大鼠后肢膝下截肢模型与即时靶向肌肉再支配

摘要

本方案演示了如何在大鼠身上进行膝下截肢术，并立即实施靶向肌肉再神经支配（iTMR），以研究治疗和预防截肢相关疼痛的策略，并进一步理解与截肢相关的疼痛机制。

摘要

截肢相关性疼痛会降低患者的生活质量，导致阿片类药物使用增加，并可能影响功能康复和假肢使用。建立能够可靠产生截肢后疼痛但同时保留动物活动能力的临床前模型，对于研究这些结局背后的生物学机制至关重要。本文介绍了一种详细且可重复的实验大鼠手术方案，采用Sprague-Dawley大鼠建立后肢膝下截肢模型。该手术包括分离并横断坐骨神经的分支，即胫神经、腓总神经和腓肠神经，从而诱发持续的截肢后神经病理改变及疼痛相关行为。大鼠术后恢复良好，术后可立即自由行走，进食和饮水均无困难。随后可对动物进行反射性疼痛和自发性疼痛的评估。该手术诱导的疼痛行为具有良好的时间稳定性，且可从残肢部位获得标准的反射性疼痛反应。重要的是，由于活动能力得以保留，因此可在不受到运动功能障碍干扰的情况下进行长期的行为学测试。尽管本方案以截肢为核心，但可方便地加以改进，将靶向肌肉再神经支配（TMR）作为截肢后的干预手段，即将横断的神经与股二头肌和半膜肌神经附近的运动支进行端端吻合，从而支持对再神经支配干预措施及其对截肢后疼痛影响的研究。我们此前已成功应用该模型评估了截肢后疼痛行为的性别差异，并研究了TMR的作用效果。该方案为研究截肢相关性疼痛、神经瘤形成及功能结局提供了一个稳健且灵活的平台，适用于旨在改善截肢后疼痛的转化医学研究。

引言

慢性疼痛是重大肢体截肢术后最常见的致残性并发症之一，影响高达70%的患者^1,2,3。传统的疼痛管理策略，如药物干预、物理治疗、神经阻滞和心理治疗，通常只能提供有限或短暂的缓解效果⁴。因此，临床上仍迫切需要有效的长期疼痛管理策略。

靶向肌肉再支配（TMR）最初旨在增强肌电假肢的控制能力，现已发展成为一种缓解截肢后疼痛的有前景的方法⁵。该手术技术包括将被切断的混合性运动-感觉神经重定向至邻近的运动支。临床研究表明，TMR可显著减轻幻肢痛、残肢痛以及与神经瘤相关的症状^6,7,8。再生性外周神经接口（RPNI）是另一种用于治疗神经损伤及截肢相关疼痛的外科干预手段。将截断的神经末端缝合并包裹于一块游离的（去神经支配的、无血管的）肌肉移植物中⁹。截断的轴突会重新支配移植物中去神经支配的神经肌肉接头，从而引发肌肉收缩，产生的信号可用于肌电假体的控制。与TMR不同，RPNI已在啮齿类动物模型中得到广泛研究。与TMR类似，RPNI也被证实可防止神经瘤形成，并减轻因神经切断损伤引起的疼痛^10,11。临床研究显示，RPNI可有效减轻截肢患者的幻肢痛和残肢痛¹²。

尽管临床上已采用靶向肌肉再支配（TMR）和再生神经接口（RPNI）技术，但其镇痛作用的生物学机制仍不明确。临床前模型对于阐明这些机制至关重要。以往研究采用神经横断模型，并加以改良以使神经表浅化，从而直接检测神经瘤性疼痛^10,11。这些模型可通过直接刺激量化神经瘤性疼痛，并通过评估足部残存完整神经支配区域的脊髓反射行为来评估神经病理性疼痛。例如，保留神经损伤模型中保留了腓肠神经，而胫神经和腓总神经被横断，疼痛行为测试在足外侧进行¹³。后肢截肢模型代表了肢体可能遭受的最严重损伤，因此伴随广泛的神经元丢失，以及与此类损伤相关的显著炎症反应和组织修复需求。当发生神经损伤时，背根神经节（DRG）中的健康神经元有助于维持受损神经元的存活；而在截肢后，可用的健康神经元数量大幅减少，且每条受损神经所伴随的神经元丢失程度远超过单一神经损伤的情况^14,15,16。既往关于啮齿类动物后肢截肢存活手术的报道较为罕见^17,18。然而，相较于上肢截肢，后肢截肢具有若干优势，例如存在大量历史数据可用于研究坐骨神经相关的疼痛与再生过程，以及多种可用于评估自主运动功能的行为学检测方法^19,20。

为了弥补这一空白，我们近期开发了一种大鼠后肢截肢模型，该模型结合了即时靶向肌肉再支配术（图1）。用于创建再生周围神经接口（RPNI）的技术此前已有发表，可适配于后肢截肢模型²¹。该模型高度模拟临床手术流程，使我们能够评估多种疼痛行为、神经瘤形成情况以及神经元的保留效果（图2）²²。我们的研究已证明，与标准截肢术相比，TMR具有显著的镇痛优势，可预防神经瘤形成，并在冷敏感性方面表现出性别二态性反应^22,23。

