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方法文章

一种高效且可重复的大鼠牵张成骨实验方案以实现功能性股骨再生

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DOI：

10.3791/56433

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2017年10月23日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1CNRS, ISM, Inst Movement Sci, Aix Marseille Univ, 2Sainte-Marguerite Hospital, Institute for Locomotion, Department of Orthopaedics and Traumatology, APHM, 3Sainte-Marguerite Hospital, Institute for Locomotion, Department of Peadiatric Orthopaedics, APHM, 4Ecole centrale de Marseille, 5Faculté de Pharmacie, Laboratoire de Biochimie, 6Service Central de la Qualité et de l'Information Pharmaceutiques, APHM

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本研究描述了一种可重复且详细的实验方案，该方案使用新开发的外固定器在大鼠股骨模型中进行牵张成骨（DO），在移除外固定器后可允许动物进行生理性的负重活动。

摘要

本方案描述了一种新开发的外固定架在大鼠股骨模型中用于牵张成骨的技术。牵张成骨（DO）是一种在截骨术后通过逐步牵拉使骨段分离，从而实现骨再生的外科技术。通过缓慢牵拉使截骨后的骨段逐渐分离，以达到预期的延长效果。该技术在临床上广泛应用于下肢和上肢的肢体延长、骨不连的治疗、骨肿瘤切除术后骨缺损的修复，以及颌面重建手术。仅有少数研究能够明确证明其方案在获得功能性再生骨方面的有效性。 即，骨组织能够在拆除外固定器后承受生理负重而不发生骨折。此外，牵张成骨（DO）的操作方案存在差异，且由于缺乏详细信息导致可重复性受限，使得不同研究之间的比较困难。本研究旨在建立一种可重复的实验方案，包括适用于大鼠肢体延长的合理外固定器设计，并提供详细的手术技术，使动物在拆除外固定器后能够实现生理负重。

引言

牵张成骨术（distraction osteogenesis, DO）是一种在临床上广泛应用的外科技术1,2,3,4，用于人类下肢1,2和上肢3的延长、骨不连的治疗、骨肿瘤切除术后骨缺损的修复，以及颌面重建4。DO通过在骨骼中植入外固定器并进行截骨后，实现骨再生。截骨后的骨段通过逐步牵张2被缓慢分离，以达到预期的延长长度。随后进入巩固期，在此期间不再进行延长。

牵张成骨术（DO）操作分为三个明确的阶段：潜伏期、牵张期和巩固期。通常，在截骨术后立即开始为期7天的潜伏期4。此阶段允许骨修复启动愈合过程的初始步骤4。潜伏期之后是牵张期，在此期间对再生的骨痂及周围软组织施加牵张力1,2,4。当达到预期延长长度后，停止牵张，进入巩固期。在此期间，外固定器保持原位，直至再生骨具备足够的功能以支持其拆除。

DO 的多种参数会影响骨修复，例如延长长度和延长速率、外固定器类型、牵张频率、骨痂愈合期长度，或施加于牵张骨痂的机械应力类型。例如，延长的速率和频率可能导致过早骨痂愈合5，或因在骨痂内形成坏死组织或囊肿等不可逆损伤而中断修复过程6,7。

许多牵张成骨（DO）方案已应用于不同的动物模型8,9,10，以研究骨修复过程并最大程度促进骨愈合。在大鼠中，大多数研究11,12,13,14,15集中于如何通过加快骨痂的成熟来缩短DO治疗周期。部分实验研究采用了已商业化用于人类临床应用的外固定器5,13,15,16。然而，这类外固定器并不适用于大鼠股骨的牵张成骨，因为大鼠股骨具有与人类股骨不同的解剖特征。此外，仅有少数研究明确证明了其方案在获得功能性再生骨方面的有效性7,16。因此，由于各DO研究之间采用的方案不同，且缺乏关于外固定器的详细信息，导致不同研究结果难以进行比较12,13,14,17。

因此，本研究旨在通过大鼠模型，描述一种高效且可重复的股骨牵张成骨（DO）方案，以实现功能性再生骨的形成。为此，我们设计了一种专用于大鼠股骨的自制且易于使用的外固定器，并在本方案中对其进行了详细描述。在制定该装置的技术规格时，我们充分考虑了所有关键因素，以确保机械应力的良好分布，并避免残余应力的产生。技术要求包括：装置具有合适的几何结构，以对骨骼及周围组织施加纯粹的牵拉力；重量适中，不影响动物行走；可控制骨延长的长度；骨段对位良好，且在骨针与骨骼交界处不产生剪切应力。此外，该装置必须能够在动物不接受镇静的情况下进行牵张操作，同时具备生物相容性，并可在不损坏的前提下进行灭菌。经过7周的骨愈合期后，该大鼠股骨DO方案成功获得了功能性的再生骨，表现为拆除外固定器后，动物能够正常负重行走，且再生骨痂未发生骨折。动物正常的步态与通过显微CT分析再生骨痂及X线分析所获得的结构参数结果一致。

