跟腱切断法诱导大鼠异位骨化动物模型的建立

【摘要】  ［目的］ 探讨建立一种异位骨化（heterotopie ossification,HO） 动物模型，并初步研究其形成机制。［方法］36只雄性SpragueDawley (SD)大鼠随机分为三组（n=12）：单纯切开皮肤组 （sham）、跟腱半切组 （partial Achilles’ tenotomy,PAT)、跟腱全切断组（Achilles’ tenotomy,AT），于术后6、10周分别行跟腱X 线和组织学检查，观察异位骨形成情况。［结果］ (1) sham 和 PAT 组6、10周均未发生HO；(2) AT 组：术后6周，3只大鼠X 线片可见异位骨，3只组织学检查发现有软骨形成；术后10周，6只大鼠均出现HO。这种异位骨具有骨小梁和骨髓结构，是通过软骨化骨形成。［结论］跟腱切断术能有效诱导大鼠 HO，该方法简单、有效、易行，结果稳定。

【关键词】  跟腱； 异位骨化； 模型； 大鼠

Animal model of heterotopic ossification induced by Achilles’ tenotomy in SpragueDawley rat∥XU Junchang,WU Tao,WU Guihua,et al.Department of Spine and Orthopedics,Nanfang Hospital,Southern Medical University,Guangzhou 510515,China

    Abstract：［Objective］To establish an animal model of heterotopie ossification (HO) induced by Achilles’ tenotomy in SpragueDawley (SD) rat and to investigate its possible mechanism.［Method］Thirty six male SD rats were divided into 3 groups (n=12).In sham group,incision and suturation were performed only in the left leg.Partial tenotomy was performed in the left Achilles tendons in PAT group.In AT group,tenotomy was performed in the left Achilles tendons to establish animal model of HO.Xray and histological examinations were made at 6 and 10 weeks after operation.［Result］(1)No HO occurred in the sham and PAT groups.(2)In AT group,3 rats showed cartilage and bone formation on Xrays while the remaining 3 rats showed chondrification in histological examination at 6 weeks after operation.At 10 weeks all rats showed bone formation with trabecular bone.This kind of HO developed through a process of endochondral ossification.［Conclusion］Tenotomy is a simple,effective and feasible method to induce HO.

    Key words：achilles tendon;  heterotopic ossification;  animal model;  rat

     近年来，随着人工关节的广泛应用及骨折切开复位内固定术的普及，HO 的发病率显著增高。由于其发病机制不明，缺乏理想的预防和治疗方法，致残率很高，其病因和发病机制受到广泛关注。因缺乏与临床密切相关的动物模型，目前对 HO 的研究大多集中在临床预防和治疗上。动物模型是研究骨的形态结构及生长代谢特点的有利工具，本研究旨在建立一种有效诱导 HO 动物模型的方法，并初步探讨其形成机制。

    1  材料与方法

    1.1  实验动物

    　　SD 大鼠，雄性，体重120～150 g，平均140 g。由广州中医药大学实验动物中心提供。

    1.2  实验设计

    36只大鼠随机分为3组：sham、PAT、AT 组。大鼠腹腔注射戊巴比妥(30 mg/kg)  麻醉后，无菌条件下，取左小腿后外侧入路。sham 组：切开皮肤，显露跟腱后缝合；PAT 组：跟腱中点处横断1/2，缝合皮肤；AT 组：跟腱中点处完全横断,在断裂跟腱两端，用血管钳反复钳夹 5 次，造成一定的创伤，跟腱不予缝合，缝合皮肤切口。术后常规饲养、观察。

    1.3  观测指标

    1.3.1  X 线检查  分别于术后第6、10周大鼠麻醉后行手术部位跟腱X线检查，观察有无异位骨形成。

    1.3.2  跟腱的肉眼观察与组织学检查  大鼠进行X 线检查完毕后，断颈法处死，跟腱部位取材。观察大鼠跟腱的颜色、厚度、弹性、坚硬度及异位骨位置。然后用10％的中性甲醛固定24 h，15%的EDTA 脱钙1周，脱钙完全后梯度乙醇脱水，透明石蜡包埋，制成5 μm 厚切片，HE、Masson 染色，光镜观察。

    2  结  果

    2.1  大鼠一般情况

    术后第1d AT 组死亡2只、PAT 组死亡1只，及时予以补充。余大鼠情况良好，切口无感染，愈合良好。

    2.2  跟腱肉眼观察结果

    sham组：术后6、10 周时跟腱呈白色，约2～4 mm 宽，1 mm 厚。PAT 组：术后6 周，跟腱断裂处颜色变暗，稍肿大变粗；10 周由增生的纤维结缔组织相连，质地变硬。AT 组：术后6 周，跟腱颜色变暗，呈米黄色，断端肿大变粗，质地变硬，断端之间有增生组织相连，柔软度、弹性下降；术后10 周，异位骨化发生于断端处，逐渐向两端延伸，与周围组织粘连。

