引用本文: 刘寒江, 郭营, 梅伟. 基于兔尺桡骨解剖学测量的新型骨缺损模型的建立及评估. 中国修复重建外科杂志, 2016, 30(2): 173-177. doi: 10.7507/1002-1892.20160036 复制
骨缺损,尤其是长骨大段骨缺损是骨科治疗常见的棘手问题,有效的实验动物骨缺损模型是进行骨组织工程研究的基础[1-3]。关于骨缺损的组织工程研究很多,近年来研究较多的是利用新西兰大白兔制备桡骨缺损模型[3-7],但对于骨缺损模型的手术入路及技术要点少见详尽报道,目前尚无统一的造模方法。本研究基于兔尺桡骨解剖学测量介绍一种新的兔桡骨骨缺损造模方法,并探讨预防大段骨缺损造模过程中并发症的方法。
1 材料与方法
1.1 实验动物及主要试剂、仪器
4月龄健康新西兰大白兔45只,雌雄不限,体质量为2.0~2.5 kg,由河南省实验动物中心提供。戊巴比妥钠(Sigma公司,美国)。ZKKS-MCT-Sharp-Ⅲscanner micro-CT、ZKKS-MicroCT 3.0 软件处理系统(广州中科恺盛医疗科技有限公司);病理切片机(Leica公司,德国);显微镜(Olympus公司,日本)。
1.2 兔尺桡骨解剖学测量
取15只新西兰大白兔,对双侧尺桡骨进行解剖并行micro-CT检查,测量其桡骨全长为(68.78± 1.86)mm,尺偏角为(25.87±2.10)°;桡骨下端距桡骨茎突45 mm一段相对较直;正中神经与头静脉在距桡骨茎突(55.48±2.36)mm处骑跨桡骨,后在指深屈肌深面下行;数根肌腱附着于桡骨远端,桡骨远端无肌腱附着处与桡骨茎突的距离为(21.33±0.78)mm;沿桡骨茎突处作切线,测量切线与桡骨平行的最大距离为(45.26±1.29)mm。见图 1a、b。

1.3 实验分组及方法
1.3.1 实验分组
取30只新西兰大白兔随机分为A、B、C 3组,每组10只,3组均通过手术造成双侧桡骨缺损。
1.3.2 造模方法及术后处理
术前各组动物禁食、水8 h,行耳缘静脉注射戊巴比妥钠(35 mg/kg)麻醉,聚维酮碘溶液消毒手术区。
A组选择桡侧腕伸肌与指伸肌间隙入路,在桡骨远端距桡骨茎突3.0 cm处用线锯截除长约1.5 cm的桡骨,连同骨膜和骨间膜一并切除。B、C组基于兔尺桡骨解剖学分析结果,选取桡骨远端距桡骨茎突2.5~4.0 cm作为截骨段(图 1c),该段桡骨直径(3.5±0.6)mm,截骨长度1.5 cm。于肘上加1条止血带减少手术出血量(<5 mL)。为避免损伤神经、血管及肌腱,于桡侧腕伸肌与指深屈肌间隙入路;因正中神经在桡骨上段紧贴指深屈肌,骑跨桡骨后在指深屈肌深面下行,故尽量紧贴桡侧腕伸肌钝性分离肌间隙即可直达桡骨。显露截骨区域,确定上、下截骨点,于截骨点处用尖刀环形切开骨膜(尽量保证骨膜切缘整齐且两切缘平行),用锯片于上截骨点的下缘和下截骨点的上缘垂直截骨(使锯口在骨缺损范围内),用电锯制备1.5 cm缺损段(注意在锯片上滴注无菌冰盐水降温,保护断端组织活性),用咬骨钳旋出骨段。B组完全切除骨膜和骨间膜,C组切除骨膜、保留骨间膜。见图 2。
生理盐水冲洗术野,逐层缝合切口,聚维酮碘溶液消毒,石膏过关节固定。术后少量饮水,4 h后正常喂食、水;术后连续3 d予以8万U/kg青霉素预防感染。术后每天早晚2次换药,正常喂食、水。
1.3.3 大体观察
术后每3天从皮肤愈合、感染、动物进食饮水及运动情况等方面评估3组动物康复及并发症发生情况。
