一种标准化的小鼠体外冲击波治疗诱导软组织再生模型

摘要

本文介绍了一种通过冲击波治疗实现组织再生的标准化小鼠模型。

摘要

冲击波治疗（SWT）在多种不同组织中均显示出良好的再生效果。然而，其潜在的分子机制尚不明确。血管生成，即新血管形成的过程，是软组织再生的主要驱动力，也是近期发现的 SWT 的作用之一。目前尚不完全清楚 SWT 的机械刺激如何诱导血管生成和组织再生，以及涉及哪些信号通路。为了进一步优化 SWT 的临床应用，并获得机械刺激如何影响组织及其再生过程的宝贵信息，亟需建立一个标准化的 SWT 研究模型。本文中，我们描述了一种标准化且易于实施的小鼠冲击波治疗诱导再生模型，该模型结合了后肢缺血模型。

引言

冲击波治疗（SWT）最初在临床实践中被用于通过体外应用粉碎肾结石。20世纪90年代，人们偶然发现重复进行碎石术后X线影像中出现髂嵴增厚现象，揭示了SWT具有骨形态发生效应¹。这一发现推动了SWT在骨科领域的新应用迅速增加。SWT因此逐渐发展成为治疗长骨骨不连、肱骨外上髁炎以及跟腱炎的公认治疗选择^2,3,4,5。近年来的证据再次拓展了SWT的应用范围，超越骨科领域，延伸至软组织及创面愈合障碍的治疗^6,7。已有研究显示，SWT在多种异质性病症中具有疗效，例如勃起功能障碍或中风后痉挛状态^8,9,10。

然而，冲击波治疗（SWT）的分子机制尚未完全阐明，仍需进一步研究。我们此前的研究聚焦于心血管疾病，结果表明SWT在小鼠心肌梗死模型中具有良好的治疗前景。研究发现，血管生成是SWT后心肌再生的核心驱动因素¹¹。

血管生成是指通过已有血管的出芽和分裂形成新血管的过程。在组织损伤的情况下，这些新生血管有助于恢复受损区域的血液供应，从而促进组织再生¹²。

因此，血管生成是组织再生的一个标志性特征，也是冲击波疗法（SWT）在软组织中产生效应的潜在解释。然而，再生是一个涉及多种诱导和效应机制的复杂过程。尽管可以在分离的细胞培养体系中对这些机制进行研究，但动物模型更能有效模拟这些复杂的生物学过程。后肢缺血是一种成熟的体内研究血管生成和组织再生的模型in vivo¹³。为了进一步推动对冲击波疗法（SWT）再生效应的研究，本文提出一种可行且标准化的小鼠后肢缺血冲击波治疗模型。

方案

实验已获得因斯布鲁克医科大学机构动物护理和使用委员会以及奥地利科学部（BMWF-66.011/0110-V/3b/2019）的批准。

1. 麻醉诱导与手术准备

1. 为动物实验准备合适的环境：对器械进行灭菌，对表面进行消毒，并使用一次性口罩、隔离服和手套。
2. 将一只12至18周龄的小鼠（品系和性别根据实验设置而定）置于连接异氟烷挥发器的麻醉舱中，以4%异氟烷进行镇静。
3. 通过足底反射或耳廓反射检查镇静程度，以评估其对深度疼痛的反应能力。
4. 当动物达到充分镇静后，关闭异氟烷气流，并根据批准的动物护理与使用方案给予镇痛剂和麻醉剂，例如腹腔注射盐酸氯胺酮（80 mg/kg体重）作为麻醉剂，盐酸赛拉嗪（5 mg/kg体重）作为镇痛剂。
   注意：在将动物放入麻醉舱前，应预先准备好腹腔注射用药的注射器。
5. 注射后5分钟，通过评估足底回缩反射来检查麻醉深度。
6. 涂抹眼膏（例如0.5 g棕榈酸视黄酯）以防止角膜损伤。
7. 清除手术区域及其周围部位的毛发，特别是左侧后肢和腹股沟区域。可使用脱毛膏代替剃刀或修剪器，以避免皮肤损伤。
8. 使用胶带将动物固定在加热板上，呈仰卧位，四肢伸展。
9. 使用10%聚维酮碘或类似的消毒剂对手术区域进行消毒和清洁，并使用无菌手术巾铺巾。

2. 实验步骤

1. 使用显微镜在10倍至20倍放大倍数下进行手术操作。
2. 使用手术剪在膝关节近端做皮肤切口（约1.5 cm）。
3. 用钝头镊子轻轻分离皮肤与下方组织。
4. 辨认股血管，用镊子和剪刀仔细分离动脉、静脉和神经。
5. 从腹股沟韧带水平开始，近端处小心去除周围结缔组织，直至动脉充分暴露；远端终点应能观察到动脉分叉为隐动脉和腘动脉。
6. 在腹股沟韧带水平，使用7-0聚丙烯缝线结扎近端股动脉。
7. 在隐动脉和腘动脉分叉近端处，使用7-0聚丙烯缝线闭塞股动脉远端。
8. 使用电刀切除近端与远端结扎线之间的股动脉节段。
   注意：也可使用手术剪剪断股动脉。但使用电刀可在缝线失效时提供额外的血管闭塞作用。
9. 确保股动脉已安全闭塞，术区无可见出血。
   注意：建议皮肤缝合间距较小，以避免在冲击波治疗（SWT）过程中超声耦合剂污染伤口。
10. 使用5-0不可吸收尼龙缝线单结缝合皮肤切口。
11. 用棉签对术区进行消毒。

