用于转化性血管化复合组织异体移植研究的大鼠改良异位后肢骨肌皮瓣模型

摘要

血管化复合组织异体移植为移植受者带来改变生命的效果，但移植物排斥反应和血管病变的生物学机制仍不甚清楚。本文介绍的啮齿类动物手术模型提供了一种可重复且具有临床相关性的移植模型，使研究人员能够评估排斥事件以及预防这些事件发生的潜在治疗策略。

摘要

血管化复合组织异体移植（VCA）是重建外科领域的一个相对较新的方向。人类VCA的临床成果包括手部和面部移植，以及近期开展的腹壁、子宫和泌尿生殖系统移植。功能恢复效果已超过最初的预期，大多数受者的生活质量得到显著改善。然而，随着临床经验的积累，慢性排斥反应以及免疫抑制治疗带来的并发症亟需解决。在许多移植物失功的病例中，其根本病理机制为缺血性血管病变。与VCA相关的急性和慢性排斥反应，尤其是缺血性血管病变的生物学机制，是当前重要的研究领域。然而，由于VCA患者数量极少，对所提出机制的评估更适合在实验模型中进行。多个研究团队已采用动物模型来探讨VCA排斥反应和血管病变中一些尚未解决的关键问题。文献中已报道了涉及多种物种的多种模型设计。本文介绍一种可在大鼠中重复建立的异位后肢骨肌皮瓣VCA模型，适用于转化型VCA研究。该模型允许对移植物进行系列评估，包括组织活检和多种影像学手段，同时保持较低的发病率。

引言

由于截肢、爆炸伤、恶性肿瘤和先天性缺陷导致的灾难性组织缺损，其重建手术受到患者自体组织来源有限以及供区额外并发症的限制。在某些情况下，例如烧伤患者或四肢截肢者，患者自身无法提供可用于重建的可行组织。1964年，首例现代手移植手术在厄瓜多尔实施。尽管手术技术上成功，但当时可用的免疫抑制治疗不足以防止排斥反应，移植物在不到3周内即丢失¹。1998年和1999年，在免疫抑制治疗的现代时代，首例手移植手术分别在法国里昂²和美国肯塔基州路易维尔³成功实施。这是重建外科医生首次得以实现“以同类组织替代同类组织”。面部移植手术于2005年首次完成⁴，目前其他多种血管化复合组织移植（VCA）也已常规开展，例如腹壁⁵、子宫以及泌尿生殖系统移植⁶。

与实体器官移植不同，大多数血管化复合组织移植（VCA）技术涉及具有高度抗原性的供体皮肤。临床经验表明，皮肤的急性排斥反应相对容易控制，但可能促进对治疗反应不佳的深层组织和血管的慢性排斥反应⁷。与同种免疫反应相关的血管功能障碍是VCA领域更为严峻的障碍⁷。大血管病变可导致灌注不足、愈合延迟以及促炎状态。在手移植受者中，既可出现融合性侵袭性大血管血管病变，也可出现局灶性内膜增生⁷。此外，微血管病变也可能导致VCA相关并发症，甚至可能引发排斥事件。尽管免疫性和非免疫性因素均可能在手移植受者的血管病变中发挥作用，但目前尚不清楚促进VCA中远端血管功能障碍的具体机制，尤其是在低级别慢性排斥反应的背景下。这些未解的问题迫切需要建立一种动物VCA模型，以便在VCA排斥/维持及血管病变的临床病程中对移植物进行系列评估。此类模型将有助于揭示在免疫抑制、感染挑战和/或其他术后创伤性损伤情况下排斥反应和血管病变的发生机制^8,9。

本文介绍了一种同种异体大鼠VCA异位后肢骨肌皮瓣模型。基于先前已发表的VCA模型，该手术技术操作简便，可大规模重复实施，且对受体动物造成的发病率和不适程度极低。该模型旨在便于对VCA的接受与排斥进行临床及组织病理学评估，同时为研究参与排斥反应的免疫及非免疫机制提供机会。

方案

所有动物手术均依照路易斯维尔大学机构动物护理和使用委员会（IACUC 批准协议编号 18198）以及美国国立卫生研究院（NIH）批准的方案进行。 实验动物护理和使用的指南¹⁰四个月大的雄性Brown-Norway（RT1.A）大鼠ⁿ）以及4月龄雄性Lewis（RT1.A^l大鼠分别用作VCA供体和受体。

