基本信息
- 项目名称：
- 角加速度和线加速度复合作用的弥漫性轴索损伤模型研制与应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本研究使用安全定量的高压氮气作为动力，利用齿轮齿条啮合的原理，研制了一种可同时产生瞬间角加速和线加速复合运动的实验装置，较好地模拟了临床弥漫性轴索损伤（DAI）患者损伤的力学环境。建立了一种新型啮齿类动物DAI模型，首次证明了瞬间同时作用的复合角加速度和线性加速度可致啮齿类动物产生与人类类似的DAI病理改变、代谢紊乱及持久的神经功能障碍，并使用多种技术手段活体定量检测了易损区微结构损伤及代谢紊乱。
- 详细介绍：
- 弥漫性轴索损伤(diffuse axonal injury, DAI) 是指头颅遭受瞬间加/减速性直线或旋转暴力后，引起的以脑白质广泛性、进展性轴索肿胀、断裂、轴缩球形成为主要病理特征的一种原发性闭合性颅脑损伤。DAI的发生率约占重型颅脑损伤的70%，其中约81%见于交通事故伤，伤后死亡率较高，存活者也多遗有严重神经功能障碍。对DAI的研究一直是神经科学领域的热点和重点，但目前对DAI发生机制、病理生理过程及活体定量评估轴索损伤程度等方面的研究还有待于进一步深入。 本研究的主要工作： 1.建立了一种可以较好地模拟人类DAI生物力学、病理学、行为学特点的新型啮齿类DAI模型。 1)本研究首次成功建立了一个稳定、可靠的由瞬间旋转加速力和线加速力复合致伤的新型啮齿类DAI模型。改进了以往仅依靠一种超大线加速力或角加速力单一作用的致伤模型，首次采用瞬间相对较小的旋转加速力和线加速力同时致伤，从而更易于模拟出契合DAI患者力学机制的动物模型； 2)单纯剪切力损伤模型多引发类似局灶伤的病理改变，更多归入创伤性轴索损伤模型，而无法反映DAI病灶的弥漫性发布的特点。通过病理学研究我们发现本模型的轴索损伤更富于弥漫性，其分布区域也与临床常见的DAI易损区更为契合； 3)该动物模型不但具有局灶性脑损伤动物模型的一过性生命体征改变，而且表现为持久性神经功能损害和学习记忆功能障碍，这与临床DAI患者遗有严重的神经功能障碍相符合； 4)改进了以往带有一定主观性及不易重复性的人工计量免疫组化标记轴缩球的方法，采用了更客观精确的光密度法定量评价轴索损伤程度。 2.使用多种技术手段活体定量检测了易损区微结构损伤及代谢紊乱，为明确DAI诊断、精确评估轴索损伤程度、监测病情、患者预后提供一定的科学依据。 1)首次在活体水平使用7.0T 磁共振（MR）仪弥散张量成像无创、三维、客观、敏感、定量地评估DAI大鼠易损区微结构损伤时空演化的病理生理过程，实现了早期鉴别轴索及髓鞘损伤、定量评估易损区轴索损伤程度。 2)磁共振波谱（MRS）活体定量检测大鼠DAI后脑组织代谢产物的改变，发现DAI后大鼠脑组织出现严重代谢紊乱，以脑干、海马、内囊、胼胝体和丘脑等部位变化最为显著。MRS为评价DAI后代谢变化提供了重要信息，为法医学定量评估轻中型DAI，为临床法医学检验DAI患者损伤程度提供影像学依据，也将为研究DAI伤后病理生理变化提供新的手段。 3)首次使用小动物PET/CT技术检测DAI大鼠易损区葡萄糖代谢紊乱的变化规律，并在技术手段上实现了小动物PET/CT和MR图像的融合，从而实现了在功能影像上的精确解剖定位，首次在活体水平无创、可视、三维、定量地评估DAI大鼠微结构损伤导致的葡萄糖代谢减低。我们还首次发现大鼠DAI后急性期海马区葡萄糖代谢降低与恢复期学习记忆功能障碍具有较强相关性。 代表性成果：（申报人均为第一作者或共同第一作者） 1. Quantitative evaluation of microscopic injury with diffusion tensor imaging in a rat model of diffuse axonal injury. European Journal of Neuroscience. 