皮瓣實驗動物模型的研究進展

顧依然朱仔燕李春霖鄧國英?

(1.上海市第一人民醫(yī)院,上海 201620;2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院,上海 200025)

皮瓣動物模型為皮瓣治療研究提供了重要研究途徑,對皮瓣技術(shù)及相關(guān)基礎(chǔ)研究的發(fā)展意義重大[1],然而許多影響著皮瓣存活的因素尚缺少理想的解決方案[2],由此限制了臨床應(yīng)用和醫(yī)療成本[3]。因此動物模型在皮瓣技術(shù)的提升中扮演重要角色,能夠了解皮瓣的解剖生理、缺血的發(fā)生機制、評價不同皮瓣手術(shù)方案的預(yù)后情況。

皮瓣技術(shù)發(fā)展至今,已經(jīng)建立了各種動物模型,然而對于皮瓣實驗動物模型領(lǐng)域的整體情況仍缺乏全面的認識和總結(jié)。建立皮瓣動物模型的意義在于模擬體外皮瓣實驗,并將實驗結(jié)果廣泛應(yīng)用于臨床,因此實驗動物的選擇對于實驗設(shè)計的成敗起著至關(guān)重要的作用。本文就皮瓣實驗動物模型的物種選擇及其常用模式進行了綜述(包括手術(shù)技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域),并嘗試比較了其優(yōu)缺點,旨在對皮瓣實驗動物模型領(lǐng)域的研究進展做一綜述。

1 皮瓣模型的實驗動物選擇

不同動物的生物學(xué)特性差異決定了其移植后的效果差異,需根據(jù)實驗需要選擇生物學(xué)特性接近的實驗動物。在選擇皮瓣實驗動物時,必須考慮以下幾點:動物養(yǎng)護成本、局部解剖類型、手術(shù)可行性以及倫理性等。

1.1 嚙齒類

嚙齒類動物是目前臨床上最常用的動物模型[4],適用于缺血再灌注損傷、微循環(huán)和皮瓣預(yù)制等方向的皮瓣研究,主要以小鼠和大鼠為代表。嚙齒類動物皮下組織結(jié)構(gòu)與人相似,普遍生命力旺盛,抗感染能力強,養(yǎng)護成本低,可重復(fù)性佳,性價比高[5]。嚙齒類動物皮下淺筋膜層較薄而肉膜組織較厚,與人體皮下供血模式存在差異;且鼠類體積較小,血管管徑較細,手術(shù)操作較為困難,所以多被選為研究模型,對于臨床手術(shù)操作的參考價值有限。

1.2 小型豬

豬是較為理想的皮瓣實驗動物,可以模擬多種人體皮瓣供受區(qū)的生理表現(xiàn)[6]。豬的皮下淺筋膜較發(fā)達,肉膜層相對退化,血供主要以發(fā)自深部主干血管的肌皮穿支為主,與鄰近血管的吻合形成典型的血管體區(qū)[7],與人體的皮下供血模式極其相似[8]。因此基于豬建立的皮瓣模型更具有臨床應(yīng)用意義。此外,小型豬體型較大,可在背、腹部同時設(shè)計不同皮瓣進行對照實驗,更有利于皮瓣存活情況的觀察。但是,小型豬的飼養(yǎng)成本過高,因此使用較少[9]。

1.3 其他動物

兔和狗等中型實驗動物和人體解剖結(jié)構(gòu)相似,且比起嚙齒類動物體積更大、血管管徑更粗,手術(shù)操作便捷,模型穩(wěn)定性高。這類中型實驗動物可用于研究泌尿[10]、肌肉骨骼[11]、生殖等系統(tǒng)[12]的皮瓣移植功能重建,以及延遲皮瓣[13]、擴張后行穿支皮瓣和預(yù)構(gòu)皮瓣等皮瓣設(shè)計技巧[14]。但是,雖然其飼養(yǎng)成本低于小型豬,但仍顯著高于嚙齒動物,因此使用范圍有限。

2 不同皮瓣類型的動物模型

臨床上通常根據(jù)不同的研究目的,結(jié)合不同動物間解剖結(jié)構(gòu)和生理特性的差異,建立不同的皮瓣動物模型,現(xiàn)根據(jù)不同的皮瓣類型分別簡述如下(見表1)。

