本研究旨在建立一种小鼠烧伤创面愈合模型。使用预热的黄铜模板在小鼠背部皮肤上诱导产生热力烧伤。烧伤组织经清创后,覆盖取自遗传背景相似的供体小鼠尾巴的皮肤移植物。
方法文章
* These authors contributed equally
本研究旨在建立一种小鼠烧伤创面愈合模型。使用预热的黄铜模板在小鼠背部皮肤上诱导产生热力烧伤。烧伤组织经清创后,覆盖取自遗传背景相似的供体小鼠尾巴的皮肤移植物。
浅表的轻微伤口可通过一期愈合无并发症地愈合。深度伤口(如全层烧伤)则通过二期愈合,需要外科清创和皮肤移植。供体移植物成功整合到受体创面床中,依赖于免疫细胞的及时募集、强烈的血管生成反应以及新的细胞外基质形成。目前,由于缺乏可靠的临床前模型,且无法对伤口闭合进行优化的客观评估,针对伤口愈合关键过程的新型治疗药物的研发受到阻碍。本文介绍一种经济、可重复的实验性全层烧伤创面模型,该模型采用同种异体皮肤移植物进行重建。该烧伤创面在麻醉后的近交系野生型 BALB/C 和 SKH1-Hrhr 背景小鼠背部表面诱导产生。使用直径为 10 mm 的黄铜模板,在 80 °C 预热后,以恒定压力作用 20 秒,形成烧伤。损伤后 24 小时切除烧伤焦痂,并用从遗传背景相似的供体小鼠尾部获取的全层皮肤移植物进行替换。该操作无需特殊设备,手术技术简单易行。该方法可在大多数研究环境中轻松实施和重复。该模型存在一定的局限性。由于技术上的困难,无法获取较薄的断层皮片移植物。本文所述的外科方法仅适用于使用全层皮肤移植物重建烧伤创面,可用于开展临床前治疗试验。
外科清创和皮肤移植是临床上常用于治疗慢性伤口1、烧伤伤口2以及急性创伤性伤口3的常见方法。皮肤移植是指通过外科手术从身体某一部位取下健康皮肤并将其移植到另一部位的过程。供体移植物可替代缺失的组织,并为细胞迁移和生长提供结构支架。在整合至受体部位后,皮肤移植物通过防止微生物侵入、抵御外界环境的有害影响以及减少水分过度流失,重建缺失的皮肤屏障功能4。皮肤移植物成功整合依赖于多种因素,包括在微生物感染存在的情况下具备适当的免疫反应、炎症的及时消退、创面部位充分的血管生成,以及受体床与供体移植物之间血管吻合的建立5。随着移植物逐渐降解,原有的真皮细胞必须被能够合成新的细胞外基质的细胞所替代。与此同时,表皮角质形成细胞需在新生成的基质上迁移,形成新生表皮,实现创面的再上皮化。因此,受体床细胞高效迁移至供体移植物内是影响移植物成功整合的另一关键因素。鉴于参与伤口愈合的因素众多6,而在人体试验中由于伦理限制难以对这些因素进行有效控制,因此建立临床前实验性皮肤移植模型十分必要。开发烧伤后伤口愈合及其相关皮肤移植的临床前模型,对于理解皮肤组织修复的复杂机制以及测试新型治疗药物具有重要意义。体外伤口愈合模型无法准确模拟皮肤组织的复杂性,而体内动物模型则是研究组织修复机制不可或缺的实验工具。
已开发出多种用于啮齿类动物的皮肤移植技术,以模拟外科切除和烧伤创面修复7,8,9。然而,大多数先前描述的方法在皮肤移植前未能诱导产生热力烧伤损伤。这些方法并未制造烧伤创面,而是制造全层切除性创面,随后用全层皮肤同种异体移植物进行修复7。在啮齿类动物中,已采用多种解剖部位(如耳部、尾部和背部)作为供体皮肤的取材区域7,8。已有报道采用不同的移植物固定与稳定技术,包括“无缝合技术”9、缝合线7以及外科粘合剂10,11,12。