2011, 33(5):933-945. (IF: 3.292) 2.Biomarkers associated with diffuse Traumatic Axonal Injury: exploring pathogenesis, early diagnosis and prognosis. Journal of Trauma. 2010,69(6):1610-1618. (IF: 2.626) 3.Diffuse axonal injury induced by simultaneous moderate linear and angular head accelerations in rats. Neuroscience, 2010,11(1):357-369. (共同第一作者. IF: 3.418) 4.弥漫性轴索损伤相关生物标记物的研究进展. 中华神经外科杂志. 2009, 25(8):766-768. 5.弥漫性轴索损伤大鼠易损区微结构损伤7.0TMR定量研究.中华创伤杂志. 2011.（已录用，待刊）
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：建立一种可以较好地定量模拟人类DAI的生物力学、病理学、行为学、影像学特点的新型DAI模型。 基本思路：现有DAI动物模型致伤机制单纯，多为单一的旋转加速力或线性加速力引发的脑损伤，受损轴索主要存在于脑干，这与临床观察结果并不完全相符。研究发现伤时DAI患者头部多同时产生直线加速和角加速运动。因此，我们提出旋转加速力和线性加速力共同致伤的啮齿类DAI模型可能更契合临床DAI患者的发生机制。本研究在此设想的基础上建立了一个稳定、可靠的由瞬间旋转加速力和线加速力复合致伤的新型啮齿类DAI模型，并进行了生物力学、病理学、行为学、结构影像学和功能影像学特点的多角度验证。 创新点： 1.设计制造了一台具有完全自主知识产权的气动力学装置，较好地模拟了临床DAI患者损伤的力学环境。 2.建立了一种新型的啮齿类动物DAI模型，首次证明了同时、瞬间、复合角加速度和线性加速度可以使啮齿类动物产生与人类类似的DAI病理改变、代谢紊乱及持久的神经功能障碍。 技术关键及主要技术指标： 1.使用安全定量的高压氮气作为动力，利用齿轮齿条啮合的原理，研制了一种可同时产生瞬间角加速和线加速复合运动的实验装置。使用高速摄像机拍摄其运动过程并进行力学参数分析。 2.采用病理学、小动物生命参数测量仪、Morris 水迷宫、7.0T核磁共振弥散张量成像、3.0T核磁共振氢质子波谱、microPET/CT检测啮齿类DAI动物模型。
科学性、先进性
- 1.建立了一种可以较好地模拟人类DAI生物力学、病理学、行为学特点的新型啮齿类DAI动物模型。1)首次成功建立了一个稳定、可靠的由瞬间相对较小的旋转加速力和线加速力复合致伤的新型啮齿类DAI模型，更契合DAI患者力学机制；2)病理学研究发现，啮齿类DAI动物模型轴索损伤更富于弥漫性，其分布区域也与临床常见的DAI易损区更为契合；3)该动物模型表现为持久性神经功能损害和学习记忆功能障碍，这与临床DAI患者相符合；4)采用了更客观精确的光密度法定量评价轴索损伤程度。 2.使用多种技术手段活体定量检测了易损区微结构及代谢紊乱。1)首次在活体水平使用7.0T MR弥散张量成像无创、三维、客观、敏感、定量地评估DAI大鼠易损区微结构损伤时空演化的病理生理过程；2)磁共振波谱技术活体定量检测DAI大鼠，脑干、海马、内囊、胼胝体和丘脑等易损区代谢产物的变化最为显著；3)首次使用小动物PET/CT技术在活体水平无创、可视、三维、定量地评估DAI大鼠微结构损伤导致的葡萄糖代谢减低。
获奖情况及鉴定结果
- 该装置获实用新型专利1项，发明专利1项。该装置已在上海市第三人民医院的科研工作中投入使用超过一年，性能稳定、结果可靠。以第一作者发表SCI论文3篇：European Journal of Neuroscience(IF: 3.292). Journal of Trauma(IF: 2.626).及Neuroscience (并列第一作者，IF: 3.418)., 以第一作者在中华神经外科杂志及中华创伤杂志各发表论文1篇。
