肩袖損傷動物模型及其修復效果影響因素

李嘉，徐叢，顧建民，常乾坤，戴海峰

(承德醫學院附屬醫院，河北承德067000)

肩袖損傷動物模型及其修復效果影響因素

李嘉，徐叢，顧建民，常乾坤，戴海峰

(承德醫學院附屬醫院，河北承德067000)

肩袖損傷是造成肩關節功能下降、疼痛的一種常見疾病，肩袖撕裂嚴重影響肩關節的外展功能。目前，各種動物模型和修復方法用于肩袖損傷領域的研究。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節的活動特征。為了提高肩袖修補術的手術成功率，大量的動物模型被廣泛用于肩袖撕裂后治療方法的改進，包括術中肩袖撕裂縫合方式、肩袖撕裂固定方式，以及成體干細胞、生長因子、富血小板血漿等促進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節損傷，是導致肩關節疼痛、功能減弱的主要原因。近年來對肩袖損傷修復的理論、動物實驗及臨床研究日益深入，尤其是實驗研究發展迅速。動物模型被廣泛應用于肩袖損傷領域的研究，不僅有助于深入了解肩袖損傷的病理過程及肩關節的生物力學變化，同時還能確保新的治療技術應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用及其修復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

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

1.1 大鼠肩袖損傷模型 大鼠岡上肌相對發達，肩關節的喙突、鎖骨、肩峰和骨性結構的連接韌帶共同組成拱形結構，岡上肌走形其下，肩關節解剖結構被認為與人類最為相似[6]。且大鼠肩關節外展活動度大，可達到50°。大鼠動物模型常用于肩袖撕裂(尤其是岡上肌)損傷機制的研究，還可觀察肩袖急性撕裂后的腱-骨愈合以及術后活動對肩袖損傷后修復的影響等[7]。但大鼠體型較小，手術操作難度大，不適用于采用人類相似技術修復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和生物力學特性，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，兔的肩峰是相對發育不全的結構，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作用，主要與此類動物前肢需承受更大的負重、下肢站立時力線更直、肩關節活動范圍相對較小有關。羊的岡下肌形狀、大小與人類相似，并且都存在微脈管系統，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]。犬模型的優點在于肩袖損傷修復后康復計劃的可重復性和準確性，例如犬能夠進行肩關節功能固定及跑步機上長時間的運動，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立的關節外結構，走形于肩關節囊外表面，肌腱的撕裂多不累及關節囊的破壞。此外，與人類相比，犬模型肩關節的穩定性主要依賴于關節囊和盂肱韌帶，犬的肩胛骨沒有喙突結構及相應的喙肩韌帶，不能完全覆蓋肩袖結構[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，手術后會立即使用前肢，這種站立負重會增加肩袖損傷修復失敗的概率；并且他們生長發育周期較長，圍手術期飼養與管理成本較高，難以進行大樣本的研究。

2 影響肩袖損傷動物模型修復效果的因素

肩袖撕裂大多不能夠自發愈合，而且隨著時間的推移，撕裂面積可能會逐漸增大，肩袖損傷兔模型術后3周未發現可以自愈的證據；而在小鼠模型中，術后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修復。盡管隨著肩關節鏡技術的發展，醫師操作水平的提高，以及肩袖修復方法、康復計劃的豐富，肩袖修復術后失敗率和再撕裂率仍高達76%～94%[15]。

2.1 肩袖撕裂縫合方式 目前認為，肩袖撕裂縫合方式是影響接觸面積和最大負載應力的主要因素，縫合固定方式的改進是肩袖手術的研究熱點。臨床上常見的關節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。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進行修復，并進行了生物力學和MRI影像學評價，結果顯示在術后6周和12周時單排固定較雙排固定有較高的失敗率，而在術后26周MRI影像學檢查顯示兩組無明顯差異；說明雙排固定技術能提供更大的力學強度，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后穩定性的影響，結果表明縫合橋技術與單排、雙排縫合相比，其最大伸縮負荷、能量吸收率、極限負荷均有顯著提高；該研究認為對于慢性肩袖撕裂而言，縫合橋技術生物力學特性最好，單排固定技術最差。在常用縫合方式的基礎之上，不少學者為了取得最佳腱-骨愈合效果，對其進行了改進性研究。Ostrander等[18]對18例綿羊的岡下肌撕裂模型分別使用雙排、標準縫合橋和改進的三排縫合橋技術進行修復，結果發現改進的三排縫合橋技術可以明顯增加肩袖修復后“足印區”接觸面積和接觸壓力，提高肩袖修復后愈合率。了解不同縫合方式的固定強度有助于臨床醫師提高手術成功率。Anderl等[19]采用牛肩關節模型評估了7種不同縫合技術的初始固定強度，結果發現使用Speed Bridge (SpB)技術的初始修復強度明顯優于其他縫合技術。

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

2.3 其他 肩袖修復術后腱-骨界面不愈合是臨床面臨的一個挑戰性問題，隨著現代組織工程學和生物技術的發展，新的修復技術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，許多促進受損肩袖組織愈合的生物材料和生物因子得以開發、測試并應用于臨床，主要包括成體干細胞、生長因子、富血小板血漿、骨形態蛋白及肩袖補片等。

成體干細胞包括骨髓間充質干細胞(BMSCs)、肌腱源性干細胞、骨膜源性干細等，其中應用最多的是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]在術中使用骨髓干細胞加強修復大鼠岡上肌急性撕裂，結果顯示術后腱-骨界面的最大失效力、纖維細胞形態均明顯優于對照組。骨形態蛋白和富血小板血漿也是近年來研究熱點，多數研究認為骨形態蛋白可以提高膠原蛋白活性，增加肩袖腱骨界面的抗拉強度，從而促進損傷肩袖的腱-骨愈合。而富血小板血漿可以減輕肩袖修復術后炎癥反應，改善肌腱厚度和連續性，增加腱-骨愈合的生物力學強度。肩袖補片主要起到生物支架作用，三維微孔結構有助于細胞黏附，誘導細胞增殖，促進肩袖組織快速愈合。Ide等[23]對急性巨大肩袖撕裂小鼠采用脫細胞支架修復，結果顯示觀察組在組織學及生物力學測試上均優于對照組。

雖然上述生物材料和技術均有助于肩袖損傷后腱-骨愈合，但對其效果尚無統一定論。Lamplot等[24]研究表明，與富血小板血漿相比，骨形態發生蛋白13能更有效地促進腱-骨愈合，有更好的生物力學特性。而Chung等[25]將80只肩袖撕裂家兔隨機分為4組(單純修復組、修復+富血小板血漿組、修復+豬真皮膠原膜組、修復+富血小板血漿+豬真皮膠原膜組)，并進行組織學和力學測試，發現富血小板血漿能夠促進慢性肩袖撕裂模型的腱-骨愈合，而肩袖補片的修復效果甚微。

綜上所述，肩袖損傷修復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節的活動特征，但其在人類肩袖損傷修復的研究中仍具有不可代替的作用。隨著各種理論、修復技術、組織工程學材料的不斷更新，動物模型能夠進一步驗證其作用效果，為臨床上提高肩袖損傷的治療效果提供依據。

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