1.3.4 影像学检查
分别于术后即刻(每组取2只动物)及术后15周(每组取8只动物),采用耳缘静脉注射3%戊巴比妥钠过量麻醉处死。取出整条前臂,剔除肌肉及软组织,行X线片及micro-CT检查,评估骨缺损愈合情况;采用ZKKS-MicroCT 3.0 软件处理系统对缺损段行骨矿含量(bone mineral content,BMC)及骨密度(bone mineral density,BMD)定量分析。
1.3.5 组织学观察
术后15周影像学检查后,将各组标本经脱钙、脱水后制成石蜡标本,组织切片,片厚4 μm,常规行HE染色和Masson染色观察骨缺损区成骨情况。
1.4 统计学方法
采用SPSS17.0统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示,组间比较采用单因素方差分析,两两比较采用SNK检验;计数资料以率表示,组间比较采用χ2检验;检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 大体观察
A组共5只(50%)动物发生并发症,包括术中血管损伤1只、肌腱损伤2只,术后血肿及感染各1只,术后血肿及感染经清创换药后好转;C组1只(10%)动物发生术后感染,经清创换药后好转;B组(0%)未发生并发症。A组并发症发生率显著高于B、C组,差异有统计学意义(P<0.05);B、C组间比较差异无统计学意义(P>0.05)。
2.2 影像学检查
X线片及micro-CT示,术后即刻3组均造模成功,与B、C组比较,A组缺损段欠规整,断缘较不整齐。术后15周,A、B组骨缺损有修复但无连续性骨痂,C组可见缺损区连续性骨痂形成。见图 3、4。
骨组织定量分析显示,术后15周A、B、C组BMC分别为(3.36±0.32)、(3.44±0.20)、(3.89±0.30)mg,BMD分别为(729.4±49.7)、(736.4±64.7)、(752.4± 56.7)mg/cm3,各组间比较差异均无统计学意义(P<0.05)。
2.3 组织学观察
术后15周HE染色和Masson染色示,A组有新生骨形成,但结构紊乱,骨质硬化;B、C组可见新生骨形成,骨细胞中间仍有成软骨细胞存在,B、C组间未见明显区别。见图 5、6。

3 讨论
近年来,关于骨不连、骨肿瘤切除及其他原因造成的骨缺损研究较多[7-10]。目前最常用的造模动物是新西兰大白兔,其前肢由尺桡骨组成,取桡骨中段作骨缺损,同时完整的尺骨起到前肢支撑作用,无需行内固定[11]。实验动物大段骨缺损模型是进行骨与软骨组织工程研究的基础,造模成功与否直接影响研究结果。骨缺损模型不规范,比如骨缺损长短不一、部位不同、有骨膜残留或骨膜切除过多等,均会直接影响各项检测指标的结果,所得数据也不科学。因此,规范的骨缺损动物模型建立是骨组织工程研究的关键和基础。
既往关于制备动物大段骨缺损模型的手术方法报道中,手术入路及手术部位各异,对于骨膜及骨间膜的切除亦存在争议。赵明东等[11]选用骨科微型电钻将桡骨小头下2.5~3.0 cm处一段桡骨连同骨膜一并截除;王玉学等[12]用特制锯片,选择桡骨弧顶部1.5 cm作为截骨段;Yang等[13]用线锯造模;Kasten等[14]、Niemeyer等[15]及Geiger等[16]取兔桡骨中段作一切口,显露尺桡骨,利用线锯截除桡骨远端1.5 cm骨段(包括骨膜)建立骨缺损模型,同时剥离距离缺损近远端0.5 cm骨膜。
