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Обоснование. Повреждения позвоночного столба разнообразны по характеру и вариантам травматических изменений, их относят к числу наиболее тяжелых травм опорно-двигательного аппарата. Создание оптимальной экспериментальной модели повреждений спинного мозга у лабораторных животных, при которой изменения идентичны происходящим у человека, важно для оценки и анализа патологических процессов, а также разработки методов комплексной терапии.

Цель — анализ различных экспериментальных моделей поражения спинного мозга у лабораторных животных с позиций оценки их преимуществ и недостатков для дальнейших исследований и использования в клинической практике.

Материалы и методы. В статье представлен обзор литературы, посвященный возможностям экспериментальных моделей травмы спинного мозга у лабораторных животных. Поиск литературы осуществляли в базах данных PubMed, Science Direct, E-library, Google Scholar за период с 1981 по 2019 г. по ключевым словам, приведенным ниже. В результате поиска было найдено 105 иностранных и 37 отечественных источников. После исключения были проанализированы 59 статей, 75 % представленных работ опубликованы за последние 20 лет.

Результаты. Обзор экспериментальных вариантов исследования спинного мозга у лабораторных животных показал отсутствие единой общепринятой универсальной модели. В ходе анализа установлено, что экспериментальные модели повреждения спинного мозга значительно различаются по механизму и характеру травмы. Кроме того, существуют сложности в оценке патологических процессов, происходящих у экспериментальных животных, их соотношении с клиническими изменениями и интерпретации достигнутых функциональных результатов, что затрудняет использование полученных результатов в клинической практике.

Заключение. Необходимо продолжать разработку и создание экспериментальных моделей повреждения спинного мозга, способных учитывать многофакторные аспекты травмы, включая биомеханические и временные, в клинической практике.

Об авторах

Сергей Валентинович Виссарионов

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера» Министерства здравоохранения Российской Федерации; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова»
Министерства здравоохранения Российской Федерации

Автор, ответственный за переписку.
Email: vissarionovs@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4235-5048
SPIN-код: 7125-4930
Scopus Author ID: 6504128319

д-р мед. наук, профессор, член-корр. РАН, заместитель директора по научной и учебной работе, руководитель отделения патологии позвоночника и нейрохирургии

Россия, Санкт-Петербург

Тимофей Сергеевич Рыбинских

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет»
Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: timofey1999r@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4180-5353
SPIN-код: 7739-4321

студент 5-го курса лечебного факультета

Россия, Санкт-Петербург

Марат Сергеевич Асадулаев

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: marat.asadulaev@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1768-2402
SPIN-код: 3336-8996
Scopus Author ID: 57191618743

клинический ординатор, лаборант лаборатории экспериментальной хирургии

Россия, Санкт-Петербург

Никита Олегович Хусаинов

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: nikita_husainov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3036-3796
SPIN-код: 8953-5229

канд. мед. наук, научный сотрудник отделения патологии позвоночника и нейрохирургии

