目前已建立了多个物种的CA模型，包括小鼠、大鼠、兔、猪、羊、犬和灵长类动物，每种模型都具有相应的优点和局限性，可以根据研究目的选择合适的动物模型。来自迈阿密大学博卡拉顿地区医院神经外科和放射科的John W. Thompson等对一些较常用的CA模型进行了综述，并对每种模型的优缺点进行了比较。——摘自文章章节【REF：Thompson JW, et al. Neurosurg Focus 47 (1):E20, 2019. DOI: 10.3171/2019.4.FOCUS19219.】

研究背景

未破裂颅内动脉瘤是一种常见的脑血管疾病，人群患病率约为2~6%。如果不及时治疗，动脉瘤可能进展、破裂引起蛛网膜下腔出血，可导致患者残疾甚至死亡。脑动脉瘤(CA)的形成和破裂的病理生理学机制尚不明确，但已经确定的危险因素包括年龄增长、女性、高血压、过量饮酒和吸烟。研究表明，血流动力学应力在CA发病机制中发挥关键作用，其异常可导致内皮功能障碍、炎症细胞浸润和动脉管壁重塑。血管平滑肌细胞可发生表型转换，并通过表达炎症和基质重塑蛋白使炎症反应加重，最终导致动脉管壁组织异常改变，其特征是内弹性膜破坏、细胞外基质降解、中膜变薄、壁细胞丧失以及动脉瘤形成。对人CA标本组织进行分析检测，揭示了有关CA病理学的重要信息。CA动物模型的应用对我们了解CA生物学机制和寻找治疗方法至关重要，利用模型可尝试复制人CA的形态、组织和血液动力学特征，用于研究动脉瘤形成、生长和破裂，同时还可以测试新治疗方式的疗效。目前已建立了多个物种的CA模型，包括小鼠、大鼠、兔、猪、羊、犬和灵长类动物，每种模型都具有相应的优点和局限性，可以根据研究目的选择合适的动物模型。来自迈阿密大学博卡拉顿地区医院神经外科和放射科的John W. Thompson等对一些较常用的CA模型进行了综述，并对每种模型的优缺点进行了比较，结果发表在2019年7月的NEUROSURGICAL FOCUS杂志。

小动物CA模型

大鼠和小鼠中CA形成的理论基础是：脑动脉管壁结构减弱结合血液动力学应力诱导CA形成。目前存在大量CA大鼠和小鼠模型，不同之处主要在于血管壁减弱和血流动力学应力诱导机制的方式(图1)。

图1. 啮齿动物中的脑动脉瘤形成、血液动力学应力和血管壁减弱。用于大鼠和小鼠中CA形成的过程主要在诱导高血压、增加流速和减弱血管壁的方法上有所不同。高血压可以通过高盐饮食、单侧肾切除术或肾后动脉的双侧结扎(未示出)和皮下放置DOCA微粒或含有血管紧张素II的微渗泵(未示出)来诱导。通过结扎左侧CCA实现流速的增加，这导致对侧颈内动脉中的血流代偿性增加。通过饲喂含有0.12％BAPN(一种赖氨酰氧化酶抑制剂)的饮食或通过立体定位注射弹性蛋白酶来实现血管壁减弱。

血液动力学应力和血管壁减弱

高血压和/或血流量的增加可以导致脑血管系统中的血液动力学应力上升。Hashimoto等利用高血压结合血流量来诱导血液动力学应力，构建了首例大鼠CA模型。通过一系列手术，结扎左侧颈总动脉(CCA)增加血流量，同时进行单侧肾切除术诱导高血压，然后皮下注射醋酸脱氧皮质酮(DOCA)以及向饮水中加入1％氯化钠。通过喂食含有0.12％β-氨基丙腈(BAPN)(一种赖氨酰氧化酶抑制剂)的大鼠饲料促使血管壁结构弱化，可抑制胶原蛋白和弹性蛋白的交联导致血管脆性增加和形成动脉瘤的可能性增加。后来，Morimoto等采用这种方法促进小鼠CA形成，包括双侧肾动脉后支的结扎，手术后4个月可观察到不同阶段的CAs形成，主要位于右大脑前动脉与嗅动脉的分叉处。组织学分析显示，78％的处理小鼠中可观察到弹性层粘连蛋白断裂和中膜变薄，提示动脉瘤形成。然而，通过该方法形成的CA很小，通过光学显微镜仅可观察到一些微小动脉瘤，而其他动脉瘤则需要电子显微镜进行观察显示。但是这种CA模型构建方法受到动脉瘤形成缓慢的限制，对该方案也有一些其他改进，包括在手术时同时行结扎左肾动脉、单侧肾切除术以及肾动脉后分支的双侧结扎。

