专利名称：一种产生啮齿类动物弥漫性轴索损伤的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及创伤神经外科、应用物理和应用力学领域。更具体地说，涉及一种产生 弥漫性轴索损伤模型的装置。
背景技术：
弥漫性轴索损伤患者死亡率极高，存活者多遗有严重神经功能障碍甚至呈长期植 物状态生存，给家庭和社会带来严重经济和精神负担。目前弥漫性轴索损伤的临床诊疗尚 无显著进展，现有治疗措施仍不能显著改善患者预后。稳定、可靠的动物模型有助于探索轴 索损伤发生机制、提高弥漫性轴索损伤临床诊疗水平。相应地，人们也迫切需要一个能复制 动物弥漫性轴索损伤的实验装置。弥漫性轴索损伤为脑组织遭受线性或旋转性加/减速力作用，不同组织结构脑组 织之间产生的剪应力导致，产生的受损轴索在脑内呈弥漫性分布。在真实临床损伤情形中， 弥漫性轴索损伤由同时瞬间角加速和线加速力共同导致，且中等程度的角加速和线加速力 常导致严重重型颅脑损伤，目前认为这一致伤方式最符合弥漫性轴索损伤临床发生机制。 现有实验装置仅能产生上述致伤方式的某一方面，产生的病理改变也主要分布于脑干或表 现为对冲伤，这与弥漫性轴索损伤的临床特征尚有较大差距。头部发生瞬间线性或旋转性加/减速运动时，在脑组织内会产生一种剪切力， 此剪切力可以撕裂神经元轴索，从而产生弥漫性轴索损伤。一般认为旋转性加/减速 运动较线性加/减速运动更易导致弥漫性轴索损伤。目前复制弥漫性轴索损伤的模型 主要有冲击负荷装置(Marmarou A, Foda MA, vanden Brink W, Campbell J, Kita H, Demetriadou K. A new model of diffuse braininjury in rats. Part I !Pathophysiology and biomechanics. J Neurosurg. 1994Feb ；80 (2) 291-300.)和瞬间暴力致旋转装置 (Fijalkowski RJ, Stemper BD, PintarFA, Yoganandan N, Crowe MJ, Gennarelli TA. New rat model for diffuse braininjury using coronal plane angular acceleration. J Neurotrauma. 2007Aug ；24 (8) 1387-98.)，分别用于获得瞬间线性和旋转性加减速运动。如图1所示，冲击负荷装置是将一铁盘用牙胶固定于大鼠穹窿部，将一重488g的 铁盘从2m处自由落体，垂直撞击在铁盘上。此装置可以使大鼠头部在直线方向上运动一段 距离，且可以产生900G的线性加速度。此装置可以使大鼠颅脑产生弥漫性轴索损伤，但其 所致损伤主要分布于脑干或表现为对冲伤。如图2所示，瞬间暴力致旋转装置是将老鼠头夹和冲击力臂(呈L形，短端连于中 心轴上，长臂呈水平位，冲击力打击在长臂游离端)连于中心轴上，坠落重物撞击在冲击力 臂的另一端，冲击力臂带动中心轴和头夹做旋转运动。此装置使得大鼠头部以脊柱轴心做 旋转运动，且可以产生3.5X105rad/sec2瞬间角加速度。此装置可以使大鼠颅脑产生弥漫 性轴索损伤，但产生的病理改变也主要是分布于脑干。现有装置的固有缺陷严重制约了研究进展，主要体现在1.在临床实际损伤情形中，头颅常同时产生瞬间线加速度和角加速度运动。目前实验装置仅能产生瞬间角加速度或线加速度，因而仍未能复制出弥漫性轴索损伤的真实发 生情形。2.弥漫性轴索损伤的临床病理特征为，损伤的轴索在脑内呈弥漫性分布，特别是 不同组织结构的交界处，如灰白质交界处、胼胝体等部位。