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Толкачев В.С., Бажанов С.П., Ульянов В.Ю., и др. Эпидемиология травм позвоночника и спинного мозга // Саратовский научно-медицинский журнал. – 2018. – Т. 14. – № 3. – С. 592–595. [Tolkachev VS, Bazhanov SP, Ul’yanov VY. The epidemiology of spine and spinal cord injuries. Saratov journal of medical scientific research. 2018;14(3):592-595. (In Russ.)]
  2. Баиндурашвили А.Г., Виссарионов С.В., Александрович Ю.С., Пшениснов К.В. Позвоночно-спинномозговая травма у детей. – СПб., 2016. [Baindurashvili AG, Vissarionov SV, Aleksandrovich YS, Pshenisnov KV. Pozvonochno-spinnomozgovaya travma u deteiy. Saint Petersburg; 2016. (In Russ.)]
  3. Lam CJ, Assinck P, Liu J, et al. Impact depth and the interaction with impact speed affect the severity of contusion spinal cord injury in rats. J Neurotrauma. 2014;31(24):1985-1997. https://doi.org/10.1089/neu.2014.3392.
  4. Kearney PA, Ridella SA, Viano DC, Anderson TE. Interaction of contact velocity and cord compression in determining the severity of spinal cord injury. J Neurotrauma. 1988;5(3):187-208. https://doi.org/10.1089/neu.1988.5.187.
  5. Panjabi MM, Kifune M, Wen L, et al. Dynamic canal encroachment during thoracolumbar burst fractures. J Spinal Disord. 1995;8(1):39-48.
  6. Mattucci S, Speidel J, Liu J, et al. Basic biomechanics of spinal cord injury — How injuries happen in people and how animal models have informed our understanding. Clinical Biomechanics. 2019;64:58-68. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2018.03.020.
  7. Ivancic PC, Panjabi MM, Tominaga Y, et al. Spinal canal narrowing during simulated frontal impact. Eur Spine J. 2006;15(6):891-901. https://doi.org/10.1007/s00586-005-0985-4.
  8. Хелимский A.M. Позвоночно-спинномозговая травма (патогенез, клиника, диагностика, лечение): учебное пособие. – Хабаровск: Изд-во Дальневосточного государственного медицинского ун-та, 2006. – 106 с. [Khelimskiy AM. Pozvonochno-spinnomozgovaya travma (patogenez, klinika, diagnostika, lechenie): Uchebnoe posobie. Khabarovsk: Izdatel’stvo Dal’nevostochnogo gosudarstvennogo meditsinskogo universiteta; 2006. 106 p. (In Russ.)]
  9. Carlson GD, Gorden CD, Oliff HS, et al. Sustained spinal cord compression. Part I: Time-dependent effect on long-term pathophysiology. J Bone Joint Surg Am. 2003;85(1):86-94.
  10. Jakeman LB, Guan Z, Wei P, et al. Traumatic spinal cord injury produced by controlled contusion in mouse. J Neurotrauma. 2000;17(4):299-319. https://doi.org/10.1089/neu.2000.17.299.
  11. Fawcett JW, Curt A, Steeves JD, et al. Guidelines for the conduct of clinical trials for spinal cord injury as developed by the ICCP panel: Spontaneous recovery after spinal cord injury and statistical power needed for therapeutic clinical trials. Spinal Cord. 2007;45(3):190-205. https://doi.org/10.1038/sj.sc.3102007.
  12. Liu Y, Shi CG, Wang XW, et al. Timing of surgical decompression for traumatic cervical spinal cord injury. Int Orthop. 2015;39(12):2457-2463. https://doi.org/10.1007/s00264-014-2652-z.
  13. Furlan JC, Noonan V, Cadotte DW, Fehlings MG. Timing of decompressive surgery of spinal cord after traumatic spinal cord injury: An evidence-based examination of pre-clinical and clinical studies. J Neurotrauma. 2011;28(8):1371-1399. https://doi.org/10.1089/neu.2009.1147.
  14. Guha A, Tator CH, Endrenyi L, Piper I. Decompression of the spinal cord improves recovery after acute experimental spinal cord compression injury. Paraplegia. 1987;25(4):324-339. https://doi.org/10.1038/ sc.1987.61.
