诱发性椎间盘退变动物模型
1．纤维环或终板损伤模型
椎间盘是由位于中央的髓核、外周的结缔组织纤维环及上下的软骨终板组成，共同维持脊柱形态及力学功能稳定。通过针刺或手术刀切割来损伤纤维环或终板引发椎间盘退变是目前动物造模的常用方法之一（图2）。徐浩伟等[14]用21G针在大鼠的尾椎6，7和8，9间隙穿刺椎间盘，4周后行影像学和组织学观察，结果验证了可以通过损伤椎间盘纤维环来构建大鼠的椎间盘退变模型。国外学者Cunha等[15]分别使用不同口径（25G和21G）的穿刺针穿刺大鼠尾椎椎间盘，在损伤纤维坏后2周和6周评估椎间盘在组织学、生化和影像学上的退变情况。结果发现两种针型均能诱导大鼠尾椎间盘突出，且大口径会导致更广泛的退变，即椎间盘突出程度与针径成正比。崔运能等[16]在螺旋CT引导下经皮纤维环穿刺建立兔椎间盘退变模型，用18G穿刺针经侧方皮下穿刺兔L5-6椎间盘，确认刺入椎间盘纤维环深度约为5 mm，并对L4-5椎间盘进行假性穿刺（穿刺达椎间盘边缘，但不刺入纤维环内），L3-4椎间盘作为对照椎间盘。术后第4周、8周、12周随机选取6只兔行X线片及MR检查，证实了其椎间盘退变呈渐进性，从而认为这是一种相对可靠的椎间盘退变动物模型。也有学者观察了适合建立椎间盘退变模型的穿刺针规格，即分别用16、18及26号针在大鼠第7至第10尾椎三个间隙进行经皮穿刺纤维环，术后行MR和组织学检测。结果证实18号针是建立大鼠椎间盘退变模型的最佳选择；26号针未能引起椎间盘退变，可用于一些药物和化学物质的注射；16号针仅可用于诱发急性椎间盘损伤，而不能用于椎间盘退变模型的建立[17]。通过穿刺法损伤纤维环来构建动物模型的操作方法相对简单，可重复性高，能够模拟人类纤维环损伤、椎间盘退变的过程，适用于探究纤维环损伤、髓核急性突出后的病理生理过程。但该类模型也存在一定的局限性，如观察周期较长、针刺后易出现感染，且穿刺本身可能引起机体的免疫炎症反应。如果分析炎症因素对椎间盘退变的作用，这种方法会给实验结果带来一定的干扰。
椎间盘的营养主要依靠终板供给，因此通过损伤软骨终板也可构建椎间盘退变模型。Cinotti等[18]、Holm等[19]穿刺猪的软骨终板后发现外部纤维环含水量下降，髓核内细胞减少，MRI显示髓核缺失（空洞），这意味着终板穿刺可以成为构建椎间盘退变模型的可行方法之一。白荣飞等[20]在大鼠L5-6椎间盘上、下终板采用21G号针局部穿刺进针至骨髓腔，加压注入30 μl无水乙醇，阻断软骨终板向内层纤维环及髓核的营养渗透，导致代谢紊乱，于术后4、8、12周分别观察椎间盘高度、病理评分及Ⅰ型胶原染色平均灰度值，其结果符合椎间盘退变过程。此方法通过破坏椎间盘的营养通道证实了可以诱发与人类相似的椎间盘退变，但此方法与损伤纤维环的方法类似，两者损伤程度都不容易掌控，且终板损伤还会带来一些其他的病理改变，因此该模型的实际应用并不多，其价值还有待进一步考证。
2．化学损伤模型
化学损伤模型是将某些化学试剂直接注入椎间盘中，破坏其内部结构和成分，最终诱发椎间盘退变。Kiester等[21]将木瓜凝乳蛋白酶注入兔椎间盘中，观察椎间盘组织对不同剂量的木瓜凝乳蛋白酶的组织学和生化反应，将20~4 000 pKat木瓜凝乳蛋白酶注入兔椎间盘，并在注射后不同时间测定血清中硫酸角质素（keratan sulfate，KS）表达的水平，6 d后处死动物并对注射部位和相邻的两个椎间盘进行组织学检查。结果显示，注射20 pKat后血清KS水平无明显变化，注射100 pKat和200 pKat时略有升高，注射500 pKat时明显升高并达到最大值，随后继续增加剂量不会导致KS水平进一步增加，但当注射超过1 000 pKat时造成椎间盘严重破坏。这一结果为研究者选择最适浓度提供了一定的参考。Hoogendoorn等[22]将软骨素酶ABC注入山羊腰椎间盘内，结果显示椎间盘退变程度与注射的软骨素酶ABC浓度呈正相关。Norcross等[23]将软骨素酶ABC注入大鼠尾椎间盘中，2周后收集大鼠尾椎，测量椎间盘高度、生物力学和组织学外观。他们观察到椎间盘高度显著下降、椎间盘蛋白多糖含量减低、髓核细胞减少及椎间盘弹性降低等退变现象。