1. 供体异体移植物的获取

1. 使用密闭舱室中的气化异氟烷对供体动物进行镇静。
2. 剃除移植物供区（后肢）以及腹股沟和腹部区域的毛发，随后使用脱毛膏处理，以减少剃毛后残留的细毛。
3. 通过腹腔注射（IP）给予氯胺酮（60 mg/kg）、赛拉嗪（15 mg/kg）和乙酰丙嗪（2 mg/kg）对供体动物实施深度麻醉。初始剂量为0.2 mL/100 g体重，之后每小时追加0.2 mL。 为方便操作，此步骤可在第2步之前进行，属可选操作。
4. 在麻醉过程中持续监测动物的呼吸、体温及麻醉深度，采用脚趾夹捏回缩反射试验进行评估。
5. 术前于颈背部皮下注射30 U肝素溶液，以防止血液凝固。
6. 佩戴口罩、头套、一次性隔离衣和一次性手套。
7. 将供体动物仰卧置于加热垫上。通过术区准备、刷洗和铺巾建立无菌手术区域 ，包括后肢的腹侧和背侧。戴上无菌手套。
8. 使用#15手术刀片在腹股沟凹陷处做3 cm长的皮肤切口，并用虹膜剪将腹股沟脂肪垫向侧方牵开 。
9. 暴露股总动静脉，并使用带弹性带的金属钩牵拉腹壁肌肉。
10. 在解剖显微镜（40倍）下，从腹股沟韧带下方股总动静脉起始处开始，向远端沿移植物至腘动静脉汇合处，游离血管蒂。
11. 使用微型夹和双极珠宝镊结扎并切断较大的动脉和静脉分支，如股外侧旋动静脉、浅腹壁后动静脉、隐动脉和近端股后动静脉，以游离主股动静脉。使用精细双极镊电凝任何细小分支。
12. 使用虹膜剪从先前皮肤切口的中点沿后肢腹侧向踝部做皮肤切口。
13. 垂直切断缝匠肌及其下方的其他内收肌群，以暴露并结扎内侧近端膝状血管、深部分支的小血管以及坐骨神经。
    注意： 此时，在另一张手术台上，另一名外科医生应同时对受体动物进行气管插管并实施麻醉（2.5%–3%异氟烷），以便及时准备受体手术区域，确保移植物植入的同步性，并最大限度缩短移植物的缺血时间。
14. 在供体动物上，在膝关节和踝关节水平做环形皮肤切口。分离膝关节和踝关节，去除多余的肌肉和组织，并在后肢背侧做垂直皮肤切口以完全游离移植物。此时，移植物（包含腓骨和胫骨，覆盖由穿支供血的相关肌肉及皮岛）仅通过血管蒂与供体相连。
15. 尽可能靠近近端在股动脉和股静脉上放置小型夹钳，并尽可能靠近腹股沟韧带处切断血管蒂。
16. 为冲洗移植物内的血液，使用27 G钝头灌注套管向股动脉注入含肝素的生理盐水（30 U/mL）。
    注意： 在肝素冲洗前扩张动脉有助于顺利插入套管。冲洗过程中密切观察股静脉流出液。当流出液变清亮时，停止冲洗。
17. 将分离出的移植物包裹于温热的生理盐水浸湿纱布中，并立即转移至受体动物手术台。此时，受体手术区域应已完成血管吻合的准备工作。
18. 移植物获取后，立即通过造成气胸的方式处死供体大鼠。

2. 受体移植手术

1. 通过麻醉舱使用异氟烷蒸汽进行麻醉诱导后，经呼吸机控制的气管插管，以2.5%–3%异氟烷对受体动物实施深度麻醉。
   注意： 此时，供体大鼠仍处于麻醉状态。
2. 持续监测受体动物的心率、呼吸频率、体温及麻醉深度，采用脚趾夹捏回缩反射试验进行评估。
3. 为防止脱水和低血糖，术前皮下注射2 mL乳酸林格氏液和2.5%葡萄糖，术毕再注射2 mL。
4. 剃除腹股沟区域毛发，随后使用脱毛膏处理，以减少剪毛后残留的细毛。
5. 佩戴口罩、头罩、一次性隔离服及无菌手套。
6. 将动物仰卧置于加热垫上。涂抹眼用软膏，防止麻醉期间角膜擦伤。通过术区准备、刷洗和铺巾，建立无菌手术区域。
7. 使用#15手术刀片在腹股沟凹陷处做3 cm皮肤切口，用虹膜剪将腹股沟脂肪垫向侧方牵开。
8. 暴露股总血管，并使用带弹性带的金属丝钩牵拉腹壁肌肉。
9. 结扎并切断Murphy支。
10. 采用10-0尼龙间断缝线，将供体血管与受体血管分别以静脉端侧吻合技术和动脉端端吻合技术进行吻合。先缓慢松开动脉夹，再松开静脉夹。观察吻合部位有无出血，必要时添加缝线。
11. 肉眼评估血管吻合情况，以确认移植物有效再灌注。
12. 将移植物置入腹股沟袋内，倒置放置，使踝关节朝上，膝关节朝下。
13. 使用固定缝线将移植物固定于邻近肌肉。采用间断水平褥式可吸收4-0缝线缝合皮肤。
14. 将受体动物脱离麻醉并撤离呼吸机。将动物置于加热垫上以维持体温。
    注意： 整个手术时间约为3至4小时，具体时长取决于术者的经验及对操作流程的熟悉程度。
15. 皮下注射美洛昔康（1 mg/kg） 以缓解疼痛，并持续监测直至动物完全恢复并能自主活动。