弹性蛋白酶和血管紧张素II

动脉瘤形成的早期阶段与弹力层的退变有关，这可能导致动脉瘤的进展和破裂。鉴于这种组织学表现，Nuki等通过立体定向向右侧基底池中注射弹性蛋白酶，通过皮下放置可连续释放血管紧张素II的微渗泵来诱导高血压。在处理2周内，77％的小鼠有CA形成，这些动脉瘤在组织学上表现为中膜和弹力层的降解以及炎症细胞浸润。

脑动脉瘤破裂模型

Makino等报道了一种自发性动脉瘤破裂的模型，该模型使用弹性蛋白酶结合高血压处理。通过单侧肾切除术、植入DOCA-盐颗粒以及向饮水中添加1％NaCl来诱导高血压，在进行DOCA-盐颗粒植入手术的同时向右侧基底池中注射弹性蛋白酶。使用该方法，术后28天内>60％的小鼠形成CA。另外，术后7~11天内，50％~60％的小鼠发生自发性动脉瘤破裂。后来，Hosaka等进一步改良了该模型，通过结扎左CCA和右肾动脉并在1周后将弹性蛋白酶注入右基底池诱导血管流速增加和脆性增加，通过血管紧张素II和含有8％NaCl和0.12％BAPN的食物进一步增加高血压和血管脆性，这种方法使用浓度大于50 mU的弹性蛋白酶，100％的小鼠形成CA。应用弹性蛋白酶，能够在可预测的时间点促使CA形成和破裂。使用25-30 mU的弹性蛋白酶，大多数小鼠在1周时形成动脉瘤，且没有破裂迹象。但是，大约80％的动物在4周内会出现蛛网膜下腔出血。类似于在人CA中观察到的组织学变化，由弹性蛋白酶诱导形成的动脉瘤表现为弹力层的破坏、巨噬细胞的浸润、内皮的丧失或减少以及平滑肌细胞增生。该模型在文献中广泛使用，并已用于评估可降低动脉瘤进展和破裂率的药物抑制剂的疗效。

手术构建的脑动脉瘤模型

由于小动物以及形成的动脉瘤太小，无法将啮齿动物CA模型用于血管内器具的测试。为了解决这个问题，Frösen和Marbacher等利用供体胸主动脉手术构建了囊状动脉瘤，在小鼠和大鼠中通过外科手术将胸主动脉结扎到腹主动脉。这些囊状动脉瘤表现为炎性细胞浸润、内皮剥脱、血栓形成和内膜增生。Marbacher等改进了这一模型，在术前用十二烷基硫酸钠诱导供体胸主动脉脱细胞化，壁细胞的丧失可导致管腔血栓形成、炎症反应增加以及动脉瘤生长和破裂。尽管小鼠体积太小，但已成功使用大鼠囊状动脉瘤模型进行支架和弹簧圈的测试。