  15. Sjovold SG, Mattucci SF, Choo AM, et al. Histological effects of residual compression sustained for 60 minutes at different depths in a novel rat spinal cord injury contusion model. J Neurotrauma. 2013;30(15):1374-1384. https://doi.org/10.1089/neu.2013.2906.
  16. Волков С.Г., Верещагин Е.И. Модель экспериментальной травмы спинного мозга и эффективность нейропротекции кетамином в остром периоде спинномозговой травмы // Хирургия позвоночника. – 2016. – Т. 13. – № 4. – C. 90–93. [Volkov SG, Vereshchagin EI. Experimental model of traumatic spinal cord injury and neuroprotective effect of ketamine in acute phase of injury. Spine surgery. 2016;13(4): 90-93. (In Russ.)]. http://dx.doi.org/10.14531/ss2016. 4.90-93.
  17. Poon PC, Gupta D, Shoichet MS, Tator CH. Clip compression model is useful for thoracic spinal cord injuries: Histologic and functional correlates. Spine (Phila Pa 1976). 2007;32(25):2853-2859. https://doi.org/10.1097/BRS.0b013e31815b7e6b.
  18. Fukuda S, Nakamura T, Kishigami Y, et al. New canine spinal cord injury model free from laminectomy. Brain Res Brain Res Protoc. 2005;14(3):171-180. https://doi.org/10.1016/j.brainresprot.2005.01.001.
  19. Tadatoshi H, Naohisa F. New spinal cord injury model produced by spinal cord compression in the rat. J Pharmacol Methods. 1990;23(3):203-212. https://doi.org/10.1016/0160-5402(90)90064-r.
  20. Rabinowitz RS, Eck JC, Harper CM, Jr., et al. Urgent surgical decompression compared to methylprednisolone for the treatment of acute spinal cord injury: A randomized prospective study in beagle dogs. Spine (Phila Pa 1976). 2008;33(21):2260-2268. https://doi.org/10.1097/BRS.0b013e31818786db.
  21. Sparrey CJ, Choo AM, Liu J, et al. The distribution of tissue damage in the spinal cord is influenced by the contusion velocity. Spine (Phila Pa 1976). 2008;33(22):E812-819. https://doi.org/10.1097/BRS.0b013e3181894fd3.
  22. Dimar JR, 2nd, Glassman SD, Raque GH, et al. The influence of spinal canal narrowing and timing of decompression on neurologic recovery after spinal cord contusion in a rat model. Spine (Phila Pa 1976). 1999;24(16):1623-1633. https://doi.org/10.1097/00007632-199908150-00002.
  23. Shields CB, Zhang YP, Shields LB, et al. The therapeutic window for spinal cord decompression in a rat spinal cord injury model. J Neurosurg Spine. 2005;3(4):302-307. https://doi.org/10.3171/spi.2005.3.4.0302.
  24. Choo AM, Liu J, Dvorak M, et al. Secondary pathology following contusion, dislocation, and distraction spinal cord injuries. Exp Neurol. 2008;212(2):490-506. https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2008.04.038.
  25. Choo AM, Liu J, Lam CK, et al. Contusion, dislocation, and distraction: Primary hemorrhage and membrane permeability in distinct mechanisms of spinal cord injury. J Neurosurg Spine. 2007;6(3):255-266. https://doi.org/10.3171/spi.2007.6.3.255.
  26. Chen K, Liu J, Assinck P, et al. Differential histopathological and behavioral outcomes eight weeks after rat spinal cord injury by contusion, dislocation, and distraction mechanisms. J Neurotrauma. 2016;33(18):1667-1684. https://doi.org/10.1089/neu.2015.4218.
  27. Kwon BK, Okon EB, Tsai E, et al. A grading system to evaluate objectively the strength of pre-clinical data of acute neuroprotective therapies for clinical translation in spinal cord injury. J Neurotrauma. 2011;28(8):1525-1543. https://doi.org/10.1089/neu.2010.1296.
  28. Krisa L, Runyen M, Detloff MR. Translational challenges of rat models of upper extremity dysfunction after spinal cord injury. Top Spinal Cord Inj Rehabil. 2018;24(3): 195-205. https://doi.org/10.1310/sci2403-195.