现有的实验装置产生的损伤主要 分布于脑干或表现为对冲伤。因而，这些装置复制的动物模型可以为伤后轴索变化提供可 靠资料，但用来研究伤后动物神经生理、行为等变化时存在很大局限性。3.啮齿类动物遗传背景清楚，价格便宜，便于饲养和管理，因而成为理想的动物实 验载体。目前研究认为产生弥漫性轴索损伤所需加速度随受试动物头颅质量减小而增大， (其中角加速度随头颅质量减小呈指数式增长)因而目前模型较难使用大鼠等啮齿类动物 获得弥漫性轴索损伤模型。4.目前认为，中等程度的角加速和线加速运动在临床上最常发生，也常导致重型 颅脑损伤。理论上，此种复合的致伤方式可能较单纯的线/角加速运动更易于复制出理想 的啮齿类动物弥漫性轴索损伤模型。然而，现有实验装置尚不能提供同时角加速和线加速 运动，也不能用来验证此致伤方式是否可以复制出理想的弥漫性轴索模型。同时产生瞬间超大角加速和线加速度的实验装置模仿了弥漫性轴索损伤的真实 发生机制，该装置也复制出了具有临床病理生理特征的龋齿类动物弥漫性轴索损伤模型， 且此实验装置尚未见报道。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种可以同时产生超大角加速度和线加速度的实 验装置，该装置能使啮齿类动物产生具有弥漫性轴索损伤临床特征的病理生理改变。本发明的第二个目的在于提供一种啮齿类动物弥漫性轴索损伤模型，损伤的轴索 在脑内呈弥漫性分布，且分布在不同组织结构的交界处，如灰白质交界处、胼胝体、内囊、脑 干等部位。本发明的第三个目的在于提供一种建立啮齿类动物弥漫性轴索损伤模型的方法。为实现上述目的，本发明公开以下技术方案一种能使啮齿类动物产生具有弥漫 性轴索损伤的装置，包括底座、机架和安装在机架上的汽缸，其特征在于汽缸的一端设有 力臂；一大鼠头夹与齿轮固定于一中心轴上并安装在底座上；第一金属杆分别连接力臂和 机架，第二金属杆一端连接力臂，另一端与滑动部分相接；中心轴上设有齿轮，且与固定在 底座上的齿条啮合连接，中心轴通过两轴承与滑动部分相连接，滑动部分连接于固定在底 座上的直线导轨上。使用该实验装置对大鼠进行致伤实验，在大鼠头颅中心(与中心轴中心呈一直 线)处和距离Icm处各安装一反射靶点。使用美国FASTEC&IMAGING公司生产的HiSpec高 速摄像机(分辨率384PiXelX120PiXel，拍摄速度10000帧/秒)拍摄实验装置运动过程， 采用美国Xcitex公司提供的Proanalyst运动分析软件对靶点运动过程进行跟踪，测算装 置线加速度和角加速度参数特征。结果显示在供气压力为1. OMPa时实验装置可产生线加 速度-740. 5士62. 3m/sec2和角加速度-94. 3士8. 9krad/sec2，且同时达到最大值。观察伤后大鼠生命体征和神经功能变化，结果显示伤后大鼠出现短暂呼吸抑制 (5-20s)，角膜反射消失时间35. 4士 10. 2min，刺痛后肢反射消失时间67. 6 士 20. 3min，翻身反射恢复时间120. 8士31. 2min，受伤大鼠行动(IW)和认知功能(2W)较对未损伤显著降低 (P < 0. 01)。取伤后24h、48h及72h大鼠进行病理学检测(包括HE染色，免疫组化标记 beta-APP和投射电镜)，结果显示伤后易损区脑组织结构紊乱，血流淤滞，神经元周围空泡 形成；灰-白质交界、胼胝体、内囊、脑干等多部位出现轴索损伤；神经轴索损伤、髓鞘破坏。本发明具有以下有益效果比较现有技术，本发明可以同时产生瞬间线加速度和角加速度，角加速度和线加 速度同时达到最大值，且在角加速度和线加速度均小于单纯使用角加速度或线加速度所需 参数的条件下产生了具有弥漫性轴索损伤临床病理特征的大鼠动物模型。该实验装置可以使大鼠等啮齿类动物的头颅同时产生瞬间超大角加速度和线加 速运动，这一方式最符合弥漫性轴索损伤的临床发生机制，经上述装置处理过的动物模型 即为啮齿类动物弥漫性轴索损伤模型。