本文提供的方案通过标准化的视觉演示，详细展示了手术技术，确保实验方法的可重复性和一致性。通过清晰地展示关键步骤，包括神经分离、精确切断以及无张力神经吻合，本方案为研究人员提供了研究TMR介导的镇痛作用及神经瘤预防机制的可靠框架。

方案

所有动物实验操作必须经过机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准，并符合美国国立卫生研究院（NIH）《实验动物护理和使用指南》的要求。

1. 术前准备

注意：使用8至10周龄、体重250至300 g的雄性和雌性Sprague-Dawley大鼠（Charles River Laboratories）。

1. 打开加热垫，准备无菌手术区域。将无菌垫垂直于大鼠身体放置，以获得最佳暴露效果。
2. 摆放所有手术器械和材料：无菌生理盐水（0.9% 氯化钠）、聚维酮碘消毒液、美洛昔康、电灼器、10-0 微型缝线、4-0 可吸收编织缝线、直尺和皮肤粘合剂。
   ​注意：所有手术器械应通过高压灭菌或热珠灭菌法进行灭菌。
3. 将大鼠置于诱导室中，使用 4% 异氟烷、10 L/min 氧气和 60% 空气进行麻醉诱导。4 分钟后或大鼠失去反应时，切换至鼻罩，并根据大鼠体型将异氟烷浓度调整至 1.5%–2.0%。
4. 从下背部至整个后肢区域剃毛。使用聚维酮碘消毒液和酒精棉片交替进行三次消毒，最后以酒精结束。
5. 使用结核菌素注射器皮下注射 1 mg/kg 美洛昔康（通常 200 g 大鼠注射 0.2 mL）。
   注意：在整个手术过程中，需持续监测大鼠脚趾和尾部对夹捏的反应以及呼吸频率。根据需要调整异氟烷流量，或暂停手术进行干预。

2. 膝下截肢术（图1）

1. 使用直尺标记膝关节线，并在膝关节远端 2 cm 和 3 cm 处各做一额外标记。
2. 使用手术刀在膝关节远端 3 cm 处做一周向皮肤切口。
3. 采用钝性与锐性分离技术，将皮肤从下方肌肉组织上完全环形分离，直至皮肤可自由回缩。
4. 对下方肌肉重复此分离操作，小心解剖至骨面，同时保持组织平面完整。使用无菌电灼器或标记笔在环形切口近端 1 cm 处标记胫骨/腓骨。
5. 使用小型骨剪在标记位置横断胫骨和腓骨。使用电灼止血。检查骨端是否有锐利边缘，并根据需要进行钝化或修剪。
6. 使用 4-0 可吸收编织缝线将前侧和后侧肌肉间隔在骨端上方共同缝合，以形成肌肉垫。首先在胫骨前方——主要受压点——缝合前缘。通常使用 4–6 针间断缝合。
7. 使用间断的 4-0 可吸收编织缝线从外侧缝合皮肤，避免缝线直接位于负重残端上。沿切口线涂抹皮肤粘合剂。

3. TMR 介入手术（图1）

1. 在股骨后方约5 mm处，做一条1.5–2 cm长的纵向臀肌劈开切口。
2. 采用钝性分离法分开臀肌与腘绳肌，暴露坐骨神经在其分为胫神经、腓总神经（CP）和腓肠神经之前的近端部分。
3. 识别近端运动支：一条较大的分支位于尾股肌（CFM）下方，发出支配CFM、半膜肌（SM）和股二头肌（BF）的分支。
4. 用棉签抬起CFM并将其切断。在手术显微镜下，使用显微外科精细Dumont镊子通过钝性分离小心地进行SM和BF分支的神经外膜剥离。
   1. 用镊子夹住神经外膜，使用精细弯头弹簧剪刀切开神经外膜并纵向分离，将不同分支彼此分开。
   2. 保留CFM分支，将其余分支在靠近坐骨神经主干处切断。将运动支向下方弯曲，以利于吻合。
5. 使用精细弯头弹簧剪刀切开并分离神经外膜，对坐骨神经三分叉处进行神经外膜剥离。用精细镊子轻柔地将各神经分支分离。用镊子夹住三个分支（CP、胫神经、腓肠神经）在三分叉远端5–10 mm处。
6. 施加张力后尽可能向远端切断每条神经。夹住远端切断端，从近端切除至少5–10 mm，形成整齐切口。
7. 使用10-0尼龙缝线进行神经吻合：CP与SM用一根缝线吻合，胫神经与较大的BF分支用一至两根缝线吻合，腓肠神经与较小的BF分支用一根缝线吻合。每根缝线至少打三个结，确保无张力缝合，避免过度收紧导致神经压痕，吻合时保持走行平顺，避免锐角弯曲。

