肩袖損傷動物模型及其修復(fù)效果影響因素

李嘉，徐叢，顧建民，常乾坤，戴海峰

(承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，河北承德067000)

肩袖損傷動物模型及其修復(fù)效果影響因素

李嘉，徐叢，顧建民，常乾坤，戴海峰

(承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，河北承德067000)

肩袖損傷是造成肩關(guān)節(jié)功能下降、疼痛的一種常見疾病，肩袖撕裂嚴(yán)重影響肩關(guān)節(jié)的外展功能。目前，各種動物模型和修復(fù)方法用于肩袖損傷領(lǐng)域的研究。動物模型主要包括大鼠、兔、犬、羊以及靈長類動物，其在肩袖損傷修復(fù)的研究中具有不可代替的作用，但是至今沒有一種動物模型能夠完全模擬人類肩關(guān)節(jié)的活動特征。為了提高肩袖修補(bǔ)術(shù)的手術(shù)成功率，大量的動物模型被廣泛用于肩袖撕裂后治療方法的改進(jìn)，包括術(shù)中肩袖撕裂縫合方式、肩袖撕裂固定方式，以及成體干細(xì)胞、生長因子、富血小板血漿等促進(jìn)受損肩袖組織愈合的生物材料和生物因子，為臨床上提高肩袖損傷治愈率提供可靠保證。

肩袖損傷；動物模型；腱-骨愈合

肩袖撕裂是最常見的肩關(guān)節(jié)損傷，是導(dǎo)致肩關(guān)節(jié)疼痛、功能減弱的主要原因。近年來對肩袖損傷修復(fù)的理論、動物實(shí)驗(yàn)及臨床研究日益深入，尤其是實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展迅速。動物模型被廣泛應(yīng)用于肩袖損傷領(lǐng)域的研究，不僅有助于深入了解肩袖損傷的病理過程及肩關(guān)節(jié)的生物力學(xué)變化，同時還能確保新的治療技術(shù)應(yīng)用于人體之前的安全性和有效性。本文對肩袖損傷動物模型的應(yīng)用及其修復(fù)效果影響因素作一綜述。

1 肩袖損傷的常用動物模型及特點(diǎn)

動物模型被廣泛應(yīng)用于肩袖損傷和修復(fù)的研究中，其中包括大鼠、兔、犬、羊以及靈長類動物模型[1～5]。在體試驗(yàn)往往受制于觀察方法、試驗(yàn)手段等，而動物模型可提供一致性和可重復(fù)性損傷,可對肩袖撕裂的病理過程進(jìn)行完整研究，亦可進(jìn)行侵入性治療效果的觀察。肩關(guān)節(jié)解剖特點(diǎn)不同，每種模型都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。無論使用何種動物模型模仿人類肩袖損傷，都應(yīng)具備以下特點(diǎn)：①損傷肌腱具有自發(fā)性愈合或瘢痕形成能力；②損傷后關(guān)節(jié)液發(fā)生相應(yīng)改變；③肌腱的大小允許使用人體相關(guān)的修復(fù)技術(shù)；④能進(jìn)行可控性術(shù)后康復(fù)鍛煉。

1.1 大鼠肩袖損傷模型 大鼠岡上肌相對發(fā)達(dá)，肩關(guān)節(jié)的喙突、鎖骨、肩峰和骨性結(jié)構(gòu)的連接韌帶共同組成拱形結(jié)構(gòu)，岡上肌走形其下，肩關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)被認(rèn)為與人類最為相似[6]。且大鼠肩關(guān)節(jié)外展活動度大，可達(dá)到50°。大鼠動物模型常用于肩袖撕裂(尤其是岡上肌)損傷機(jī)制的研究，還可觀察肩袖急性撕裂后的腱-骨愈合以及術(shù)后活動對肩袖損傷后修復(fù)的影響等[7]。但大鼠體型較小，手術(shù)操作難度大，不適用于采用人類相似技術(shù)修復(fù)肩袖損傷效果的觀察研究；其肌肉體積較小，缺乏必要的脂肪浸潤積累，在肩袖慢性損傷中的病理機(jī)制與人類相差較大[8]。

1.2 兔肩袖損傷模型 兔的肩胛下肌與人類有類似的解剖學(xué)和生物力學(xué)特性，特別適用于研究肩袖損傷后的肌肉變化(肌肉萎縮、脂肪浸潤等)[9]，還常用來觀察各種生長因子、組織工程學(xué)材料對肩袖損傷的治療效果[10, 11]。此外，兔的肩袖肌腱包括與人類相似的肌腱到骨的移行區(qū)域，可用于腱-骨愈合的研究。需要注意的是，兔的肩峰是相對發(fā)育不全的結(jié)構(gòu)，其下走形的是岡下、小圓肌腱而非岡上肌腱。