3. 血管化复合异体移植受者监测

1. 将受体大鼠单独饲养，并每日监测其疼痛、脱水、体重减轻、活动减少等临床症状，以及手术失败（术后前48–72小时）或排斥反应。术后前3天每日皮下注射美洛昔康（1 mg/kg）以控制疼痛。
2. 根据研究终点选择需给予的免疫抑制药物。

4. 组织学

1. 在吸入式异氟烷麻醉（2.5%–3%）下，在预定时间点从供体移植物获取连续的皮肤及皮下肌肉活检样本。 取活检前应对手术区域进行皮肤消毒并铺巾，操作过程中须维持无菌环境和无菌技术。
2. 使用可吸收的4-0缝线缝合伤口，缝合一至两针。将动物放回笼中，使其从麻醉中恢复。
3. 将活检所得组织分别置于含10%福尔马林的独立试管中固定。
4. 在终末时间点，在吸入式异氟烷麻醉（2.5%–3%）下，取跨越供体与受体交界处的较大皮肤活检样本。仔细定位吻合部位的血管蒂对；正确位置可通过缝线识别。从动脉和/或静脉中采集所需血管样本。所有样本分别用10%福尔马林固定。 组织样本采集后，在动物仍处于异氟烷麻醉状态下，立即通过气胸法实施安乐死。
5. 使用组织处理机（或其他首选包埋技术），将每份活检组织单独包埋于石蜡块中。对于皮肤样本，应调整组织方向，使表皮和真皮各层可在单一切片中完整显示；对于血管样本，应调整血管方向以便获得横截面。
6. 使用切片机切取6 µm厚的切片，并将切片贴附于载玻片上，用于苏木精和伊红（H&E）染色。
7. 按照标准方案进行H&E染色。
8. 采用明场显微镜技术，获取所有目标组织样本的代表性图像。

结果

大鼠VCA异位后肢骨肌皮瓣模型可在免疫抑制条件下实现移植物的长期存活。该模型可靠、可重复且操作简便。皮瓣位于腹股沟区域，隐蔽性好，对动物造成的并发症和不适最小。皮肤的表现是移植物存活与排斥反应的临床指征（图1）。该皮瓣设计便于宏观临床观察，并为多种影像学技术（如激光多普勒血流成像）的应用提供了条件（图2）。对皮肤、肌肉和动脉进行系列活检，可实现不同排斥阶段的组织病理学随访与分析（图3）。

讨论

在建立该VCA模型的过程中，考虑了若干关键问题。首先，移植物中必须包含完整的骨骼（胫骨和腓骨）、骨髓和皮肤。虽然来自成年供体的临床手移植不会转移大量具有活跃造血功能的骨髓，但使用完整、带血管的骨骼比使用截断的长骨更能准确模拟骨髓微环境的作用，后者会导致暴露的骨髓发生纤维化。此外，闭合式骨-肌-皮瓣设计可降低感染和出血的风险。骨髓和皮肤均为高度免疫原性的组织，必要时可用于诱发免疫反应。其次，移植物无需具备功能，因此无需采用需要复杂骨固定和再神经支配的原位模型。这同时也避免了原位模型一些已知的棘手后果，例如手术时间延长和动物不适^11,12。然而，需要注意的是，异位模型无法评估骨与软骨以及肌肉功能的功能性结局指标，而这些指标在VCA研究中具有重要意义。第三，移植物必须便于进行影像学检查、临床随访和连续活检。最后，为了提高实验通量，移植手术应易于操作且无并发症。基于上述考虑，建立了一种改良的大鼠骨-肌-皮瓣VCA模型，即将供体（Brown-Norway）膝关节至踝关节之间的远端后肢，包括其表面皮肤及相关血管，移植至受体（Lewi...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
乙酰丙嗪	Henry Schein	5700850
外膜剪刀	ASSI	SAS15R8
吻合夹（双头）	ASSI	ABB2V, ABB22V
吻合夹（单头）	FST	00398-02
夹子施加钳	ASSI	CAF4
解剖剪刀	ASSI	SDS18R8
冲洗钝头针 27 G	SAI
肝素钠	Sagent	25021-400-30
异氟烷	Patterson Veterinary	14043-704-06
珠宝商双极电凝镊	ASSI	103000BPS03
珠宝商镊子 #3	FST	11231-30
盐酸氯胺酮 100 mg/mL	Zoetis	043-304	需持有 DEA 许可证
乳酸林格氏液	Hospira	0409-7953-03
乳酸林格氏液 + 5% 葡萄糖	Hospira	0409-7953-09
美洛昔康	Henry Schein	11695-6925-2
微型镊子	ASSI	JFAL3
微型持针器	ASSI	B138
普乐可复（他克莫司）5 mg/mL	Astellas	0469-3016-01
缝线，10-0 Prolene	Ethicon	W2790	或 10-0 Ethilon (2830)
缝线，4-0 涂层 Vicryl	Ethicon	J714D
血管扩张钳	ASSI	D5AZ
赛拉嗪	VetOne	13985-612-50