4. 仅截肢组

1. 使用5-0丝线结扎腓总神经、胫神经和腓肠神经。用Dumont打结镊子操作丝线。确保结扎线使神经产生压痕，并用4个方结固定。
2. 利用结头轻轻向近端牵拉每条神经，在结扎线远端1–2 mm处横断神经，切除10 mm长的远端神经节段。
3. 按照第2节所述步骤进行截肢操作。

5. 术后护理

1. 将大鼠放回加温的笼子中，直至其恢复自主活动。24小时后，皮下注射第二剂美洛昔康（0.2 mL）。
2. 根据IACUC指南，每天监测7天，观察伤口完整性、感染迹象、疼痛或痛苦情况，并在必要时进行干预。

结果

该后肢截肢模型可稳定诱导神经病理性疼痛相关行为，同时保留大鼠的行走和探索能力。如图2所示，截肢过程中切断外周神经后若无远端靶组织，会导致轴突生长紊乱，并在结扎部位形成神经瘤，通过B-微管蛋白和降钙素基因相关肽（CGRP）免疫染色可观察到这一现象。相比之下，经TMR处理的截肢神经显示出轴突有序生长进入受体支，运动性（B-微管蛋白）和感觉性（CGRP）轴突均存在，表明成功实现再神经支配，且未出现类似神经瘤的形态结构。

行为学测试表明，截肢后出现稳定且长期存在的疼痛相关行为。通过 von Frey 测试测得的机械缩足阈值较基线水平显著降低，并在截肢后的各个时间点持续维持在较低水平，表明存在持续性机械性痛觉过敏（图 3A）。利用丙酮测试评估的冷痛觉过敏在整个研究期间表现明显且持续存在，而针刺测试显示有害反应随时间推移呈逐渐增强的趋势（图 3B，C）。上述各项检测结果共同证实，该截...

讨论

本方案详细阐述了确保后肢截肢模型可重复性的关键手术步骤，并展示了截肢后测试中活动能力及行为参与的保留情况。重点强调了若干核心手术原则，包括精确的解剖结构识别、尽量减少对神经的操作以及无张力处理横断的神经，以确保不同手术者之间操作的一致性与可重复性。这些技术要点对于可靠地诱导截肢后神经病变并最大限度减少与手术创伤相关的非预期变异至关重要。

截肢过程中周围神经横断会导致轴突再生紊乱并形成神经瘤，若不进行截肢后干预，则会出现此类情况。如本模型所示，截肢后动物出现持续性疼痛相关行为，包括机械性及冷超敏反应，但动物仍能自主活动，开放旷场实验（OFT）和高架十字迷宫实验（EPM）结果可证明这一点。焦虑与疼痛相关效应对活动能力的影响关系尚需通过干预手段进一步解析，但目前这些实验表明动物具备活动能力。综上所述，这些发现反映了临床上神经病理性疼痛持续存在，而整体运动功能仍保留的情形。

尽管本方案以后肢截肢模型为核心，但也为有兴趣评估靶向肌肉再神经支配（TMR）作为截肢后干预手段的研究人员提供了框架。使用该模型进行TMR研究所获得的行为学结果 c...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
10-0 尼龙显微缝合线（Arosurgical）	AROSurgical	T04A10N07-13	用于细小神经吻合的 10-0 显微缝合线。
4-0 聚乙醇酸缝合线	Ethicon	AQ1268	用于肌肉和皮肤缝合的可吸收 4-0 缝合线。
5-0 丝线外科缝合线	Generic	Generic	神经结扎缝合线
成年 Sprague-Dawley 大鼠	Charles River Laboratories	Generic	实验动物
酒精消毒片	Dukal Corporation	Generic	皮肤消毒剂
10% 聚维酮碘（Betadine）	Avrio Health LP	Generic	消毒剂
骨剪	FST	16030	用于骨骼切割的器械
电凝设备	FST	18010-00	止血设备
棉签（ProAdvantage）	ProAdvantage	Ref 76100	用于组织操作
弯头显微解剖剪	FST	15019-10	用于神经松解的精细剪刀
镊子（精细 Dumont 镊）	FST	11254-20	用于神经操作的器械
镊子（打结用 Dumont 镊）	FST	11063-07	用于缝合线操作的器械
USP VII 型纱布（Cardinal Health）	Cardinal Health	Ref 2146	维持无菌区域
加热垫（TC1000 温度控制器）	Generic	TC1000	温度控制设备
麻醉诱导舱（Braintree Scientific）	Braintree Scientific Inc.	Generic	用于麻醉诱导
异氟烷（Isospire）	Phoenix	Generic	麻醉剂
美洛昔康（Ostilox）	VetONE	5 mg/mL	镇痛剂
直尺	Generic	Generic	用于解剖标志测量的工具
无菌生理盐水	Baxter	0.9 Sodium Lot Y425131	灌洗溶液
15 号手术刀片	FST	10015-00	用于皮肤切口的工具
结核菌素注射器	Generic	Generic	用于药物给药
麻醉蒸发器（Surgivet model 100）	Surgivet	Model 100 S/N W2211123	用于维持麻醉
Vetbond 组织粘合剂	World Precision Instruments	Generic	皮肤粘合剂