前景和局限

啮齿动物CA模型为从分子、细胞和生理水平进行动脉瘤生物学研究提供了强大的工具。除了手术构建的囊状动脉瘤，啮齿动物CA模型不需要直接处理血管并且动脉瘤位于颅内，这引出了什么构成动脉瘤的问题。在早期研究中，动脉瘤模型形成小的微动脉瘤，这些微动脉瘤很少可见、且仅可通过光学或电子显微镜检查或血管壁的组织学改变来检测。一些科学家不相信这些“微动脉瘤”可以代表人CA。相比之下，弹性蛋白酶处理导致Willis环及其主要分支的血管壁向外凸出清晰且明显。Starke等将动脉瘤定义为血管壁上的凸起，其直径>载瘤动脉直径的150％。类似地，Nuki等将动脉瘤定义为血管壁凸出>基底动脉直径的150％。尽管啮齿动物CA模型复制了人CA中的许多组织学和分子生物学变化，但在人类CA中观察到一些在啮齿动物CA模型中没有的病理学表现。例如，在人类囊状CA中，脂质和氧化脂质在动脉瘤壁中积聚并且与细胞死亡、血管壁减弱和动脉瘤破裂有关。同样，在人类囊状CA中补体炎症系统激活并且参与动脉瘤壁退化和破裂。一些遗传修饰的小鼠可直接购买，使得啮齿动物CA模型成为研究CA形成、进展和破裂分子机制的重要工具。可以通过转基因小鼠研究人CA中改变的特定蛋白质。例如，肿瘤坏死因子(TNF)-α、单核细胞趋化蛋白(MCP)-1以及核因子(NF)-kB p50亚基敲除可减少CA形成，而内皮细胞一氧化氮合酶(eNOS)和SOX17敲除使小鼠易于形成CA。这些只是众多应用转基因小鼠进行临床前研究的一小部分。

大动物CA模型

已在许多物种中成功构建大动物CA模型，但主要是在兔、犬和猪中构建。大动物形成动脉瘤需要通过显微外科或血管内介入的方法，通常在CCA上直接构建。因此，动脉瘤模型位于颅外，且也受到手术构建动脉瘤颈和瘤体的限制。虽然存在这些缺点，但是每种模型都具有一定的特征，根据不同的研究目的，这些特征可能是优势也可能是劣势。

兔动脉瘤模型

1.静脉移植动脉瘤为了模拟分叉部动脉瘤，开发了这种技术。首先，将左侧CCA-右侧CCA端侧吻合手术构建动脉分叉，然后使用颈静脉移植物在分叉处构建静脉袋动脉瘤。Marbacher等改进了该技术，通过将大型、宽颈、双叶和双囊静脉袋移植到手术创建的分叉处来构建更复杂的动脉瘤。最近，通过纵向打开切取一段颈静脉并将该静脉段移植到CCA来构建绝对宽颈动脉瘤模型。该静脉袋模型有其局限性，主要是无法复制人动脉瘤中观察到的组织学变化。该模型的优势在于能够根据瘤体和瘤颈大小定制动脉瘤。2.动脉性动脉瘤最常见的兔动脉瘤模型是通过酶处理动脉壁使其弱化产生囊状动脉瘤，已成为一种可靠的方法，通过用血管内球囊闭塞CCA并用弹性蛋白酶处理主动脉弓 - 头臂干分叉来产生动脉瘤。随后，该方法又得到了改进，通过手术将CCA暴露、插入导管和利用球囊进行闭塞，然后在球囊至远端结扎之间使用弹性蛋白酶处理CCA(图2)。虽然早期用弹性蛋白酶进行血管内处理的技术可以有效构建具有足够通畅时间的动脉瘤，但弹性蛋白酶的逆流经常会对气管和其他器官造成伤害。为了减少这种并发症的发生，研究者进一步改进了该技术，在球囊远端和CCA结扎近端插入微导管以防止弹性蛋白酶逆流。最后，为了将中膜的胶原蛋白溶解，研究者将胶原酶添加到弹性蛋白酶中，导致动脉瘤与人CA在组织学上几乎相同，表现为内弹性层的断裂破坏以及平滑肌细胞数量的增加。尽管用这种方法构建的动脉瘤能够在超过24个月保持通畅，但随着时间的推移无法生长和破裂，且在血管壁组成和厚度上均无明显变化。因此，它无法复制动脉粥样硬化和管壁变薄的更复杂的具有异质性的动脉瘤血管条件，以及与动脉瘤破裂相关的炎性细胞浸润和去内皮化的特征。