本研究基于既往研究,旨在介绍一种大段骨缺损模型建立的新方法。为避免骨与软骨组织工程研究中内植物移位,若采用兔尺桡骨缺损模型,我们建议选择尺桡骨相对较直的一段作为缺损段。本研究结合新西兰大白兔尺桡骨解剖及影像学特点,选择距桡骨茎突2.5~4.0 cm处作为缺损段,取桡侧腕伸肌与指深屈肌间隙入路,可有效避开正中神经及头静脉,同时亦能避开尺桡骨的前倾角,大大减少了内植物移位风险。在肘上扎止血带并选用电锯造模,可减少出血量,使断端整齐,有利于组织工程研究中与内植物紧密接触。术后即刻及15周影像学和组织学检查结果不仅提示造模成功,而且B、C组HE染色和Masson染色显示骨细胞中间还可见到成软骨细胞,说明在造模成功基础上仍保留有成骨潜能,断端细胞的成骨活性对于骨与软骨组织工程学非常重要;而A组骨细胞结构紊乱,骨质发生硬化,究其原因,可能与电锯造模较线锯造模对周围软组织损伤相对较小,对骨折断端血供保留较好有关。A组术后并发症发生率高于B、C组,与A组选择桡侧腕伸肌与指伸肌间隙入路,入路较深、显露困难等原因有关;而且,选择线锯造模,不可避免地对周围组织牵拉损伤,增加了潜在损伤神经、血管的危险性;而B、C组选择桡侧腕伸肌与指深屈肌间隙入路,位置表浅,显露清楚,术野可有效避开神经、血管,选用电锯造模对周围软组织损伤较小。
综上述,统一造模方法对组织工程评价骨组织修复的横向比较至关重要。因此,建议选择4月龄左右健康新西兰大白兔作为造模实验动物,距桡骨茎突2.5~4.0 cm处作为缺损段,以桡侧腕伸肌与指深屈肌间隙入路作为动物大段骨缺损研究的标准造模方法。但作为骨缺损模型标准化研究,尚需对实验动物的月龄、体质量及雌雄等条件进行考虑;骨间膜在骨缺损修复中的具体作用机制亦有待进一步研究。
骨缺损,尤其是长骨大段骨缺损是骨科治疗常见的棘手问题,有效的实验动物骨缺损模型是进行骨组织工程研究的基础[1-3]。关于骨缺损的组织工程研究很多,近年来研究较多的是利用新西兰大白兔制备桡骨缺损模型[3-7],但对于骨缺损模型的手术入路及技术要点少见详尽报道,目前尚无统一的造模方法。本研究基于兔尺桡骨解剖学测量介绍一种新的兔桡骨骨缺损造模方法,并探讨预防大段骨缺损造模过程中并发症的方法。
1 材料与方法
1.1 实验动物及主要试剂、仪器
4月龄健康新西兰大白兔45只,雌雄不限,体质量为2.0~2.5 kg,由河南省实验动物中心提供。戊巴比妥钠(Sigma公司,美国)。ZKKS-MCT-Sharp-Ⅲscanner micro-CT、ZKKS-MicroCT 3.0 软件处理系统(广州中科恺盛医疗科技有限公司);病理切片机(Leica公司,德国);显微镜(Olympus公司,日本)。
1.2 兔尺桡骨解剖学测量
取15只新西兰大白兔,对双侧尺桡骨进行解剖并行micro-CT检查,测量其桡骨全长为(68.78± 1.86)mm,尺偏角为(25.87±2.10)°;桡骨下端距桡骨茎突45 mm一段相对较直;正中神经与头静脉在距桡骨茎突(55.48±2.36)mm处骑跨桡骨,后在指深屈肌深面下行;数根肌腱附着于桡骨远端,桡骨远端无肌腱附着处与桡骨茎突的距离为(21.33±0.78)mm;沿桡骨茎突处作切线,测量切线与桡骨平行的最大距离为(45.26±1.29)mm。见图 1a、b。

1.3 实验分组及方法
1.3.1 实验分组