本研究旨在建立一种小鼠全层烧伤创面模型,以模拟当前烧伤治疗的金标准方法,即切除失活组织并进行皮肤移植。通过使用预热的黄铜模板在小鼠背部表面诱导热力烧伤。随后切除烧伤焦痂,并以取自供体小鼠尾部的全层皮肤移植物替代。该实验模型具有三个主要优势。首先,可在同一只受体小鼠背部诱导多个烧伤创面,且可从单只供体小鼠尾部获取多达四块供皮移植物。这意味着可利用相同的受体和供体动物同时比较多种实验组与对照组处理方案。根据预期给药途径,对照处理可包括局部或全身给予溶媒或安慰剂对照(例如:软膏局部涂抹、皮下、腹腔或静脉注射溶液)。其次,该模型可精确控制治疗时机和实验终点。第三,该模型依赖于取自尾部的全层移植物进行创面重建,相较于取自背部的皮肤,尾部皮肤移植物成功整合至受区的概率更高13。这可能归因于尾部表皮朗格汉斯细胞数量较少,而此类细胞在皮肤免疫生物学中发挥关键作用,并与皮肤移植物排斥反应密切相关14。
所提出的伤口愈合与移植物整合模型也可应用于转基因小鼠和基因敲除小鼠。使用基因修饰小鼠将有助于阐明特定基因在伤口修复过程中可能发挥的作用。此外,还可考虑在损伤部位外用局部伤口制剂或皮下注射治疗性抗体。
由于技术上的困难,由表皮和部分真皮组成的中厚皮片在小鼠中难以获取。已知包含表皮和全层真皮的全厚皮片需要具有良好血管化的创面床才能成功整合。无法在小鼠中获取中厚皮片可被视为该模型的一个局限性。皮肤移植物与受体创面床的固定通过使用外科粘合胶实现,与其他组织固定方法相比,这种方法造成的创伤更小且降解迅速15。先前的研究表明,在手术后24小时,缝合固定的组织牢固性优于外科粘合胶15,这可能被视为该操作的一个缺点。然而,在较晚的时间点,使用外科粘合胶处理的创面其生物力学强度可达到与缝合相当的水平15,并优于钉合固定16。使用外科粘合胶完成组织固定后,创面必须覆盖敷料。尽管小鼠难以触及背部的创面,但敷料本身却容易被动物抓挠并移除。因此,可能需要频繁更换敷料。
小鼠麻醉引起的低体温是一种有充分文献记载的现象17。低体温是该操作的副作用,可导致并发症,并可能影响动物健康和数据质量。因此,该方法需要实施体温管理策略,尤其是在使用无毛SKH1-Hrhr小鼠时。
使用小鼠模拟人类伤口闭合最主要的局限性在于皮肤解剖结构和生理学上的差异。小鼠伤口主要通过收缩愈合,而人类伤口则通过肉芽组织形成和再上皮化过程愈合18。为弥补这一差异,可对当前模型进行改良,结合使用紧贴伤口周围固定的环形夹板,以防止皮肤收缩19。鉴于该体内实验方案存在某些优缺点,此模型仍可作为研究某些无法在体外模拟的伤口愈合过程的工具。
所有实验均获得法国高等教育与研究部批准(研究编号:122162017111616517670v2 和 DAP180012)。所有小鼠到达后单独饲养于塑料笼中,并在研究开始前给予 7 天的适应期。动物房保持 12/12 小时光照/黑暗循环(光照开启时间为 07:00)。食物和自来水均自由供应。BALB/c 和 SKH1-Hrhr 小鼠饲喂传统的以小麦/大豆为基础的饮食。笼内提供木屑垫料以及筑巢材料。
1. 仪器设备准备
2. 术前和术中动物护理
3. 全层烧伤创面诱导
4. 供体移植物的获取
5. 外科切除与皮肤移植
6. 数字成像与死后伤口样本采集
7. 皮肤组织学、免疫组织化学及胶原蛋白可视化
结果表明,所建立的实验方案是一种简单直接的方法,可用于在小鼠体内诱导全层烧伤创面。烧伤通过预热的黄铜模具实现(图1A-C)。烧伤区域呈现为圆形创面,伴有白色焦痂及充血带。烧伤后24小时,烧伤创面面积略有扩大,这是由于已充分描述的“烧伤进展”现象所致,可能与急性炎症反应有关22。清创后,采用同种异体皮肤移植物修复烧伤创面(图3)。烧伤后第7天,创面实现血管化5,提示移植成功。表皮角质形成细胞从邻近受体皮肤迁移,以闭合创面并连接创缘。对创面H&E染色切片的显微分析显示,与烧伤后第3天相比,烧伤后第7天新生表皮长度显著增加(图4B)。在开展大规模研究之前,强烈建议研究人员先进行预实验,以探索新的干预措施、评估可行性,并对方法进行必要的修改以确保可重复性。样本量较小时,难以检测到具有统计学意义的差异;而增加样本量是提高检验统计效能的一种有效方式。例如,若需在组间检测到创面再上皮化速率的统计学显著差异(p < 0.05)(图4),每组应至少包含六至八只小鼠。所有实验应至少重复两次。随着基质生成细胞(如成纤维细胞)从受体组织迁移至移植物中,细胞外基质的关键组分,包括I型胶原和纤连蛋白,在新生基质中呈现高表达(图5)。