图2. 兔弹性蛋白酶动脉瘤模型。兔动脉瘤形成包括暴露右侧CCA，在动脉穿刺后，球囊超选到CCA的起始部(A)。球囊充气同时注射弹性蛋白酶，使动脉充盈(B)，将动脉与弹性蛋白酶一起孵育20分钟。然后吸除弹性蛋白酶并移除球囊，结扎CCA的远端部分，形成动脉瘤。残留的弹性蛋白酶和血液动力学变化将诱导动脉瘤在手术后数周内稳定形成。DSA显示新形成的动脉瘤(C)。3. 血流动力学应力诱导的后循环动脉瘤1963年Hassler等和后来由Gao等进行的研究表明，动脉瘤可以在仅使用血液动力学应力而没有高血压或血管壁减弱的情况下在兔的后循环中形成。在该模型中，通过颈动脉的单侧或双侧结扎，基底动脉中的血液动力学应力增加。使用这种技术，Hassler和Gao发现基底动脉尖的动脉壁的组织学变化类似于新生动脉瘤形成，其特征在于内弹力膜的丧失、中膜变薄以及血管壁向外凸起。随着高血压和雌激素缺乏这些动脉瘤危险因素的增加，该模型得到了扩展。单侧肾切除联合高盐饮食诱发高血压，双侧卵巢切除诱发雌激素缺乏。血流动力学应力结合高血压和雌激素缺乏导致Willis环发生改变，如血管变长和变弯、以及动脉瘤病变形成和血管损伤。4. 梭形动脉瘤最近，Avery等在兔体内构建了颈动脉梭形动脉瘤。在该模型中，将右侧CCA暴露并用纱布包裹并将包裹的CCA放入容器中与周围组织隔离，然后将纱布浸入含有弹性蛋白酶和CaCl₂的溶液中20分钟。使用这种方法，在动脉瘤创建手术后6周内，100％的动物形成梭形动脉瘤，定义为血管扩张大于近端动脉直径的50％。在组织学上，这些动脉瘤表现出内弹力膜几乎完全丧失、中膜变薄以及内膜增厚。但是该动脉瘤模型在6周内的长期通畅性尚未报道。

犬动脉瘤模型

1.静脉袋模型首例犬动脉瘤模型是由German和Black于1954年构建的，他们使用静脉袋移植物在狗体内构建囊状动脉瘤。该技术到目前为止一直在使用。该技术主要步骤包括：暴露颈外静脉并切取合适长度，用缝线缝扎静脉的一侧以形成静脉袋，然后将其缝合到已行动脉切开的目的位置处。已经报道了几种对此技术的改进，包括用于巨大、宽颈和梭形动脉瘤的改进(图3)。

图3. 静脉袋动脉瘤。示意图描述了使用双侧CCA和一段颈外静脉(EJV)手术创建侧壁、分叉和尖端动脉瘤。一般来说，选择CCA或颈内动脉来创建动脉瘤，因为这些动脉与人脑动脉的直径和血流相似，并且动物能够耐受该部位的外科手术。犬科动物CCA的直径约为4mm，类似于人颈内动脉，狗相对较长的CCA(10-12cm)可以方便地进行手术。2. 血流动力学应力与动脉壁损伤最近，Wang等通过诱导血流动力学应力增加与动脉壁结构减弱相结合，报道了一种新的CA形成方法。在该模型中，通过将CCA的近端段连接到对侧CCA的近端侧壁，手术构建CCA新的分支。药物诱发高血压，外部注射弹性蛋白酶消化新分支的瘤顶部。

猪动脉瘤模型

猪动脉瘤的构建过程类似于German和Black报道的犬动脉瘤的构建方法，方法稍有改变，即通过使用较长的静脉段和侧旁吻合术来构建巨大的动脉瘤，该动脉瘤比小动脉瘤更容易破裂。Goericke等利用弹性蛋白酶来构建囊状动脉瘤。像在兔模型一样，暴露CCA并在起始处闭塞，将弹性蛋白酶注射到CCA中并孵育一段时间。像啮齿动物和兔CA模型一样，弹性蛋白酶会削弱动脉壁，引发炎症反应以及内源性蛋白酶的激活，从而分解弹性蛋白和胶原蛋白，导致血管扩张。