下面结合说明书附图，对本发明进一步详细说明。图1是现有技术中冲击负荷装置的示意图。图2是现有技术中瞬间暴力致旋转装置的示意图。图3是本发明装置的立体4是本发明装置的正视5是本发明装置的俯视6是本发明装置的左视图即局部剖视7是大鼠头颅线加速度㈧和角加速度⑶时间变化曲线图8(^13，(3，(1，6，乜8，11)是本发明动物模型的病理结果图，HE染色显示损区脑组 织结构紊乱，血流淤滞，神经元周围空泡形成。图9 (a, b，c, d，e, f)是本发明动物模型的另一病理结果，免疫组化标记beta-APP 结果显示灰_白质交界、胼胝体、内囊、脑干等多部位出现轴索损伤。图10 (a，b)是投射电镜观察组织内轴突、髓鞘超微结构变化。
具体实施例方式实施例产生啮齿类动物弥漫性轴索损伤(diffuse axonal injury, DAI)的装置1、一种可以同时产生超大角加速度和线加速度的实验装置图中1，底座2，汽缸3，齿轮4，齿条5，第一金属杆6，第二金属杆7，大鼠头夹8， 中心轴9，直线导轨10，机架11，力臂12，轴承13，轴承14，滑块15，滑动部分。参照图3，图4和图5，本发明包括一底座1，底座1上垂直安装一机架10，机架10 上安装一汽缸2，汽缸2上设有进气口 21和出气口 22，汽缸2的一端设有力臂11，一大鼠头 夹7与齿轮3固定于一中心轴8上并安装在底座2上。第一金属杆5分别连接力臂11和 机架10，第二金属杆6分别连接力臂11，并通过和滑块14与滑动部分15相接，力臂11与 滑块14呈轴承式啮合连接。中心轴8上设有齿轮3，且与固定在底座1上的齿条4啮合连接，中心轴8通过两轴承12、13与滑动部分15相连接，滑动部分15连接于固定在底座1上的直线导轨9上。运动方式时气缸2打开之前，气缸2活塞位于气缸2上端，气缸力臂11也处于上 端；连接力臂11呈曲屈状态；滑块15与大鼠头夹7位于直线导轨9左端，头夹7呈水平位 (即通过轴心的固定轴呈水平位)。运行情况气泵(图未示)充气结束后打开气阀放气，气缸力臂11在高压气体推 动下向下运动，第一金属杆5和第二金属杆6在气缸力臂推动下由屈曲(静态时呈120度 夹角)变伸直，同时连接力臂11推动滑块14向右侧运动；在滑块14的推动下，中心轴8同 时向右侧运动，而通过齿轮3齿条4的啮合作用，中心轴8做旋转运动。运动结束时气缸活塞位于气缸2底端，气缸力臂11也处于下端；第一金属杆5和 第二金属杆6呈伸直状态；滑块14与大鼠头夹7位于直线导轨9右侧端，大鼠头夹7呈垂 直位(即通过轴心的固定轴呈垂直位)。手动控制放气后，气缸力臂11推动第一金属杆5 和第二金属杆6迅速伸直，第一金属杆5和第二金属杆6推动滑动部分15做直线运动，通 过齿轮3齿条4的啮合作用，大鼠头夹7同时做旋转运动。2、大鼠致伤实验80只Sprague Dawley (SD)大鼠(250 300g)随机分为分入致伤组(η = 60)(病 理检测η = 30 ；生理参数，近、远期神经功能各10只)、假伤组(η = 10)和正常对照组(η =10)。麻醉后，使用上述实验装置对致伤组大鼠进行致伤，观察记录大鼠受伤前后意识、生 命体征、神经功能等变化，观察评价远期神经功能损害情况。假伤组大鼠仅进行麻醉，仅固 定于致伤装置上但不进行损伤。3、实验装置线加速度和角加速度测量使用该实验装置对大鼠进行致伤实验，在大鼠头颅中心(与中心轴中心呈一直 线)处和距离Icm处各安装一反射靶点。