作品所处阶段
- 生产阶段：该装置已在上海市第三人民医院的科研工作中投入使用超过一年，性能稳定、结果可靠，可批量生产。
技术转让方式
- 专利转让、成品销售。
作品可展示的形式
- 实物、产品，图纸，现场演示，图片，录像，样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.技术特点和优势 1)该气动力学装置具有安全性、可控性、稳定可靠、易于操作等优点，具备产业化生产条件； 2)活体无创、三维、客观、敏感、定量地评估易损区微结构损伤，为精确地早期评估神经功能预后、评价轴索损伤后促功能恢复药物的疗效等临床决策过程提供一定的科学依据。 2.适用范围 1)为DAI新型治疗手段及药物研发的临床前期动物实验提供良好的DAI动物模型； 2)适用于深入研究DAI的生物力学机制和伤后的病理生理学改变； 3)适用于新的交通安全保护措施及设施的研发及验证，为机动车安全座椅、安全气囊及头盔等主动安全保护设施的研发提供了良好的手段； 4)适用于法医学定量评估轻中型DAI，为临床法医学检验DAI患者损伤程度提供影像学依据； 5)适用于针对DAI的生化标志物和影像学标志物的开发和检测。 3.市场分析和经济效益预测 1)该气动力学装置已完全具备产业化生产的条件； 2)该动物模型为DAI研究提供良好手段，可向进行DAI研究的相关科研单位推广。
同类课题研究水平概述
- 随着我国交通运输业发展，重型颅脑损伤发生率显著增加。其中弥漫性轴索损伤(DAI)发生率为70%，存活者多遗有严重神经功能障碍，给社会及家庭带来严重的经济和精神负担。目前DAI的临床诊疗尚无显著进展。其中一个重要原因是缺少稳定、可靠的动物模型。 DAI以脑组织内广泛轴索断裂和弥漫性多灶出血为特征。现有模型多模仿其受伤机制的某一方面，病理改变也多为弥漫性脑肿胀或局灶性脑损伤。因而建立稳定的、可模拟损伤后轴索连续病理改变的动物模型，特别是小动物模型对深入了解轴索损伤机制、探索中枢神经系统再生潜能、提高DAI临床诊疗水平都具有重要的意义。 在体模型可以观察机体对不同程度损伤的神经生理反应，监测接受干预后机体功能变化，特别是远期功能的观察。灵长类动物的颅底结构与人类相仿， Gennarelli等将狒狒头颅按冠状面在11～22ms内旋转60°，复制出了类似人类DAI病理特征和临床表现的动物模型。虽然此模型较成功，且致伤方式较符合DAI发生机制，但大动物模型费用昂贵且受限于伦理问题，目前尚无法广泛应用于DAI研究。啮齿类动物规范用于实验研究，遗传背景清楚、价格低廉、便于饲养管理。近年来，国内外开始尝试建立啮齿类DAI模型。Marmarou等将大鼠头颅置于海绵垫上，用牙胶将一铁盘固定于大鼠颅骨穹窿部，由重物坠落撞击铁盘引起脑损伤。峰值加速度在900G时，可以在脑内多个部位检测出广泛分布的受损轴索。这一研究成功使用了小动物，但是有研究认为打击负荷伤后脑部变化不仅是DAI，更多的是组织水肿、细胞变性，因而该模型更多用作一种简单实用的弥漫性脑损伤模型来研究。He等使用自制装置使大鼠头颅瞬间旋转90°，结果在大鼠脑内多个部位检测出受损轴索。然而，这一模型致伤机制单纯，且受损轴索主要存在于脑干，这与临床观察结果并不完全相符。而最近研究也对单纯角加速度致大鼠产生DAI的观点提出了质疑，认为该类模型更多地反应的是弥漫性脑肿胀的病理变化。临床流行病学研究发现伤时DAI患者头部会同时产生直线加速和角加速运动。本研究成功建立一种具有完全自主知识产权的由瞬间超大角加速和线加速力导致的新型大鼠DAI模型，观察伤后大鼠神经行为学变化，并使用影像学、病理学技术验证此模型的有效性、可靠性、稳定性。该动物模型将为DAI研究提供良好载体，也将为DAI治疗手段研发带来新的希望。