图1:燃烧装置设置。(A)燃烧装置的放置与组装。燃烧装置连接至温度控制器,并与数字压力计相连,以便监测压力。燃烧装置悬置于一个可调节的平台上方——该平台为平整表面,用于放置小鼠以诱导烧伤。(B-C)用于诱导创面烧伤的黄铜模板的特写图像。(C)黄铜模板的直径为1 cm。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:重现本文所述实验模型所需各步骤的示意图。该操作包含三个主要步骤:(i)使用预热的铜模板诱导烧伤创面;(ii)在烧伤后24小时对手术切除无活力的坏死组织;(iii)采用从供体小鼠获取的全层同种异体皮肤移植物进行外科创面重建。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:小鼠烧伤创面重建的大体观。 烧伤后第0、1、3和7天采用同种异体皮肤移植重建烧伤创面的代表性数码图像。图像中的标尺单位为毫米。请点击此处查看该图的高清版本。

图4:烧伤后第3天和第7天伤口的显微外观。 烧伤后第3天和第7天伤口的H&E染色切片。与(B)第7天的伤口相比,(A)第3天伤口中新表皮的长度(虚线)显著增加。在(A)和(B)中,比例尺为100 µm。(C)伤口再上皮化百分比的图示表示。通过测量烧伤后第3天和第7天新表皮的长度,并以整个伤口长度的百分比表示来评估再上皮化程度。结果以均值±标准误表示(第3天组n = 6只小鼠;第7天组n = 6只小鼠,*p < 0.05;Student t检验)。请点击此处查看此图的放大版本。

图5:细胞外基质和胶原蛋白I的评估与可视化。 第7天小鼠伤口免疫组织化学分析的代表性图像,染色针对(A)胶原蛋白和(B) 纤连蛋白。注意在细长的梭形I型胶原阳性细胞中呈现强烈的红色染色。注意在第7天伤口真皮层的纤连蛋白阳性细胞中呈现棕色染色。比例尺 = 50 µm 在所有图像中。(A)和(B),e 表示表皮,d 表示真皮。C) 胶原纤维的可视化及胶原沉积的组织学评估。D) 小鼠伤口第7天的代表性TPEF/SHG胶原图像. 使用圆偏振光进行双光子激发荧光/二次谐波(TPEF/SHG)同步采集,并对SHG信号进行阈值处理以获得二值化分布。TPEF图像(绿色)与SHG图像(白色)经伪彩着色后叠加显示。比例尺 = 50 µm. 请点击此处以查看此图的放大版本。
根据烧伤深度的分类23,全层烧伤的特征是皮肤全层及部分皮下组织明显受累。此类创面只能通过收缩或植皮愈合2。本文所述方法的一个固有局限性在于,仅从鼠尾获取了全层皮片移植材料,而未获取临床上更常用的中厚皮片移植材料。这是由于技术上的困难,小鼠皮肤过薄,难以获取中厚皮片。必须指出的是,全层皮片移植需要血供良好的创基,而中厚皮片则能够在血供较少的受区存活24。既往研究表明,在小鼠背部诱导的烧伤创面会伴随显著的新生血管形成5。这提示血供丰富的区域,如小鼠背部,可作为诱导烧伤创面的解剖学标志部位。
烧伤创面深度是一个需要考虑的重要因素。不同小鼠之间的烧伤创面深度必须保持一致。烧伤创面深度的可重复性取决于黄铜模板的温度、施加的压力以及热暴露时间。烧伤创面深度必须通过组织学方法进行验证。需要注意的是,过大的压力或皮肤与预热黄铜模板接触时间过长可能会损伤深层组织。脊柱周围的组织,包括中枢和周围神经系统结构,对热敏感,一旦受损可能导致后肢瘫痪。