    2.3  X 线检查结果

    术后6 周，sham、PAT 组未见HO (图1a、b)；AT 组有3 只大鼠出现 HO，在跟腱部位可见2个圆形的高密度影，中间有间隙分隔 (图1c)。术后10 周，sham、PAT 组未见 HO；AT 组全部出现 HO，跟腱部位可见线性高密度影(图1d)。

    图1  X 线检查结果  图1a  sham 组术后10周 X 线片  图1b   PAT 组术后10周 X 线片  图1c  AT 组术后6周，X 线片在跟腱部位出现2个高密度影  图1 d  AT 组术后10周，X 线片出现高密度线性影

    2.4  组织学检查结果

    术后6、10周，sham、PAT 组切片未见软骨和骨形成 (图2a、b)；术后6周，AT 组切片内可见软骨细胞，有骨陷窝和骨小梁结构 (图2c、e)；术后10周，切片内可见成熟的骨组织、骨小梁、骨髓腔及板层骨样结构 (图2d、f)。

    3  讨  论

    3.1  此种动物模型的特点、意义

    　　HO 是指在正常情况下没有骨组织的软组织内形成的新生骨。根据形成原因，HO 可以分为创伤性、神经源性、遗传型等［1］，其中创伤性最常见。HO 形成机制不明，动物模型是探讨 HO形成机制的有效方法，为此，众多学者探讨了多种建模方法。Walton［2］采用反复钝性损伤羊大腿肌肉的方法诱导出异位骨化，组织学检查认为这种异位骨是通过膜内化骨的途径形成的；尹峰［3］采用暴力按摩与伸直位固定兔膝关节，在股四头肌内诱导异位骨化，组织学检查证明此种异位骨是通过软骨化骨的途径形成的；任宪锋［4］先造成兔脊髓损伤，然后采用膝关节长期固定与间歇被动活动相结合的方法诱导出 HO；Lin［5］和 Kan L［6］应用转基因技术也成功创造出 HO 动物模型。对于以上这些模型，多数学者持肯定态度，但也有学者认为这些模型缺少客观可控性，可靠性和重复性较差，结果变化大。

    　　本研究应用跟腱切断的方法，在较短的时间内成功的诱导出异位骨化，此方法简便、有效、易行，结果稳定、重复性好。其意义在于：该动物模型在形态和放射学上与临床创伤或手术导致的 HO 病理状态较为接近，有利于对 HO 的病理和发病机制进行研究；对早期诊断，尤其是判断骨化的活动程度奠定了基础；还可用于治疗手段的研究。

    3.2  HO 形成机制

    　　HO 与骨痂形成在组织学上并无区别，有学者提出了在软组织中诱导成骨必需3个条件：（1）成骨的前体细胞（靶细胞）；（2）成骨诱导因子；（3）适宜的环境［7］。软组织内的具有成骨潜能的未分化间充质干细胞在 HO 的发展过程中起重要作用，但其不能独自形成 HO，需要刺激性因子的存在。如果无成骨诱导因子的作用，这类细胞在整个生命过程中都不会分化形成软骨和骨［8］ 。在本研究中组织学显示，切断大鼠跟腱后，在组织的修复过程中可以引起软骨和骨形成。这种骨化首先是软骨细胞的增殖和肥大，然后出现基质钙化，血管长入，同时破骨细胞和成骨细胞改建，通过软骨化骨的方式形成。推测其机制为：跟腱切断损伤、后续的组织坏死和局部的低氧环境导致巨噬细胞聚集。巨噬细胞反应性释放肿瘤坏死因子（TNF）、白介素-1（IL-1）等一些炎症介质。这些炎症介质可刺激单核细胞、血管内皮细胞、软骨细胞、成骨细胞内环氧化酶2（COX-2）mRNA 的表达上调［9］ ，导致前列腺素的释放；炎症介质的还可导致体内 BMPs［10］、催乳素、bFGF 等的释放增加。既往的研究已经证明：前列腺素［11～13］、BMPs、催乳素、bFGF 这些体液因子在骨形成和修复重建［14］甚至在异位骨化［9，10，15］中起着重要作用，它们或通过刺激间充质干细胞、成骨细胞的增殖与分化，和（或）通过刺激细胞外基质的合成与矿化，和（或）通过刺激血管生成［16］等一系列过程来促进骨形成。图2  组织学检查结果  图2a  sham 组术后10周，正常的跟腱组织 (HE×40)   图2b   PAT 组术后10周，退变的跟腱组织 (HE×40)  图2c  AT 组术后6周，退变的跟腱组织内可见软骨样细胞 (HE×40)  图2d  AT 组术后10周，可见成熟的骨样组织，骨小梁和骨髓腔 (HE×40)  图2e  AT 组术后6周，可见骨陷窝和骨小梁结构 (Masson× 40)  图2f  AT 组术后10周，可见成熟的板层骨样结构 (Masson×40)

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作者单位：1.南方医科大学 a.南方医院脊柱骨病科；b.南方医科大学研究生学院 ，广州 510515；2.襄樊职业技术学院附属医院外科，湖北 441021