  29. Courtine G, Bunge MB, Fawcett JW, et al. Can experiments in nonhuman primates expedite the translation of treatments for spinal cord injury in humans? Nat Med. 2007;13(5):561-566. https://doi.org/10.1038/nm1595.
  30. Sharif-Alhoseini M, Khormali M, Rezaei M, et al. Animal models of spinal cord injury: A systematic review. Spinal Cord. 2017;55(8):714-721. https://doi.org/10.1038/sc.2016.187.
  31. Zhang N, Fang M, Chen H, et al. Evaluation of spinal cord injury animal models. Neural Regen Res. 2014;9(22):2008-2012. https://doi.org/10.4103/1673-5374.143436.
  32. Steward O, Schauwecker PE, Guth L, et al. Genetic approaches to neurotrauma research: Opportunities and potential pitfalls of murine models. Exp Neurol. 1999;157(1):19-42. https://doi.org/10.1006/exnr.1999.7040.
  33. Inman DM, Steward O. Physical size does not determine the unique histopathological response seen in the injured mouse spinal cord. J Neurotrauma. 2003;20(1):33-42. https://doi.org/10.1089/08977150360517164.
  34. Ma M, Basso DM, Walters P, et al. Behavioral and histological outcomes following graded spinal cord contusion injury in the C57Bl/6 mouse. Exp Neurol. 2001;169(2): 239-254. https://doi.org/10.1006/exnr.2001.7679.
  35. Guth L, Zhang Z, Steward O. The unique histopathological responses of the injured spinal cord. Implications for neuroprotective therapy. Ann N Y Acad Sci. 1999;890:366-384. https://doi.org/10.1111/ j.1749-6632.1999.tb08017.x.
  36. Inman DM, Steward O. Ascending sensory, but not other long-tract axons, regenerate into the connective tissue matrix that forms at the site of a spinal cord injury in mice. J Comp Neurol. 2003;462(4):431-449. https://doi.org/10.1002/cne.10768.
  37. Sroga JM, Jones TB, Kigerl KA, et al. Rats and mice exhibit distinct inflammatory reactions after spinal cord injury. J Comp Neurol. 2003;462(2):223-240. https://doi.org/10.1002/cne.10736.
  38. Norenberg MD, Smith J, Marcillo A. The pathology of human spinal cord injury: Defining the problems. J Neurotrauma. 2004;21(4):429-440. https://doi.org/10.1089/089771504323004575.
  39. Reier PJ, Lane MA, Hall ED, et al. Translational spinal cord injury research: Preclinical guidelines and challenges. Handb Clin Neurol. 2012;109:411-433. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-52137-8.00026-7.
  40. Blight AR, Tuszynski MH. Clinical trials in spinal cord injury. J Neurotrauma. 2006;23(3-4):586-593. https://doi.org/10.1089/neu.2006.23.586.
  41. Bortoff GA, Strick PL. Corticospinal terminations in two new-world primates: Further evidence that corticomotoneuronal connections provide part of the neural substrate for manual dexterity. J Neurosci. 1993;13(12):5105-5118. 6576412.
  42. Akhtar AZ, Pippin JJ, Sandusky CB. Animal models in spinal cord injury: A review. Rev Neurosci. 2008;19(1):47-60. https://doi.org/10.1515/revneuro. 2008.19.1.47.
  43. Heimburger RF. Return of function after spinal cord transection. Spinal Cord. 2005;43(7):438-440. https://doi.org/10.1038/sj.sc.3101748.
  44. Nishimaru H, Kudo N. Formation of the central pattern generator for locomotion in the rat and mouse. Brain Res Bull. 2000;53(5):661-669. https://doi.org/10.1016/s0361-9230(00)00399-3.
  45. Edgerton VR, Roy RR. Paralysis recovery in humans and model systems. Curr Opin Neurobiol. 2002;12(6):658-667. https://doi.org/10.1016/s0959-4388(02)00379-3.
  46. de la Torre JC. Spinal cord injury. Review of basic and applied research. Spine (Phila Pa 1976). 1981;6(4):315-335.