表1 皮瓣模型及其臨床應(yīng)用Table 1 Skin flap model and its clinical application

2.1 隨意型皮瓣模型

隨意型皮瓣由于設(shè)計皮瓣部位和方向時不受軸心血管分布和走行的限制,因此有較大的取材空間,在修復(fù)創(chuàng)口、缺損和畸形等臨床應(yīng)用中也最為廣泛。

大鼠背部皮瓣是典型的隨意型皮瓣[4]。在1965年時,McFarlane等[15]首次構(gòu)造了一種源于深肌筋膜并包含了肉膜組織的背部頭端蒂皮瓣,這種背部皮瓣沒有特定的血管走行,皮瓣大小以背部骨性標(biāo)志作為長寬比的限制標(biāo)準(zhǔn),消除了不同大鼠間的個體差異。在隨后的幾十年中,這種大鼠背部皮瓣作為一種基礎(chǔ)模型,被改造后運用于皮瓣的生理特性、存活率以及血運重建等研究中[16]。

隨后,Adamson等[17]在其基礎(chǔ)上建立了大鼠背部尾端蒂皮瓣,將皮瓣切取面積限制在2×7 cm與5×10 cm之間,顯著提高了皮瓣的存活率;kelly等[18]將皮瓣相對的兩側(cè)創(chuàng)緣相縫合,構(gòu)建了一種新型管形皮瓣。其原理類似于McFarlane的分步剝離皮瓣,通過皮瓣延遲手術(shù),促進皮瓣由蒂部建立豐富的血循,進一步提高了皮瓣的存活率。經(jīng)過這一系列改良,大鼠背部隨意型皮瓣,現(xiàn)已成為一種穩(wěn)定、可靠的動物模型,用于研究不同藥物、給藥方案和皮瓣術(shù)式設(shè)計對皮瓣壞死的影響[19]。

2.2 穿支皮瓣模型

2.2.1 一般穿支皮瓣

最早的穿支皮瓣概念由Koshima等[20]在1989年提出,是以肌皮穿支血管為蒂的游離皮瓣。Coskunfirat等[21]于2000年建立了大鼠腹直肌肌皮穿支蒂皮瓣模型(TRAM),是一種單穿支體皮瓣,以大鼠右腹直肌近端第2個穿支血管為蒂,皮瓣自肉膜層下、腹直肌上切取。Hallock等[22]在此基礎(chǔ)上,建立了首個大鼠上腹部穿支(DIEP)皮瓣模型。此后,這種模型一直采取切斷皮瓣穿支血管后原位吻合,直到Ozkan等[23]人將上腹部穿支動脈與腹壁下淺動脈,胸長靜脈與股靜脈連接吻合,通過轉(zhuǎn)移上腹部穿支皮瓣至腹股溝區(qū),從而建立真正的DIEP皮瓣模型。解決了此前穿支血管管徑較細吻合困難的問題。由于該皮瓣容易制備且存活率可觀,血管蒂穩(wěn)定可靠,被廣泛應(yīng)用于皮瓣的動靜脈瘺、缺血再灌注損傷、皮瓣微循環(huán)和皮瓣預(yù)制等研究。

隨后,卿黎明等[24]建立了兔腹壁淺動脈穿支皮瓣,以前胸部為皮瓣受區(qū),腹股溝區(qū)為皮瓣供區(qū),將股動脈與頸總動脈行Flow-through動脈吻合、股靜脈與頸外靜脈端端吻合,進行皮瓣移植。這一動物模型所涉及的血管恒定可靠、吻合操作簡單,能在不犧牲供區(qū)主干血管血液循環(huán)的前提下,精準(zhǔn)的模擬臨床游離穿支皮瓣修復(fù)以及靜脈危象發(fā)生過程。但是兔成本較高,應(yīng)用范圍未及嚙齒類動物模型廣。

2.2.2 跨區(qū)穿支皮瓣觀察模型

一種特殊的穿支皮瓣,可以通過觀察連接穿支體之間的choke血管,提示跨區(qū)穿支皮瓣的存活情況。

Eriksson等[25]在1980年首次建立了小鼠耳瓣模型,小鼠耳朵少毛、皮膚菲薄,利于觀察血液微循環(huán);在此基礎(chǔ)上,Barker等[26]通過切斷小鼠部分耳底并結(jié)扎三條供血血管中的兩條,構(gòu)建出有完整神經(jīng)血管束的皮瓣。這一模型可以觀察皮瓣缺血再灌注損傷,以此研究皮瓣延遲手術(shù)對皮瓣存活率的影響[26]。但是觀察效果會隨著時間延長而減弱。