1.3 大型動物肩袖損傷模型 與靈長類動物或小型四足動物肩胛下肌占主導(dǎo)作用不同，蹄類四足動物(豬、牛、羊等)岡下肌在肩袖活動中占主導(dǎo)作用，主要與此類動物前肢需承受更大的負(fù)重、下肢站立時力線更直、肩關(guān)節(jié)活動范圍相對較小有關(guān)。羊的岡下肌形狀、大小與人類相似，并且都存在微脈管系統(tǒng)，是研究肩袖撕裂病理過程的良好模型，尤其適用于觀察慢性肩袖撕裂的病理變化[4]。犬模型的優(yōu)點(diǎn)在于肩袖損傷修復(fù)后康復(fù)計劃的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，例如犬能夠進(jìn)行肩關(guān)節(jié)功能固定及跑步機(jī)上長時間的運(yùn)動，可以研究肌肉萎縮、脂肪積累對肩袖損傷的影響。犬模型的局限性在于岡下肌及其肌腱是相對獨(dú)立的關(guān)節(jié)外結(jié)構(gòu)，走形于肩關(guān)節(jié)囊外表面，肌腱的撕裂多不累及關(guān)節(jié)囊的破壞。此外，與人類相比，犬模型肩關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性主要依賴于關(guān)節(jié)囊和盂肱韌帶，犬的肩胛骨沒有喙突結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的喙肩韌帶，不能完全覆蓋肩袖結(jié)構(gòu)[12, 13]。因此，犬模型不適合于外在因素對肩袖疾病影響的研究。此外，犬、羊、牛等動物體型較大，手術(shù)后會立即使用前肢，這種站立負(fù)重會增加肩袖損傷修復(fù)失敗的概率；并且他們生長發(fā)育周期較長，圍手術(shù)期飼養(yǎng)與管理成本較高，難以進(jìn)行大樣本的研究。

2 影響肩袖損傷動物模型修復(fù)效果的因素

肩袖撕裂大多不能夠自發(fā)愈合，而且隨著時間的推移，撕裂面積可能會逐漸增大，肩袖損傷兔模型術(shù)后3周未發(fā)現(xiàn)可以自愈的證據(jù)；而在小鼠模型中，術(shù)后12周肌腱周圍未見明顯瘢痕組織形成[14]。因此，肩袖撕裂后往往需要手術(shù)修復(fù)。盡管隨著肩關(guān)節(jié)鏡技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)師操作水平的提高，以及肩袖修復(fù)方法、康復(fù)計劃的豐富，肩袖修復(fù)術(shù)后失敗率和再撕裂率仍高達(dá)76%～94%[15]。

2.1 肩袖撕裂縫合方式 目前認(rèn)為，肩袖撕裂縫合方式是影響接觸面積和最大負(fù)載應(yīng)力的主要因素，縫合固定方式的改進(jìn)是肩袖手術(shù)的研究熱點(diǎn)。臨床上常見的關(guān)節(jié)鏡下肩袖撕裂縫合固定方法包括單排縫合、雙排縫合、縫合橋技術(shù)。對于羊急性肩袖撕裂模型，Baums等[16]分別使用單排和雙排縫合技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，并進(jìn)行了生物力學(xué)和MRI影像學(xué)評價，結(jié)果顯示在術(shù)后6周和12周時單排固定較雙排固定有較高的失敗率，而在術(shù)后26周MRI影像學(xué)檢查顯示兩組無明顯差異；說明雙排固定技術(shù)能提供更大的力學(xué)強(qiáng)度，并提高早期腱-骨愈合的速度。Quigley等[17]評估了不同縫合方式對21只兔慢性肩袖撕裂模型術(shù)后穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明縫合橋技術(shù)與單排、雙排縫合相比，其最大伸縮負(fù)荷、能量吸收率、極限負(fù)荷均有顯著提高；該研究認(rèn)為對于慢性肩袖撕裂而言，縫合橋技術(shù)生物力學(xué)特性最好，單排固定技術(shù)最差。在常用縫合方式的基礎(chǔ)之上，不少學(xué)者為了取得最佳腱-骨愈合效果，對其進(jìn)行了改進(jìn)性研究。Ostrander等[18]對18例綿羊的岡下肌撕裂模型分別使用雙排、標(biāo)準(zhǔn)縫合橋和改進(jìn)的三排縫合橋技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的三排縫合橋技術(shù)可以明顯增加肩袖修復(fù)后“足印區(qū)”接觸面積和接觸壓力，提高肩袖修復(fù)后愈合率。了解不同縫合方式的固定強(qiáng)度有助于臨床醫(yī)師提高手術(shù)成功率。Anderl等[19]采用牛肩關(guān)節(jié)模型評估了7種不同縫合技術(shù)的初始固定強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用Speed Bridge (SpB)技術(shù)的初始修復(fù)強(qiáng)度明顯優(yōu)于其他縫合技術(shù)。