使用美国FASTEC&IMAGING公司生产的HiSpec高 速摄像机(分辨率384Pixel X 120Pixel，拍摄速度10000帧/秒)拍摄实验装置运动过程， 采用美国Xcitex公司提供的Proanalyst运动分析软件对靶点运动过程进行跟踪并对结果 行1000Hz低通道滤波处理，测算装置线加速度和角加速度参数特征。图7为大鼠头颅线加 速度(A)和角加速度(B)时间变化曲线，结果显示在供气压力为l.OMPa时实验装置可产生 线加速度-740. 5 士 62. 3m/sec2和角加速度-94. 3 士 8. 9krad/sec2,且两者同时达到最大值。4、DAI大鼠生理参数及其神经功能评价a)急性期生理参数测量(1)生命体征伤后大鼠出现呼吸节律紊乱，表现为短暂的呼吸暂停后(3 20sec)呼吸由深慢到浅快，苏醒后基本恢复正常节律；伤后心率由伤前308士28次/分 骤降至246士46次/分，后逐渐恢复至正常水平；伤后平均血压由103士 18mmHg，骤升到 128 士 39mmHg，35分钟后基本恢复正常。(2)急性期神经功能损伤评价(24h内，每分钟测定一次直至恢复正常)①角膜反 射_致伤至角膜反射恢复的时间间隔；②后肢_爪反射_致伤至后肢_爪反射恢复的时间 间隔；③翻正反射一致伤至翻正反射恢复的时间间隔。结果角膜反射消失时间35. 4士 10. 2min,刺痛后肢反射消失时间 67. 6士20. 3min，翻身反射恢复时间 120. 8士31. 2min。b)远期神经功能评价(2w内)
神经功能评分方法每一项为1-5分(1分为肌力或功能完全丧失；2分为严重损 害；3分为中度损伤；4分为轻度损害；5分为正常)提尾时，右(1)、左(2)前肢反射；双前 肢接地提尾时，右⑶、左⑷后肢反射；抵抗来自左(5)、右(6)侧推力的能力；在左(7)、 右(8)侧倾斜面或垂直面(9)站立的能力。倾斜面站立能力评分取决于平面倾斜角度(5分 =45° ；4 分=42.5° ；3 分=40° ；2 分=37. 5° ；1 分=<37.5° )。将 7，8，9项平均 得分与1-6项得分相加即为神经功能综合评分。11、12、13、14天时各测定一次，取平均值。 在此基础上，评价其与人类DAI后认知功能、神经功能损害的相似性。正常大鼠为35分，伤 后为大鼠为24士7分，与对照组具有明显统计学差异。结论伤后大鼠出现短暂呼吸、心率、血压变化和近、远期神经功能评分结果说明， 此装置成功复制了啮齿类动物弥漫性轴索损伤模型。5、大鼠DAI模型病理学验证于伤后1、12、24、48、72h及2w各取损伤组大鼠4只、假伤组4只、对照组4只进行 病理学检测。(I)HE染色观察组织大体结构、局灶性出血和局部空泡形成情况(图8)。a. HE染色显示额叶内神经束致密、排列规则b. HE染色显示额叶内神经束疏松、紊乱c. HE染色显示正常胼胝体体部神经束排列规则d. HE染色显示损伤胼胝体体部神经束屈曲、紊乱e. HE染色显示正常桥桥脑内神经束排列规则、致密f. HE染色显示桥伤后桥脑内神经束排列紊乱、疏松g. HE染色显示伤后额叶内血管淤滞h. HE染色显示伤后顶叶(胼胝体下)血管淤滞(2)免疫组化标记Beta-APP染色观察轴索断裂、崩解、肿胀以及轴索球形成情况 (图 9)。a.免疫组化标记beta-APP显示正常枕叶内未见显色b.免疫组化标记beta-APP显示伤后枕叶内受损轴索显色c.免疫组化标记beta-APP显示正常中脑内未见显色d.免疫组化标记beta-APP显示伤后中脑内受损轴索显色e.免疫组化标记beta-APP显示正常桥脑内未见显色f.