取30只新西兰大白兔随机分为A、B、C 3组,每组10只,3组均通过手术造成双侧桡骨缺损。
1.3.2 造模方法及术后处理
术前各组动物禁食、水8 h,行耳缘静脉注射戊巴比妥钠(35 mg/kg)麻醉,聚维酮碘溶液消毒手术区。
A组选择桡侧腕伸肌与指伸肌间隙入路,在桡骨远端距桡骨茎突3.0 cm处用线锯截除长约1.5 cm的桡骨,连同骨膜和骨间膜一并切除。B、C组基于兔尺桡骨解剖学分析结果,选取桡骨远端距桡骨茎突2.5~4.0 cm作为截骨段(图 1c),该段桡骨直径(3.5±0.6)mm,截骨长度1.5 cm。于肘上加1条止血带减少手术出血量(<5 mL)。为避免损伤神经、血管及肌腱,于桡侧腕伸肌与指深屈肌间隙入路;因正中神经在桡骨上段紧贴指深屈肌,骑跨桡骨后在指深屈肌深面下行,故尽量紧贴桡侧腕伸肌钝性分离肌间隙即可直达桡骨。显露截骨区域,确定上、下截骨点,于截骨点处用尖刀环形切开骨膜(尽量保证骨膜切缘整齐且两切缘平行),用锯片于上截骨点的下缘和下截骨点的上缘垂直截骨(使锯口在骨缺损范围内),用电锯制备1.5 cm缺损段(注意在锯片上滴注无菌冰盐水降温,保护断端组织活性),用咬骨钳旋出骨段。B组完全切除骨膜和骨间膜,C组切除骨膜、保留骨间膜。见图 2。
生理盐水冲洗术野,逐层缝合切口,聚维酮碘溶液消毒,石膏过关节固定。术后少量饮水,4 h后正常喂食、水;术后连续3 d予以8万U/kg青霉素预防感染。术后每天早晚2次换药,正常喂食、水。
1.3.3 大体观察
术后每3天从皮肤愈合、感染、动物进食饮水及运动情况等方面评估3组动物康复及并发症发生情况。
1.3.4 影像学检查
分别于术后即刻(每组取2只动物)及术后15周(每组取8只动物),采用耳缘静脉注射3%戊巴比妥钠过量麻醉处死。取出整条前臂,剔除肌肉及软组织,行X线片及micro-CT检查,评估骨缺损愈合情况;采用ZKKS-MicroCT 3.0 软件处理系统对缺损段行骨矿含量(bone mineral content,BMC)及骨密度(bone mineral density,BMD)定量分析。
1.3.5 组织学观察
术后15周影像学检查后,将各组标本经脱钙、脱水后制成石蜡标本,组织切片,片厚4 μm,常规行HE染色和Masson染色观察骨缺损区成骨情况。
1.4 统计学方法
采用SPSS17.0统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示,组间比较采用单因素方差分析,两两比较采用SNK检验;计数资料以率表示,组间比较采用χ2检验;检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 大体观察
A组共5只(50%)动物发生并发症,包括术中血管损伤1只、肌腱损伤2只,术后血肿及感染各1只,术后血肿及感染经清创换药后好转;C组1只(10%)动物发生术后感染,经清创换药后好转;B组(0%)未发生并发症。A组并发症发生率显著高于B、C组,差异有统计学意义(P<0.05);B、C组间比较差异无统计学意义(P>0.05)。
2.2 影像学检查
X线片及micro-CT示,术后即刻3组均造模成功,与B、C组比较,A组缺损段欠规整,断缘较不整齐。术后15周,A、B组骨缺损有修复但无连续性骨痂,C组可见缺损区连续性骨痂形成。见图 3、4。