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方案

所述所有操作均经艾克斯-马赛大学机构动物护理和使用委员会以及法国研究部批准，并在马赛医学院（法国）的传统动物房内进行。

1. 根据以下指南确定外固定器的功能规格

  1. 优化骨锚固。
    1. 植入半螺纹针，螺纹部分直径为 1 mm。
  2. 选择可减少动物不适的设计。
    1. 选择体积较小的外固定器，使其能够容纳于 7,723 mm3（32 mm × 19 mm × 12.7 mm）的空间内。
    2. 选择重量较轻的外固定器，不含针时重量应低于 13 g，以避免干扰动物步态。由于铝的密度较低，宜选用铝材制作两个固定块。
      注：固定块的倒角设计可显著减轻两部件的重量。
  3. 控制固定器的运动，使拉伸力方向始终保持与骨的方向平行，并确保施加纯拉伸力。
    1. 使用穿过两个固定块的滑动杆。对固定块进行开槽处理，使每个块可承载两根针。
    2. 使用一侧光滑、可在固定块内自由旋转且便于手指抓握，另一侧带螺纹、通过旋转可移动第二个固定块的延长螺钉。在骨折两侧的骨上各锚定两根针，以保持拉伸力方向与骨的方向平行。将拉伸力维持在骨的纵轴上，以实现针上应力的良好分布。使用锁紧螺钉固定四根针。
  4. 选择可耐受灭菌温度的材料，如铝、钛和钢。
  5. 确保针的放置位置与外固定器的几何结构相匹配（图 1-B）。
    1. 使用包含夹紧在骨上的夹具的钻孔导向器，以维持钻孔位置的准确性。
    2. 缩短夹具的力臂以降低夹紧力。将夹具置于装置中部、未来骨折位置的上方，以留出两侧操作空间。
  6. 通过增加滚花螺钉来方便手动调节牵开距离，以紧固和释放移动块。
    1. 使用足够宽的螺钉，以便仅用手指即可操作。
    2. 在两个固定块之间的延长螺钉中部添加一个带孔的方螺母，以便于进行牵开操作。
    3. 将该方螺母（每边 8 mm）设计得比两个固定块更大，以便可用细针或任何其他工具手动操作。旋转螺钉 ¼ 圈可实现 0.125 mm 的延长。

2. 手术

注意：所有手术操作均需助手协助。选取4只12周龄雄性Sprague Dawley大鼠，喂饲标准实验室饮食 随意摄取.