在此基礎(chǔ)上,梁成等[27]通過建立小鼠三血管體跨區(qū)耳瓣,發(fā)現(xiàn)術(shù)后choke區(qū)動靜脈管徑迅速擴增,表明小鼠跨區(qū)耳瓣模型可能成為研究皮瓣血管擴張機制及遴選促皮瓣存活藥物的理想動物模型。

另外一種觀察choke血管的動物模型是建立小鼠背部皮窗模型[4]。莊躍宏等[28]通過建立以髂腰動脈皮支為蒂的跨三個血管體區(qū)的皮瓣,定位到choke血管并安裝皮窗以研究跨區(qū)皮瓣的存活機制。這種模型的缺點在于術(shù)后感染及反復(fù)麻醉觀察,可能會影響小鼠的存活率。

2.3 肌瓣和肌皮瓣模型

腓腸肌肌瓣:1977年McCraw等[29]首次對肌瓣和肌皮瓣進行了研究。1987年Black等[30]建立了大鼠腓腸肌肌瓣,研究鼠類同種異體移植神經(jīng)肌肉功能恢復(fù)。隨后Tonken等[31]發(fā)現(xiàn),大鼠的腓腸肌解剖結(jié)構(gòu)與人相似,并且肌瓣切取范圍廣,可用于模擬臨床同種異體復(fù)合皮瓣移植的神經(jīng)肌肉功能轉(zhuǎn)歸、遴選抑制移植反應(yīng)藥物;若結(jié)合坐骨神經(jīng)和脛神經(jīng)建立功能性皮瓣,還能用于研究肌瓣表面植皮后感覺再支配。

腹直肌肌瓣和肌皮瓣:Hartrampf等[32]首次應(yīng)用橫行腹直肌(TRAM)皮瓣于乳房再造,隨后作為一種軟組織修復(fù)方式被廣泛運用于其他領(lǐng)域。Zhang等[33]建立的大鼠腹直肌動物模型顯示大鼠的腹部血供結(jié)構(gòu)為腹壁上、下血管供血,與人類似,可模擬TRAM皮瓣的臨床活體生理特性,并應(yīng)用于皮瓣延遲、改善皮瓣成活率以及遴選皮瓣促存活藥物[34-35]。

提睪肌肌皮瓣:Grant[36]于1964年首次提出了小鼠提睪肌皮瓣,幼鼠陰囊下皮膚菲薄,肌肉組織與外膜之間鮮有血管連接,易于剝離,將提睪肌擴張后置于顯微鏡下,靜脈注射碳黑造影劑,檢查微血管形態(tài);或?qū)植快o脈施加各種刺激后,觀察血管反應(yīng),用于研究肌肉組織的微循環(huán)。Acland等[37]在此基礎(chǔ)上,將提睪肌皮瓣改進為游離皮瓣,使皮瓣蒂與髂外血管吻合,用于研究橫紋肌的缺血再灌注損傷。Ozer等[38]通過此模型結(jié)合活體熒光技術(shù),研究白細胞內(nèi)皮細胞相互作用和凋亡細胞死亡的炎癥反應(yīng)。

2.4 骨肌皮瓣模型

骨肌皮瓣是一種復(fù)合型皮瓣。Buncke等[39]對大鼠進行了帶血管的關(guān)節(jié)移植,重建了大鼠的后肢,實現(xiàn)了最早的復(fù)合型游離骨瓣移植,但不包含肌肉組織。Hirase等[40]彌補了這一缺點,建立了含肌肉組織的骨肌皮瓣,現(xiàn)在常被用于研究移植排異反應(yīng)[41]。Linsell等[42]在此基礎(chǔ)上,建立了由股骨、大腿肌以及腹股溝皮膚組織組成的大鼠骨肌皮復(fù)合皮瓣,在游離皮瓣的循環(huán)、代謝和免疫等領(lǐng)域具有一定研究價值。Mutaf等[43]建立了由隱血管為蒂,小腿內(nèi)側(cè)皮膚、半腱肌和股薄肌組成的帶蒂脛骨隱血管骨段骨肌皮瓣,移植至大鼠的腹部后,皮瓣成活率可觀。Rücker等[44]進一步建立了大鼠隱血管肌皮骨瓣模型,實現(xiàn)了在大鼠體內(nèi)對皮瓣每一層組織的病理、生理研究。因此這種模型可以被用于肌皮骨瓣微循環(huán)的分析研究。值得一提的是,這一模型的觀察期較短,不適用于長期或大量觀察。