  47. Schmitt C, Miranpuri GS, Dhodda VK, et al. Changes in spinal cord injury-induced gene expression in rat are strain-dependent. Spine J. 2006;6(2):113-119. https://doi.org/10.1016/j.spinee.2005.05.379.
  48. Huang PP, Young W. The effects of arterial blood gas values on lesion volumes in a graded rat spinal cord contusion model. J Neurotrauma. 1994;11(5):547-562. https://doi.org/10.1089/neu.1994.11.547.
  49. Lee DH, Lee JK. Animal models of axon regeneration after spinal cord injury. Neurosci Bull. 2013;29(4):436-444. https://doi.org/10.1007/s12264-013-1365-4.
  50. Vilensky JA, O’Connor BL. Stepping in nonhuman primates with a complete spinal cord transection: Old and new data, and implications for humans. Ann N Y Acad Sci. 1998;860:528-530. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1998.tb09095.x.
  51. Romero SD, Chyatte D, Byer DE, et al. Measurement of prostaglandins in the cerebrospinal fluid in cat, dog, and man. J Neurochem. 1984;43(6):1642-1649. https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.1984.tb06090.x.
  52. Tsai SK, Lin SM, Hung WC, et al. The effect of desflurane on ameliorating cerebral infarction in rats subjected to focal cerebral ischemia-reperfusion injury. Life Sci. 2004;74(20):2541-2549. https://doi.org/10.1016/ j.lfs.2003.10.014.
  53. Sheng H, Wang H, Homi HM, et al. A no-laminectomy spinal cord compression injury model in mice. J Neurotrauma. 2004;21(5):595-603. https://doi.org/10.1089/089771504774129928.
  54. Van Loo PL, Van der Meer E, Kruitwagen CL, et al. Long-term effects of husbandry procedures on stress-related parameters in male mice of two strains. Lab Anim. 2004;38(2):169-177. https://doi.org/10.1258/002367704322968858.
  55. Sekhon LH, Fehlings MG. Epidemiology, demographics, and pathophysiology of acute spinal cord injury. Spine (Phila Pa 1976). 2001;26(24 Suppl):S2-12. https://doi.org/10.1097/00007632-200112151-00002.
  56. Smith PM, Jeffery ND. Spinal shock — comparative aspects and clinical relevance. J Vet Intern Med. 2005;19(6):788-793. https://doi.org/10.1892/0891-6640(2005)19[788:ssaacr]2.0.co;2.
  57. Delamarter RB, Sherman JE, Carr JB. 1991 Volvo Award in experimental studies. Cauda equina syndrome: Neurologic recovery following immediate, early, or late decompression. Spine (Phila Pa 1976). 1991;16(9):1022-1029.
  58. Watzlawick R, Antonic A, Sena ES, et al. Outcome heterogeneity and bias in acute experimental spinal cord injury: A meta-analysis. Neurology. 2019;93(1):e40-e51. https://doi.org/10.1212/WNL.0000000000007718.
  59. Ahmed RU, Alam M, Zheng YP. Experimental spinal cord injury and behavioral tests in laboratory rats. Heliyon. 2019;5(3):e01324. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e01324.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Механизмы повреждений спинного мозга: а — ушиб (контузия) (при фиксированном позвоночном столбе после ламинэктомии повреждали спинной мозг импактором диаметром 2 мм); б — дислокация (смещение) (при удерживании двух позвоночно-двигательных сегментов каждым зажимом дорсально смещали каудальные позвонки); в — дистракция (при описанном фиксировании позвоночно-двигательных сегментов смещали фиксированные позвонки каудально) (по A.M. Choo et al. [24])

Скачать (97KB)
Метаданные
3. 脊髓损伤机制：a — 碰伤（挫伤）（在脊柱固定椎板切除后，使用撞击器损伤脊髓为2毫米）；b — 脱位（移位）（当握住两个脊柱的运动节段时，使用每个手术夹钳用于背向移位尾椎）；c — 牵张术（通过描述的固定椎体运动节段，固定椎体发生尾侧移位）（根据A.M. Choo等人[24]）

Скачать (97KB)
Метаданные

© Виссарионов С.В., Рыбинских Т.С., Асадулаев М.С., Хусаинов Н.О., 2021

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».