  1. 准备手术器械。
    1. 对以下所有手术器械进行灭菌：1 把骨膜剥离器、2 把 Senn 拉钩、1 把微型 Olsen-Hegar 持针器、1 把 Mayo-Hegar 持针器、1 把梅奥剪刀和 1 把手术刀。
    2. 对外固定架、钻孔导向器、4 枚半螺纹钉、4 枚锁定螺钉、钻头的钻针和钻绳，以及骨切割仪的钻针和钻绳进行灭菌。采用 135 °C 高压蒸汽灭菌 18 分钟完成灭菌。
    3. 在手术台的无菌区域下方安装加热垫。将所有器械或工具放置在另一无菌区域上。
  2. 麻醉并准备动物。
    1. 称量大鼠体重，以配制麻醉剂和镇痛剂混合液。
    2. 根据体重确定并计算布托啡诺和卡洛芬的用量，现配镇痛混合液。分别使用布托啡诺（0.03 mg/mL）按 0.05 mg/kg 和卡洛芬（5 mg/mL）按 5 mg/kg 给药。
    3. 固定大鼠，并皮下注射镇痛混合液。 等待数秒后，再腹腔注射麻醉混合液。
    4. 使用电动剃刀剃除右侧后肢毛发，并用聚维酮碘溶液对肢体进行消毒。
    5. 将动物侧卧放置（右侧朝上）于无菌区域，以便将外固定架正确置于股骨内外侧轴线上。
    6. 在动物头部覆盖无菌敷料，以保护其术中眼睛。
  3. 在股骨上植入外固定架。
    1. 标记皮肤切口位置。使用记号笔在远端（膝部）和近端（髋部）沿矢状面中线分别标记一点，然后连接两点画一条直线。
    2. 沿所画线用手术刀切开已拉紧的皮肤。
    3. 使用手术刀在 biceps femoris 和 vastus lateralis 肌肉之间进行分离，直至完全暴露股骨。使用 2 把 Senn 拉钩（可能需要助手协助）以方便肌肉切开。
    4. 使用骨膜剥离器抬起骨膜，并将软组织从骨面分离。
    5. 检查暴露的股骨长度是否足够。
      1. 将固定钉插入外固定架最远端和最近端的孔中。
      2. 放置外固定架，确认两枚钉均可牢固锚定于股骨内。
    6. 在股骨上植入 4 枚平行的 1 mm 半螺纹钉。
      1. 取钻孔导向器，用 2 把 Senn 拉钩撑开肌肉，将导向器夹钳牢固固定于股骨中段。
      2. 使用电钻通过导向器上的 4 个导孔，以 2,000 rpm 转速、直径 0.6 mm 的金属钻头在股骨上钻出 4 个预孔。
        1. 先钻最远端和最近端的孔，再钻中间两个孔。注意穿透双侧皮质，但避免损伤股骨下方的软组织。
      3. 取下钻孔导向器。
      4. 使用 0.8 mm 半螺纹钉扩孔 4 个预孔。
        1. 将 0.8 mm 半螺纹钉在 0.6 mm 预孔中前后旋转推进。注意保持与股骨垂直，并穿透双侧皮质。
      5. 植入 1 mm 半螺纹钉。
        1. 使用持针器夹住 1 mm 半螺纹钉的钉头。
        2. 将钉缓慢旋入以扩大预孔。使用 Senn 拉钩检查确认钉已穿透双侧皮质，且突出骨面不超过 1 mm。
      6. 将外固定架连接至 4 枚半螺纹钉。确保偏移量（固定架两夹块与骨面之间的距离）约为 6 mm，以保证缝合便利性和系统的良好刚性18。
      7. 拧紧 4 枚锁定螺钉，使外固定架牢固锁定于各钉上。
  4. 对股骨进行截骨。
    1. 使用骨切割仪在两枚中央固定钉之间进行截骨。
    2. 使用可吸收缝线（5.0）和 Mayo-Hegar 持针器行连续缝合关闭切口。确保仅缝合皮肤，不缝合肌肉组织。
  5. 验证手术效果并监测动物状态。
    1. 术后立即在动物仍处于麻醉状态下进行 X 光检查。确认所有固定钉的植入深度，并检查截骨端是否沿股骨长轴对齐。
    2. 通过皮下注射布托啡诺（0.03 mg/mL）和恩诺沙星（50 mg/mL），分别按 0.05 mg/kg 和 10 mg/kg 给药，以确保镇痛和抗菌预防。 
    3. 根据体重计算阿替美唑用量以逆转麻醉。使用阿替美唑按 1 mg/kg 皮下注射给药。 让动物苏醒后放回笼中。
    4. 术后 6 小时，皮下注射第二剂镇痛混合液（布托啡诺和卡洛芬），剂量分别为 0.05 mg/kg 和 5 mg/kg。 
      术后至少连续 3 天，每日两次给予镇痛混合液，每日一次给予抗菌预防药物。需定期进行临床检查，评估镇痛效果，并根据每只动物的行为表现调整用药方案。 
    5. 检查动物术后次日是否能正常使用手术侧后肢行走。

3. 牵引

  1. 将外固定架保持在中立固定位置1周。在此阶段结束时对肢体进行X光检查，确认钢针位置及骨段对位情况。
  2. 手动将方形螺母顺时针旋转半圈（0.25 mm），每12小时一次，进行牵张。持续牵张10天，预计实现5 mm的骨延长，相当于手术骨段初始长度的12%延长。
    1. 此步骤无需对动物进行麻醉。在此期间中途及结束时对肢体进行X光检查，以确认钢针位置及骨段对位情况。
  3. 继续保留外固定架47天。每周对肢体进行X光检查，观察牵张间隙钙化进展。第64天时拆除外固定架，让动物自由行走2天（至第66天）。总骨愈合期为7周。
  4. 在骨愈合7周后，使用过量吸入式七氟烷对所有大鼠实施安乐死。
  5. 完整切除牵张侧及对侧股骨，不保留周围软组织。
    1. 使用手术刀沿矢状面切开位于中线处的瘢痕皮肤，切口从髋部顶端延伸至膝关节前方。
    2. 用手术刀在biceps femoris和vastus lateralis之间切开，直至完全暴露股骨。尽可能分离附着于骨上的肌肉组织。
    3. 切断膝关节所有韧带，拆解关节结构。
    4. 切开髋关节关节囊。
    5. 彻底清理骨骼，但保留半螺纹钢针。使用手术刀去除所有软组织。
  6. 对对侧股骨重复步骤3.5.1至3.5.5。
  7. 对牵张侧及对侧股骨进行X光检查。取出4枚半螺纹钢针，将所有股骨在-20 °C下保存，用于后续显微CT扫描分析（分辨率为10 µm）。