2.5 其他皮瓣動物模型

2.5.1 逆行島狀皮瓣

遠端蒂皮瓣的一種特殊類型,能在不吻合血管的前提下,將供區(qū)組織帶蒂轉(zhuǎn)移至受區(qū),但其動脈血供和靜脈回流均逆正常生理方向而流,靜脈瓣膜導(dǎo)致的逆流困難是手術(shù)失敗的主要原因之一[45]。對于靜脈回流途徑的兩種觀點——“迷宮式途徑”逆流理論和“瓣膜失活途徑”逆流理論,張世民等[46]設(shè)計了兔隱靜脈逆行島狀皮瓣,保留一組完整的隱動靜脈血管鞘,另一組完全破壞靜脈回流的靜脈交通支僅保留主干靜脈血管,以此觀察兩種理論下皮瓣的存活情況。因此,逆行島狀皮瓣動物模型有助于研究靜脈回流機制,結(jié)合易操作、皮瓣存活率高等優(yōu)點,還能幫助遴選促皮瓣存活藥物。

2.5.2 預(yù)構(gòu)皮瓣動物模型

預(yù)構(gòu)皮瓣的概念最早由Diller等[47]提出,他通過建立狗的帶血供回腸瓣模型,提出了通過預(yù)構(gòu)的手段可形成本不存在的皮瓣的觀點。在國內(nèi),沈祖堯等[48]通過將兔耳的中央靜脈束移植入額部皮管內(nèi),形成皮瓣后行帶血管蒂轉(zhuǎn)移,皮瓣最終存活。這種皮瓣構(gòu)建方式為早期的預(yù)構(gòu)皮瓣研究構(gòu)筑了基本框架。預(yù)構(gòu)皮瓣的血管再生化對于皮瓣存活至關(guān)重要。因此,Tark等[49]運用血管內(nèi)注射熒光素鈉,證實增大血管載體面積顯著提高皮瓣存活率。Li等[50]、Gumnluoglu等[51]相繼構(gòu)建了大鼠腹壁上血管預(yù)構(gòu)皮瓣,通過皮下局部注射腺病毒介導(dǎo)的血管內(nèi)皮生長因子,證實了內(nèi)皮生長因子能夠擴大預(yù)制皮瓣面積,減少預(yù)構(gòu)時間。由此可見,預(yù)構(gòu)皮瓣動物模型能夠研究預(yù)構(gòu)皮瓣的血管化機制、促皮瓣存活的方案以及幫助臨床設(shè)計高效、可靠的預(yù)構(gòu)皮瓣。

3 討論與展望

皮瓣實驗動物模型在皮瓣技術(shù)的發(fā)展、皮瓣血運、生理和完善外科技術(shù)方面發(fā)揮著重要作用。然而,動物的血管解剖結(jié)構(gòu)始終與人存在著差異,這意味著動物模型的實驗結(jié)果運用于臨床時,仍具有一定的局限性。而在其他方面,現(xiàn)有的皮瓣動物模型對皮瓣微循環(huán)、血管再生及缺血后再灌注損傷都提供了一定的理論基礎(chǔ),也驗證了許多行之有效的提高皮瓣存活率的方案。但是許多動物模型仍存在一定的缺點,如動物模型的建立普遍需要較高的顯微外科技術(shù);跨區(qū)穿支皮瓣、骨肌皮瓣動物模型都存在觀察期較短的問題;部分模型可重復(fù)性差等。而臨床上也有許多問題亟待解決,例如移植排異反應(yīng)、移植皮瓣感覺重建、皮瓣修復(fù)效果等,因此仍需利用皮瓣動物模型進行進一步研究,有望在未來解決如上問題。

此外,盡快發(fā)展出科學(xué)可靠的非活體動物模型用于基礎(chǔ)教學(xué)、臨床技術(shù)訓(xùn)練,也值得深入探究。

綜上所述,根據(jù)動物各自的優(yōu)點和特性,結(jié)合臨床需求,改善現(xiàn)有的皮瓣動物模型,使得皮瓣在創(chuàng)傷骨科、整形外科、修復(fù)重建等方向得到廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。