尽管术后死亡率与手术操作无直接关联,但少数无毛SKH1-Hrhr小鼠(对寒冷特别敏感)在全身麻醉后出现低体温,且未能恢复。因此,在所有麻醉过程中必须提供额外保温措施,并在小鼠处于麻醉状态时进行持续监护。
本研究中描述的方法与手术部位感染无关。然而,必须采用无菌技术,以防止在围手术期将微生物带入手术伤口。可在该操作中引入具有生物发光或荧光特性的微生物接种伤口。该技术可能有助于研究感染性微生物及其致病机制25。例如,外源性添加或注射生物发光细菌,可利用活体全动物成像技术监测微生物负荷量25。鉴于已知小鼠体毛会干扰活体全动物荧光和生物发光成像,无毛的SKH1-Hrhr小鼠是进行荧光或生物发光报告实验的理想宿主。
可在不同时间点采集伤口组织样本,并进行组织学和免疫组织化学分析。可从皮肤活检样本中分离蛋白质和RNA,并利用分子生物学技术检测参与伤口愈合的关键分子的表达水平。
在本研究中,我们描述了一种烧伤创面愈合及同种异体皮肤移植的实验模型。该方法可进行修改,并可作为临床前研究的模型。
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本工作由法国国防总署(La Direction Générale de L'Armement)、国防创新署(Agence de l’Innovation de Défense)和巴黎综合理工大学(École Polytechnique)资助。我们感谢来自巴黎综合理工大学的同事Yann Plantier先生,他在视频文件制作过程中提供了宝贵的见解和专业知识。作者感谢来自巴黎保罗·布罗西医院(Hôpital Paul Brousse)维尔儒伊夫(Villejuif)的法国国家健康与医学研究院(INSERM)拉瓦锡单位(SEIVIL)US 33的Benoit Peuteman先生和Charlotte Auriau女士,他们在本项目进行期间提供了有关实验动物福利与照护的专业支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 毫升注射器 | Terumo | SS + 01T1 | |
| 26 G 针头 | Terumo Agani | NN-2613R | 1/2'' - 0.45 X 12mm |
| 96×21 mm 培养皿 | Dutscher | 193199 | |
| 动物电子秤 | Kern | EMB 5.2K5 | |
| BALB/c 小鼠 | Janvier labs | BALB/cAnNRj | 6 周龄 |
| 活检泡沫垫 30.2×25.4×2 mm | Simport | M476-1 | |
| Bond polymer Refine Red | Leica Biosystems | DS9390 | |
| 黄铜块 | BVG | 定制设计 | 直径 10 mm 的圆形 |
| 丁丙诺啡(BUPRECARE) | Axience | FR/V/6328396 3/2011 | 皮下注射,剂量为 0.05 μg/g |
| 烧伤装置 Kausistar 400 | TraçaMatrix | 34010 | |
| CaseViewer | 3DHISTECH Ltd. | 3Dhistech,布达佩斯,匈牙利 | |
| I 型胶原抗体 | Abcam | ab34710 | 推荐浓度 1:50;1:200 |
| D-(+)-葡萄糖(右旋糖) | Sigma Aldrich | G-8769-100 ml | |
| DAB | Leica Biosystems | AR9432 | |
| 数码相机 | NIKON | D3400 | 镜头:SIGMA 18-250mm F3.5-6.3 DC MACRO C45 |