骨组织定量分析显示,术后15周A、B、C组BMC分别为(3.36±0.32)、(3.44±0.20)、(3.89±0.30)mg,BMD分别为(729.4±49.7)、(736.4±64.7)、(752.4± 56.7)mg/cm3,各组间比较差异均无统计学意义(P<0.05)。
2.3 组织学观察
术后15周HE染色和Masson染色示,A组有新生骨形成,但结构紊乱,骨质硬化;B、C组可见新生骨形成,骨细胞中间仍有成软骨细胞存在,B、C组间未见明显区别。见图 5、6。

3 讨论
近年来,关于骨不连、骨肿瘤切除及其他原因造成的骨缺损研究较多[7-10]。目前最常用的造模动物是新西兰大白兔,其前肢由尺桡骨组成,取桡骨中段作骨缺损,同时完整的尺骨起到前肢支撑作用,无需行内固定[11]。实验动物大段骨缺损模型是进行骨与软骨组织工程研究的基础,造模成功与否直接影响研究结果。骨缺损模型不规范,比如骨缺损长短不一、部位不同、有骨膜残留或骨膜切除过多等,均会直接影响各项检测指标的结果,所得数据也不科学。因此,规范的骨缺损动物模型建立是骨组织工程研究的关键和基础。
既往关于制备动物大段骨缺损模型的手术方法报道中,手术入路及手术部位各异,对于骨膜及骨间膜的切除亦存在争议。赵明东等[11]选用骨科微型电钻将桡骨小头下2.5~3.0 cm处一段桡骨连同骨膜一并截除;王玉学等[12]用特制锯片,选择桡骨弧顶部1.5 cm作为截骨段;Yang等[13]用线锯造模;Kasten等[14]、Niemeyer等[15]及Geiger等[16]取兔桡骨中段作一切口,显露尺桡骨,利用线锯截除桡骨远端1.5 cm骨段(包括骨膜)建立骨缺损模型,同时剥离距离缺损近远端0.5 cm骨膜。
本研究基于既往研究,旨在介绍一种大段骨缺损模型建立的新方法。为避免骨与软骨组织工程研究中内植物移位,若采用兔尺桡骨缺损模型,我们建议选择尺桡骨相对较直的一段作为缺损段。本研究结合新西兰大白兔尺桡骨解剖及影像学特点,选择距桡骨茎突2.5~4.0 cm处作为缺损段,取桡侧腕伸肌与指深屈肌间隙入路,可有效避开正中神经及头静脉,同时亦能避开尺桡骨的前倾角,大大减少了内植物移位风险。在肘上扎止血带并选用电锯造模,可减少出血量,使断端整齐,有利于组织工程研究中与内植物紧密接触。术后即刻及15周影像学和组织学检查结果不仅提示造模成功,而且B、C组HE染色和Masson染色显示骨细胞中间还可见到成软骨细胞,说明在造模成功基础上仍保留有成骨潜能,断端细胞的成骨活性对于骨与软骨组织工程学非常重要;而A组骨细胞结构紊乱,骨质发生硬化,究其原因,可能与电锯造模较线锯造模对周围软组织损伤相对较小,对骨折断端血供保留较好有关。A组术后并发症发生率高于B、C组,与A组选择桡侧腕伸肌与指伸肌间隙入路,入路较深、显露困难等原因有关;而且,选择线锯造模,不可避免地对周围组织牵拉损伤,增加了潜在损伤神经、血管的危险性;而B、C组选择桡侧腕伸肌与指深屈肌间隙入路,位置表浅,显露清楚,术野可有效避开神经、血管,选用电锯造模对周围软组织损伤较小。
综上述,统一造模方法对组织工程评价骨组织修复的横向比较至关重要。因此,建议选择4月龄左右健康新西兰大白兔作为造模实验动物,距桡骨茎突2.5~4.0 cm处作为缺损段,以桡侧腕伸肌与指深屈肌间隙入路作为动物大段骨缺损研究的标准造模方法。但作为骨缺损模型标准化研究,尚需对实验动物的月龄、体质量及雌雄等条件进行考虑;骨间膜在骨缺损修复中的具体作用机制亦有待进一步研究。