前景和局限

大动物CA模型为研究血管内治疗方法、动脉瘤愈合和血管内治疗的培训提供了广泛的用途。在大动物模型中，静脉袋动脉瘤模型允许选择动脉瘤的大小、形态和位置，且动脉瘤可以在具有类似于人脑动脉直径和血流的血管中形成。然而，静脉袋模型也有一定的限制，包括在构建动脉瘤时手术创伤和使用缝合材料、动脉瘤非动脉组织以及人工形成的瘤颈。尽管存在这些缺点，大动物模型可以进行血管内新器具的测试以及进行血管内治疗的培训。然而，血管内治疗培训的首选CA模型仍有争议。兔弹性蛋白酶动脉瘤模型的一个主要缺点是它缺乏炎症反应并且不会自发破裂，但它确实具有与人动脉瘤类似的血栓形成和溶解的特征，这对测试用于栓塞动脉瘤的血管内治疗新材料具有重要作用。猪CA静脉移植模型的主要缺点是有伴或不伴栓塞的自发性血栓形成和愈合的趋势。大动物模型的另一个缺点是管壁存在明显的血管平滑肌细胞增生，这在人CA组织中是显著减少或不存在的。Marbacher等证明，脱细胞动脉瘤移植物可形成紊乱的腔内血栓，并且炎症和管壁损伤增加，导致动脉瘤的生长和破裂。因此，具有正常动脉瘤壁细胞CA模型的愈合反应会增强，从而潜在促进介入器具研究中动脉瘤的愈合结果。

硅胶动脉瘤模型

随着3D打印技术的进展，制造患者特异的真实比例动脉模型变得更为容易。这些3D打印模型可作为术前评估的工具或可以使用硅胶铸型技术进一步加工来构建一个空心的、硅胶壁的人工血管系统。越来越多的文献将人工CA模型用于血管内装置测试和训练、动脉瘤夹闭训练以及术前评估和体内动力学研究，也可通过外科手术植入猪和人尸头进行神经外科训练。虽然这种模型提供了一种极好的替代动物模型的方法用于血管内治疗培训，但它并没有完全复制体内动脉生物学特征，这可能会极大影响测试结果。

临床转化和结论

CA的动物模型是研究CA在分子、细胞和大体水平的病理生理学机制以及测试新型血管内装置的重要工具。理想状态下，CA模型可复制人CA中观察到的血液动力学状态、壁面切应力以及细胞和组织反应。然而，没有一种动物模型能够完全复制相应研究的人类疾病。因此，每个研究者必须考虑每个模型的优点和缺点，以便最大限度地利用CA模型优势的一面。一般而言，啮齿动物CA模型可用于研究动脉瘤形成、生长和破裂的分子和细胞学机制，目的是寻找有治疗干预和临床转化潜力的药物靶标。相比之下，大CA动物模型主要用于新血管内治疗器具的开发和改进以及新型治疗干预方法的评估，就像伽玛刀放疗手术中使用的那样。大动物模型也可用于研究治疗后动脉瘤的愈合情况。目前的CA模型没有完全复制人CA。因此，需要进一步的研究来探索构建更接近人CA的组织学和病理生理学特征的CA模型。

组 稿

张颖影 副教授

复旦大学附属华东医院

编 译

王川川 博士

上海长海医院

审 校

赵开军 副教授

上海长海医院

终 审

刘建民 教授

上海长海医院卒中中心

主任

兔动脉瘤模型可模拟人脑动脉瘤组织学类型脑动脉瘤血流导向装置治疗患者中评估氯吡格雷反应的VerifyNow P2Y12检测的精确度   3D数字建模血流动力学分析对于未破裂动脉瘤壁局部病理组织构成的预测

请点击左下方“”即可查看原文。