| 脱毛膏 | Veet | ||
| 一次性手术刀片 | Swann Morton | 6601 | |
| DPBS | PAN biotech | P04-36300 | |
| 无水乙醇 | VWR chemicals | 20821.310 | |
| 纤连蛋白抗体 | Abcam | ab23750 | 推荐稀释比例 1:1000 |
| 0.22 µm 滤器 | Sartorius | 16532 | |
| 精细剪刀 | F.S.T. | 14094-11 | |
| 杜蒙特镊子 | F.S.T. | 11295-10 | |
| 毛发剪 | AESCULAP | B00VAQ4KUY (ISIS) | |
| 加热垫 | Petelevage | 120070 | |
| 异氟烷 | Piramal healthcare | FR/V/03248850/2011 | |
| 氯胺酮 | Imalgene | FR/V/0167433 4/1992 | 手术麻醉剂,腹腔注射,剂量为 100 mg/kg |
| 乳酸林格氏液 | Flee-Flex | 1506443 | |
| Lamina 多标签载玻片扫描仪 | Perkin Elmer | ||
| LAS 软件 | Leica | 版本 2.7.3 | |
| Leica Bond III | Leica Biosystem | 1757 | |
| Leukosilk 敷料 | BSN medical | 72669-01 | |
| 利多卡因 | Aguettant | N01BB02 | 局部镇痛药,皮下注射,剂量为 0.05 μg/g |
| 压力计 | Kern | HDB-5K5 | |
| Masson 三色染色试剂盒 | Sigma-Aldrich | HT15-1KT | |
| Micromesh 活检盒 | Simport | M507 | |
| Leica SP5 多光子倒置显微镜 | Leica microsystems | DM500 | 扫描频率 8000 Hz,NDD PMT 检测器 |
| 非粘连性敷料 Adaptic | Systagenix | A6222 | 12.7 cm × 22.9 cm |
| Ocrygel | Tvm France | ### | |
| 对乙酰氨基酚 300 mg | Dolliprane | Liquiz | |
| 4% 多聚甲醛 | VWR chemicals | 1169945 | |
| 聚维酮碘 | MEDA pharma | D08AG02 | 稀释至 1:2 |
| SKH1-Hrhr 小鼠 | Charles river | 686SKH1-HR | 6 周龄 |
| 载玻片 | Thermoscientific | AGAA000080 | |
| 外科粘合剂 | BSN medical | 9927 | |
| 无菌纱布 | Hartmann | 418545/9 | 10 × 10 cm |
| 无菌水 | Versylene Fresenius | B230521 | |
| 手术洞巾 | Hartmann | 2775161 | |
| Ti:Sapphire ChameleonUltra | Coherent | DS 16-02-16 F | 690–1040 nm |
| 热成像相机 | Testo | Testo 868 | |
| 赛拉嗪(Rompun 2%) | Bayer | FR/V/ 8146715 2/1980 | 手术麻醉剂,腹腔注射,剂量为 10 mg/kg |