3. 冲击波治疗的应用

1. 确保皮肤切口完全闭合。
2. 在冲击波设备上设定治疗参数。在此实验条件下，采用能量通量密度为 0.1 mJ/mm²，频率为 3 Hz，总共施加 300 次脉冲。
   注意：能量水平参考了既往研究结果¹⁴，该研究使用聚焦式体外冲击波治疗。
3. 在大腿内侧治疗区域涂抹超声耦合凝胶，以确保良好耦合。
4. 确保凝胶中无气泡残留。
   注意：使用足量凝胶实现良好耦合对于有效实施冲击波治疗至关重要。凝胶中的微小气泡会吸收冲击波，降低其治疗效果。
5. 通过踩下脚踏开关施加 300 次脉冲，同时缓慢移动治疗头覆盖整个大腿区域。
   注意：若冲击波治疗未在术后立即进行，为避免再生毛发吸收冲击波能量，应在治疗前去除毛发。
6. 治疗后，擦去残留的超声耦合凝胶，防止大腿部位因蒸发而降温。
7. 将动物转移至配备加热灯的恢复笼中，以防止低体温。
8. 密切监测动物状态直至其清醒，并皮下注射 0.05 mg/kg 体重剂量的丁丙诺啡，以提供充分镇痛。
9. 每日监测动物健康状况，直至手术切口完全愈合。
   ​注意：治疗可仅进行一次，也可重复多次。本示例中仅进行单次治疗。

4. 血流测量

1. 根据实验设置，在手术后立即进行血流测量，并在术后不同时间点进行测量。
2. 将动物置于连接异氟烷挥发器的麻醉舱中，以4%异氟烷进行镇静。
3. 当动物达到镇静状态后，关闭异氟烷气流，给予麻醉剂和镇痛剂。根据批准的动物护理与使用方案，腹腔注射盐酸氯胺酮（80 mg/kg体重）和盐酸赛拉嗪（5 mg/kg体重）。
4. 注射后5分钟，通过评估足底回缩反射来检查麻醉深度。
5. 使用眼膏（例如，0.5 g Retinolpalmitat）以防止角膜损伤。
6. 用胶带将动物四肢伸展固定于加热板上，保持仰卧位。
7. 仔细去除双侧后肢的毛发。
8. 根据制造商说明，通过激光多普勒测量肢体灌注。
   注意：应使用缺血肢体与非缺血肢体血流量的比值作为主要参数。

结果

采用本方案可在冲击波治疗（SWT）干预后观察并监测后肢灌注的显著差异。代表性图像显示，接受SWT治疗的肢体（图1B）与未治疗的对照肢体（图1A）之间灌注情况存在明显差异。此处，灌注情况通过热成像显示，冷色调代表低灌注，暖色调代表高灌注。激光多普勒检测结果的量化分析显示，术后4周灌注量显著增加（图1C）。同时，在接受SWT治疗的动物中可观察到更少的坏死现象（图1D）。坏死程度的评估方法如前所述¹⁶。

讨论

冲击波治疗在多种软组织再生场景中展现出良好的应用前景。然而，若要进一步增强、优化或分离这些再生能力，首先需在分子水平上揭示冲击波治疗诱导再生的基本机制。组织再生过程复杂，涉及多种生物学过程，包括固有免疫与适应性免疫、炎症反应、细胞周期进程、细胞凋亡、细胞分化、血管生成等。^17,18可研究体外冲击波治疗（SWT）的孤立机制 体外，利用水浴应用，但未能全面模拟 体内 再生。因此，只有通过这种方式才能正确研究SWT激活的通路 体内.

后肢缺血小鼠模型已得到充分建立，易于实施。此外，与其他用于研究组织再生的手术方法相比，该模型具有较低的死亡率和较低的严重程度。同时，后肢缺血模型便于对处理后的组织进行取材或其他形式的评估（例如超声评估、激光多普勒等）。该模型存在以下局限性：一个主要局限是通过切除股动脉所诱导的缺血为急性性质，而大多数缺血性疾病属于慢性过程。此外，由于啮齿类动物年龄较轻且侧支组织健康，即使不进行治疗干预，它们...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
10% 聚维酮
5-0 尼龙缝线	Ethicon Inc.
7-0 丝线缝线	Ethicon Inc.
电灼器	Martin	ME-102
脱毛膏	Nivea
纱布	Gazin
加热板
盐酸氯胺酮			麻醉剂
激光多普勒仪	Moor instruments
手术器械	Fine Science Tools
盐酸赛拉嗪			麻醉剂