2.2 肩袖撕裂固定方式 肩袖手術(shù)的效果不僅與腱-骨接觸面積及接觸壓力有關(guān)，也與縫線和固定錨釘?shù)臄?shù)量、固定力量及局部組織的處理密切相關(guān)。Jost等[20]對增加縫線數(shù)量是否可以提高肩袖修復(fù)模型的生物力學(xué)特性進(jìn)行了分析，該研究分別采用2、4、6列單排褥式縫合技術(shù)和4列雙排褥式縫合技術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其極限應(yīng)力負(fù)荷分別為274、362、572、386 N；同時隨著縫線數(shù)量的增加，其縫合間隙相應(yīng)減小，縫線數(shù)量不變時單排和雙排固定技術(shù)無生物力學(xué)差異。Ficklscherer等[21]研究證實(shí)，與未治療組相比，在肩袖損傷動物模型修復(fù)術(shù)中使用射頻消融技術(shù)處理“足印區(qū)”有更差的生物力學(xué)特性和組織表現(xiàn)。

2.3 其他 肩袖修復(fù)術(shù)后腱-骨界面不愈合是臨床面臨的一個挑戰(zhàn)性問題，隨著現(xiàn)代組織工程學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展，新的修復(fù)技術(shù)和材料為解決這一問題提供了思路和方法。得益于肩袖損傷動物模型的研究，許多促進(jìn)受損肩袖組織愈合的生物材料和生物因子得以開發(fā)、測試并應(yīng)用于臨床，主要包括成體干細(xì)胞、生長因子、富血小板血漿、骨形態(tài)蛋白及肩袖補(bǔ)片等。

成體干細(xì)胞包括骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)、肌腱源性干細(xì)胞、骨膜源性干細(xì)等，其中應(yīng)用最多的是BMSCs。BMSCs來源于中胚層，具有多向分化能力，可分化為肌腱、軟骨、韌帶等，具有促腱-骨愈合的效果。Kida等[22]在術(shù)中使用骨髓干細(xì)胞加強(qiáng)修復(fù)大鼠岡上肌急性撕裂，結(jié)果顯示術(shù)后腱-骨界面的最大失效力、纖維細(xì)胞形態(tài)均明顯優(yōu)于對照組。骨形態(tài)蛋白和富血小板血漿也是近年來研究熱點(diǎn)，多數(shù)研究認(rèn)為骨形態(tài)蛋白可以提高膠原蛋白活性，增加肩袖腱骨界面的抗拉強(qiáng)度，從而促進(jìn)損傷肩袖的腱-骨愈合。而富血小板血漿可以減輕肩袖修復(fù)術(shù)后炎癥反應(yīng)，改善肌腱厚度和連續(xù)性，增加腱-骨愈合的生物力學(xué)強(qiáng)度。肩袖補(bǔ)片主要起到生物支架作用，三維微孔結(jié)構(gòu)有助于細(xì)胞黏附，誘導(dǎo)細(xì)胞增殖，促進(jìn)肩袖組織快速愈合。Ide等[23]對急性巨大肩袖撕裂小鼠采用脫細(xì)胞支架修復(fù)，結(jié)果顯示觀察組在組織學(xué)及生物力學(xué)測試上均優(yōu)于對照組。

雖然上述生物材料和技術(shù)均有助于肩袖損傷后腱-骨愈合，但對其效果尚無統(tǒng)一定論。Lamplot等[24]研究表明，與富血小板血漿相比，骨形態(tài)發(fā)生蛋白13能更有效地促進(jìn)腱-骨愈合，有更好的生物力學(xué)特性。而Chung等[25]將80只肩袖撕裂家兔隨機(jī)分為4組(單純修復(fù)組、修復(fù)+富血小板血漿組、修復(fù)+豬真皮膠原膜組、修復(fù)+富血小板血漿+豬真皮膠原膜組)，并進(jìn)行組織學(xué)和力學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)富血小板血漿能夠促進(jìn)慢性肩袖撕裂模型的腱-骨愈合，而肩袖補(bǔ)片的修復(fù)效果甚微。

綜上所述，肩袖損傷修復(fù)仍然是臨床上的一個難題，雖然至今沒有一種動物模型能夠完全模擬人類肩關(guān)節(jié)的活動特征，但其在人類肩袖損傷修復(fù)的研究中仍具有不可代替的作用。隨著各種理論、修復(fù)技術(shù)、組織工程學(xué)材料的不斷更新，動物模型能夠進(jìn)一步驗(yàn)證其作用效果，為臨床上提高肩袖損傷的治療效果提供依據(jù)。

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