免疫组化标记beta-APP显示伤后桥脑内受损轴索显色(3)投射电镜观察组织内轴突、髓鞘超微结构变化(图10)a.投射电镜显示正常胼胝体内神经轴索和髓鞘结构完整b.投射电镜显示正常胼胝体内神经轴索破坏和髓鞘结构紊乱结论HE染色显示伤后大鼠灰白质交界处、胼胝体、脑干等部位神经束疏松、排列 紊乱，神经元周围空泡行成，血流瘀滞；免疫组化学标记beta-APP显示大脑白质、中脑、桥 脑等部位出现轴浆运输淤滞，显示为棕褐色，而正常轴索不显色；透射电镜观察组织超微结 构，显示神经元轴索损伤，髓鞘分离，呈“花环样”改变。
权利要求
一种能使啮齿类动物产生具有弥漫性轴索损伤的装置，其特征在于所述装置能同时产生瞬间超大角加速度和线加速度。
2.根据权利要求1所述的能使啮齿类动物产生具有弥漫性轴索损伤的装置，包括底 座、机架和安装在机架上的汽缸，其特征在于汽缸的一端设有力臂；一大鼠头夹与齿轮固 定于一中心轴上并安装在底座上；第一金属杆分别连接力臂和机架，第二金属杆一端连接 力臂，另一端与滑动部分相接；中心轴上设有齿轮，且与固定在底座上的齿条啮合连接，中 心轴通过两轴承与滑动部分相连接，滑动部分连接于固定在底座上的直线导轨上。
3.根据权利要求2所述的能使啮齿类动物产生具有弥漫性轴索损伤的装置，其特征在 于所述汽缸上设有进气口和出气口。
4.根据权利要求2所述的能使啮齿类动物产生具有弥漫性轴索损伤的装置，其特征 在于在供气压力为1. OMPa时所述装置可产生线加速度-740. 5士62. 3m/sec2和角加速 度-94. 3士8. 9krad/sec2，且同时达到最大值。
5.根据权利要求2或3所述的能使啮齿类动物产生具有弥漫性轴索损伤的装置，其特 征在于第二金属杆通过滑块与滑动部分相接，且力臂与滑块呈轴承式啮合连接。
6.一种啮齿类动物弥漫性轴索损伤模型，其特征在于损伤的轴索在脑内呈弥漫性分布。
7.根据权利要求6所述的啮齿类动物弥漫性轴索损伤模型，其特征在于所述受损轴 索弥漫性分布主要为灰白质交界处、胼胝体、内囊和脑干等部位。
8.根据权利要求6所述的啮齿类动物弥漫性轴索损伤模型，其特征在于所述啮齿类 动物为大鼠。
9.一种利用权利要求1的装置建立具有弥漫性轴索损伤临床病理特征的啮齿类动物 模型的方法，在所述装置的大鼠头夹中置入实验动物，气泵充气结束后打开气阀放气，气缸 力臂在高压气体推动下向下运动，第一金属杆和第二金属杆在气缸力臂推动下由屈曲变伸 直，同时连接力臂推动滑块向右侧运动；在滑块的推动下，中心轴同时向右侧运动，而通过 齿轮、齿条的啮合作用，中心轴做旋转运动，大鼠头夹同时做旋转运动。
全文摘要
本发明公开了一种能使啮齿类动物产生具有弥漫性轴索损伤的装置，包括底座、机架和安装在机架上的汽缸，汽缸的一端设有力臂；一大鼠头夹与齿轮固定于一中心轴上并安装在底座上；第一金属杆分别连接力臂和机架，第二金属杆一端连接力臂，另一端与滑动部分相接；中心轴上设有齿轮，且与固定在底座上的齿条啮合连接，中心轴通过两轴承与滑动部分相连接，滑动部分连接于固定在底座上的直线导轨上。该装置能同时产生瞬间超大角加速度和线加速度，模拟弥漫性轴索损伤的实际发生机制。通过该装置得到的啮齿类动物弥漫性轴索损伤模型，损伤的轴索在脑内呈弥漫性分布，且分布在不同组织结构的交界处，如灰白质交界处、胼胝体、内囊、脑干等。
文档编号A61B19/00GK101990858SQ20091005645
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月14日 优先权日2009年8月14日
发明者冯东福, 戴广辉, 李甲, 李雪元, 范东风, 顾磊 申请人:上海交通大学医学院附属第三人民医院