此外，也有学者使用纤维连接蛋白片段、5-溴脱氧尿苷、白细胞介素以及肿瘤坏死因子等制备退变模型。胡宝山等[24]采用兔腰椎间盘内显微注射120 kDa（1 Da=1.657×10-27 kg）的纤维连接蛋白片段构建腰椎间盘退变动物模型，分别于第2、4、8、12、16周行椎间盘影像学和组织病理学检测。结果证实注射120 kDa的纤维连接蛋白片段是一种可诱导兔椎间盘退变的简单、可靠的方法。Zhou等[25]将5-溴脱氧尿苷注入羊的椎间盘中心区也成功诱导了退变。颜登鲁等[26]则使用白细胞介素1β制备动物椎间盘退变模型。将白细胞介素1β注入兔椎间盘内，分别于第6周和12周处死，通过HE染色在偏差显微镜和透射电镜下行椎闻盘组织及其超微结构观察。他们发现髓核和纤维环的退变与文献所描述的椎间盘退变结果相符，成功建立了IL-1β诱导下的椎间盘退变模型。尽管化学损伤模型具有创伤相对较小、可重复性较强和药物剂量易于掌握等优点，但也有一定的局限性。体内的椎间盘退变大多是生理性的，而注射化学试剂不能模拟退变的自然病程，且药物在椎间盘中分散浓度的掌控和化学试剂对后续实验检测的干扰也是需要考虑的问题。
3．机械压力法模型
流行病学调查研究发现，椎间盘退变与脊柱受力异常有密切关系。早在1957年Lindblom[27]就通过卷尾实验（把鼠的尾巴卷曲固定，向尾椎施加一定压力）在一段时间后观察到了椎间盘退变。徐海栋等[28]在SD大鼠尾椎椎体上安装了一个环形外固定支架，采用静态加压的方法给每只大鼠施加10 kPa的力且维持8周，8周后取出椎间盘组织进行病理分级。结果显示采用静态压力构建椎间盘退变模型时，椎间盘退行性变程度均较高，且集中在Ⅳ级及以上，较针刺法造模也更稳定。马南等[29]在山羊L3、L5椎体前外侧以重建钢板加压固定，6个月后行MR检查，发现T2WI上信号明显降低，组织学显示髓核纤维化和纤维环破裂，成功建立了一种新型的山羊腰椎间盘退变模型。这种模型的建立基于使椎间盘受到异常应力，适用于构建生活中一些重体力劳动者的椎间盘退变，但不能精确模拟人椎间盘受力的微环境，且退变程度取决于操作者给予压力的强度、频率及持续时间，其造模方式还需进一步完善。
4．脊柱失稳法模型
这类模型通过切除脊柱的小关节突、棘突或椎旁肌肉、韧带破环脊柱稳定，改变脊柱的生物力学，从而诱发椎间盘退变。马涛等[30]以SD大鼠的L3椎体为中心，切除L1~L6棘上和棘间韧带、棘突、关节突关节，在L4，5水平切断双侧竖脊肌，造成脊柱失稳，对照组仅切开皮肤后缝合。于术后6周行腰椎MR检查后取出椎间盘，在光镜和电镜下观察髓核和纤维环细胞变化。结果显示手术组较对照组明显发生椎间盘退变，成功构建了脊柱失稳的椎间盘退变模型。付方达等[31]通过手术去除小鼠后方韧带复合体致脊柱轴线力学失稳来诱导构建椎间盘退变，于造模后不同时间点收集腰椎样本，通过番红O-固绿染色观察椎间盘退变过程中椎间盘的形态学改变，免疫组化法检测椎间盘基质代谢相关蛋白（1型胶原蛋白、2型胶原蛋白和基质金属蛋白酶13）和缺氧诱导因子信号关键的蛋白（缺氧诱导因子1α、血管内皮生长因子）在椎间盘组织中的表达模式变化，证实成功建立了力学异常的椎间盘退变模型。该造模方法简单、重复性好，为进一步研究后纵韧带复合体对椎间盘退变的影响提供了一种良好的动物模型。但此类造模方法往往需要在外科手术的基础上完成，对动物损伤较大、操作较繁琐，且动物恢复后的瘢痕组织对其脊柱活动度的影响也是不可避免的。
5．被动直立法模型