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结果

从手术结束到骨愈合期结束所拍摄的X射线图像显示，股骨中的半螺纹针未出现松动，表明固定稳定。针体平行且保存良好。在牵张成骨（DO）过程中，截骨端沿骨的长轴良好对齐（图2）。在潜伏期结束时，未见钙化区域（图2B）。在牵张期结束时，靠近原有皮质骨处可见少量钙化区域（图2C）。经过28天的骨愈合（第45天），截骨端间隙中的非钙化区域缩小，且不仅在间隙周围，而且在针道水平也观察到骨膜性骨痂形成（图2D）。经过47天的骨愈合（第64天），再生骨痂已完全桥接（图2E）。拆除外固定器并进行2天生理性负重后，动物步态恢复正常，未见骨折迹象（

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讨论

本研究描述了一种可重复的实验方案，包括适用于大鼠肢体延长的合适外固定架设计，以及详细的外科技术，使得在移除外固定架后动物能够进行生理性的负重活动。我们的牵张成骨（DO）方案获得了具有功能性的再生骨组织。在47天的骨愈合期后，移除自制的外固定架并让动物进行2天的生理性负重，未引起再生骨痂的任何骨折。通过显微CT重建可观察到完全桥接的骨痂，证实了再生骨痂具备功能。先前的研究已明确表明，钙化桥接的存在与再生骨痂所能承受的载荷之间存在正相关关系19。此外，再生骨痂的体积骨密度（vBMD）约为对侧肢体股骨干骺端vBMD的67%20。我们还发现，再生骨痂的平均vBMD接近此前文献报道的数值21。这说明自制外固定架创造了稳定的力学环境，从而促进了有效的骨修复。此外，该外固定架在动物体内耐受性良好。外固定架的安装位置合理且重量轻，未影响动物的步态，因此动物在术后即可正常行走。

在整个实验过程中，未发生任何钢针断裂或松动的情况，这表明穿针操作确保了钢针在股骨...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作由法国国家科学研究中心（CNRS）Mecabio 挑战计划资助和支持。

作者感谢动物护理技术人员在整个实验过程中对动物的悉心照料。作者还感谢里昂IVTV中心的Thierry Hoc。感谢Marjorie Sweetko对语言的修改。

我们感谢 Marylène Lallemand、Cécile Génovésio 和 Patrick Laurent 对本实验研究的贡献。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
KétamineRenaudin578 540-2由动物房提供
Médé托米丁Virbac6799091由动物房提供
七氟烷Centravet567 477-2由动物房提供
布托啡诺Indivor France3400932731060由动物房提供
恩诺沙星ChannelPharmaceutical FacturingFR/V/4955220由动物房提供
PiezotomeSatelec ActeonF57510
加热宠物垫TherasageAL8365936动物房供应
牙科X光S.A.R.L 创新公司é牙科与牙体相关WYZ - BLUEX
Winiwix 软件Softys 牙科PFT
微型计算机断层扫描系统nanoScan SPECT/CTGEIT-31105ZH（05/14）由里昂IVTV中心分包
微计算机断层扫描分析软件phoenix datos X2 重建无免费软件
电动剃须刀力量GT415由动物房提供
Senn’s 拉钩Word Precision Instruments501718钝化版本
聚维酮碘溶液Mundipharma 医疗公司D08AG02由动物房提供
可吸收缝合线（5.0）EthiconJV1023由动物房提供
鲁吉涅Word Precision Instruments503406
Mayo-Hegar持针器Word Precision InstrumentsV503382
金属钻头BeuterlockV020944018003
微型 Olsen-Hegar 持针器Word Precision Instruments501989
梅奥剪刀Word Precision Instruments501752
手术刀Word Precision Instruments500236
斯普拉格-多利（Sprague-Dawley）让维耶无12 周，雄性

参考文献

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