直立行走是人类区别于其他生物的特点之一，这使人类椎间盘的退变过程具有了一定的独特性。对以四肢爬行的动物来说，当其被迫直立时更接近人类脊柱的自然形态，从而能更好地模拟人椎间盘的受力情况。有学者利用小鼠的水逃逸习惯，将小鼠放置于一个含水的桶形有机玻璃装置中，诱导其以双足姿势站立，增加脊柱上的机械应力，每天6 h，10周后处死。结果发现双足小鼠的椎间盘出现了形态改变：髓核细胞数量和细胞外基质减少，细胞体积变小，纤维环紊乱，软骨终板高度降低[32]。劳杨骏等[33]自制了一种热板鼠笼，通过对照实验观察轴向负载诱发小鼠椎间盘退变的情况。即每日在固定的3个时点将模型组小鼠放入自制热板鼠笼中，打开热板并设定温度为50 ℃，从小鼠开始跳跃至力竭约10 min左右，然后将小鼠放回普通饲养笼中，对照组小鼠不做任何处理。分别在造模1个月和3个月后从两组取出椎间盘组织，行HE及免疫组化染色，在光学显微镜下观察椎间盘的形态及胶原蛋白表达情况，结果证实了这种变相的被动直立法可以模拟人类生活中的力学环境诱发的椎间盘退变。也有学者将新西兰大白兔置于特制的筒内使其保持直立体位，并向颈部施加600 g的轴向负荷，每日6 h，结果证实这种方式可明显加速椎间盘退变的进程[34]。被动直立法是最贴近人类椎间盘退变的一种造模方式，虽然造模时间较长，但创伤小、动物易成活。这种新的、非侵袭性的双足小鼠模型有望成为一种有效的椎间盘退变动物模型。
6．神经根压迫模型
神经根压迫型动物模型是指通过手术将异物或自身髓核组织移植到硬膜囊与神经根之间，压迫刺激神经来模拟椎间盘突出的模型。邢庆昌和张建福[35]于手术显微镜下显露大鼠L5神经根，将直径0.6 cm的滤纸片放于神经根腋部，建立了神经压迫模型。Vierck等[36]将一小块聚合物放置于小鼠椎管硬膜外，使椎管变窄，压迫脊髓，从而建立椎间盘突出模型。周渝等[37]采用自体髓核移植至背根神经节+铬制肠线环扎神经根的方法，建立了一种新型的大鼠腰椎间盘突出症模型；通过观察背根神经节的组织学改变及动物的痛觉行为，初步探讨腰椎间盘突出症的发病机制。此类通过神经根压迫构建的椎间盘退变模型比较贴近临床，能更好地模拟人类的椎间盘突出进而压迫神经根的过程，造模周期短，能在短时间内达到预期效果。其缺点是对操作者技术要求高，动物出血量较大，还存在破坏其他组织的风险，更重要的是对术后动物行为学的检测比较困难导致有效性尚不明确。
7．基因敲除模型
随着基因技术水平的不断提高，基因敲除技术为研究椎间盘退行性变提供了一种新思路。国外学者通过敲除某些特定的基因来构建椎间盘退变模型，国内孟祥超等[38]通过敲除小鼠髓核细胞中缺氧诱导因子1α，导致某些重要的microRNAs调节失衡，引起髓核细胞出现萎缩等病理变化，成功加速了椎间盘退变。Sahlman等[39]、Boyd等[40]分别敲除小鼠的Col2a1和Col9a1基因，发现椎间盘均表现出不同程度的退变。郝晓东等[41]敲除小鼠的骨保护素基因，发现小鼠的椎间盘软骨终板出现了退变、细胞排列顺序紊乱、终板及纤维环外侧可见骨髓腔组织进入，提示该基因对椎间盘结构的维持起着重要作用。上述利用基因敲除技术为构建椎间盘退变模型提供了新的选择，但此技术相对不成熟、构建模型过程相对复杂、费用较高、可控性较差，限制了其广泛应用。
8．其他模型
除上述方法外，还有一些其他较少用的造模手段。尹思等[42]选用雌性关中山羊，在山羊的L2-3和L3-4椎间盘之间平行于终板处制造骨缺损，注入骨水泥，阻断双侧终板营养通路，以邻近椎体为对照，证实实验组阻断终板营养途径导致椎间盘缺血的方法可以诱发椎间盘退变，从而构建了一种缺血性动物椎间盘退变模型。Kang等[43]也用类似的方法阻断猪的终板供血途径，成功使其椎间盘发生了退变。此类缺血模型同样存在对操作者要求高、创伤大的缺点。
另一种造模方法与雌激素有关。既往有研究表明围绝经期妇女卵巢功能减退、雌激素水平下降、骨密度下降是导致椎间盘退变的原因之一[44]。因此有学者采用去势法或切除双侧卵巢的方法成功构建了大鼠椎间盘退变模型[45,46]。
低温等离子消融技术不但可用于腰椎间盘突出的治疗，还可以构建椎间盘退变模型。周葳等[47]采用大白兔为实验对象，分别从腹膜外和侧方两种手术入路于L3，4、L5，6间隙行穿刺消融30 s。通过CT、MRI及病理学检查证实12周后两种方法均能观察到进行性的椎间盘退变迹象，且侧方入路低温等离子消融早期退变更明显。此方法较传统方法能更快地建立椎间盘退变动物模型。
此外，还可以通过椎体融合术使邻近椎体代偿活动增加进而加速椎间盘退变来造模。Higashino等[48]将兔L3-4、L4-5两个椎间盘进行融合，1年后发现邻近椎间盘高度明显降低，出现了退变现象，成功构建了椎间盘融合模型。