头颈部肿瘤放疗区种植修复动物实验的研究进展

赵娅琴　刘艾芃　王晓华　胡晓光　邓文正

【关键词】 头颈部肿瘤;放疗;种植体;动物实验

中图分类号：R739.91 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.10031383.2020.01.017

头颈部肿瘤并非罕见，近年全球每年罹患头颈部肿瘤的患者呈上升趋势[1]。放疗是头颈部肿瘤患者综合治疗的重要方法之一，但放疗的不良反应如口腔干燥症、放射龋、牙周病及真菌感染的发生势必对患者的日常生活造成消极影响[2]。该类患者的牙列缺失或缺损的修复无疑将遇到较大的困难。相较于可摘局部义齿，口腔种植牙因其能增加义齿的固位力，提高咀嚼效率，从而降低了患者的不便而占有一定的优势。研究[3～4]表明，放射照射后种植固定义齿能有效提高患者舒适度，改善患者的生活质量。因此，种植义齿正日益成为修复缺失牙的理想选择。然而，由于受到恶性肿瘤放疗患者病情的复杂性及预后的不确定性，以及伴随无法避免的并发症风险等客观因素的限制，同时放疗辐射还会对机体的软、硬组织产生负面影响，种植义齿在放疗患者身上的应用受到极大限制，探讨种植体的植入时机及确定一个放疗后种植规范十分必要。笔者从实验动物对象的选择、种植体的选择及放射方案的选择三方面对现有文献进行梳理，总结头颈部肿瘤放疗区种植修复动物实验的研究概况，希望能为临床治疗及后续研究提供参考。

1 动物实验对象的选择

现实中，没有一种动物模型具有与人类相同的解剖学、生化、生理学和生物学特征，因此在选择实验动物时要考虑的主要因素包括：实验可行性、伦理学、动物承受能力、饲养管理、不同种属的骨特征（微观结构、骨沉积、骨改建等）。国内外多位学者在研究骨缺损的动物模型中选用猴、小型猪、犬、兔、绵羊/山羊、鼠为实验动物，通过口内或口外实验，在其下颌骨、胫骨、股骨、颅骨等部位制造骨缺损，植入种植体、植骨材料，采用组织学的方法评估骨结合或成骨情况[5～7]。

1.1 犬

犬因来源充足、易驾驭、易生养、对环境适应能力强、耐受力好和抗感染力强等优势对于实验的设计和操作比较有利，且犬骨与人骨相比，具有类似人骨的次级骨单位结构、蛋白成分、无机成分、含水量[8]。口腔解剖方面犬有一定的优势：犬口裂大，利于涉及后牙区的操作;犬磨牙拥有较多的尖窝、稳定的咬合，且与人具有相似的咀嚼方式[9]。成年犬包括 Beagle 犬、杂种猎犬、家犬等的牙槽骨较宽，骨质致密，与人的牙槽骨较为相似，是建立骨内种植动物模型较为理想的动物[8]。Tatakis等多位学者[5～6，10～13]选择1～2岁、体重12～22 kg不等的健康成年犬（包括Beagle犬、杂种犬）下颌骨建立动物模型研究种植体骨结合、种植时机等问题。对于犬动物实验学者们研究涉及骨内种植体多选择犬下颌骨，且纯种Beagle犬应用较多，多为雄性，均为健康体重的成年动物。放疗区种植的动物研究需考虑动物骨代谢率，而犬骨的骨小梁平均更新率为100%/年，而人骨则为10%～55%/年[8，14]，与人类相似性差异大。由于犬在人类生活中的地位越来越重要，它们常常作为人类的动物伴侣，因此医学动物研究中使用犬也面临越来越多的伦理问题。

1.2 兔

兔子是医学研究中最常用的动物之一，一定程度上是由于它们的易操作、易饲养、成本较低的特点[15～16]。且兔动物实验便于规模化，其大约生长至6个月大时即达到性成熟，此后骨骼便达到成熟期[17]。而兔动物模型有一定的局限性，其最大的缺点就是它的体积限制了植入物的尺寸和数量，这不利于多种植入材料实验的研究。《医疗器械生物评价国际标准》建议每只兔子最多植入6个植入物（3个试验植入物和3个对照植入物），建议直径不大于2 mm，长度不大于6 mm，此为推荐给较大动物，如绵羊/山羊、狗和猪等的最大植入量和植入物尺寸的一半。尽管如此，兔子在医学植入材料的动物模型中也非常受欢迎。在涉及种植体植入的动物实验中，为了避免实验点的病理性骨折，较多实验者都选择兔的胫骨和股骨而非兔的颌骨，也是基于兔的骨骼形状大小以及负重与人类差异较大而考虑的。多位学者在研究放疗区种植体骨结合相关问题时选择体重2～2.8 kg的兔为实验动物，且实验部位均选择了兔的胫骨[18～19]。

1.3 羊

羊性情温和，体型庞大，很容易饲养。山羊被认为是生产食物的动物，因此，在用于研究时，与狗等动物相比，山羊也具有较少批判性的公众感知优势。与绵羊相比，山羊具有更强的好奇心和互动性，因此山羊的饲养难度可能比绵羊更具挑战性。绵羊的体重与人类相似，足够大，可以进行连续取樣和多次实验。它们在7到12个月之间达到性成熟（平均年龄9个月），品种之间略有差异。从骨骼的角度来看，性成熟时，羊还没有发育成熟，青春期后很长一段时间内就停止了生长。羊骨的生物力学性能、骨代谢率和骨改建率同人骨具有相似性，但是羊骨的微观结构与人骨相当不同，且其骨小梁密度为人骨的1.5～2倍，在血管化重建率和新生骨小梁转化率方面，羊骨的3个月约等于人骨的8个月[20]。由于犬作为人类的动物伴侣，与犬相关的动物实验受伦理限制，因此绵羊作为动物模型在骨科研究中越来越受欢迎[21～23]，尤其是作为狗的替代品。Philipp等[7]选择32只体重69～88 kg成年雌性绵羊作为实验动物评估使用移植物作为填充材料是否能改善种植体周围的骨信息，以及无活性活化表面能否增加骨与种植体的接触。然而，羊动物实验与狗动物实验的对比仍然缺乏基本数据。因此建议将羊作为骨科研究的实验模型时，需要谨慎评估，以避免对动物的不完全了解而在评估结果时出现错误。

1.4 猪

猪骨在解剖结构、形态学、骨改建和间隙愈合能力方面，与人骨具有相似性。但限制其使用的一些问题可能与长期的骨科研究有关，如商品猪身体生长快速和体重易超标，一般被认为不适合应用于骨植入物动物模型[24]。且猪难以驯服和具有易攻击性，大部分研究者不愿将其纳入选择范围。也有较小的品种可供选择，但它们相对昂贵，有时很难获得。猪作为理想的实验动物模型必须具备三大要素：矮小性、遗传稳定性和与人的相似性。西藏小型猪、巴马小型猪等纯种小型猪遗传稳定性和与人的相似性已进行了研究和论证，可作为理想的实验动物[25]。小型猪在基因上证明与人的相似性很高，又因为伦理、成本等条件限制选用非人灵长类动物作为实验动物，因此纯种小型猪的应用更有可能[26～27]。且猪比狗的骨再生率更接近人类（狗1.5～2.0 mm/天;猪1.2～1.5 mm/天;人类1.0～1.5 mm/天）[28]。在骨骼解剖学、形态学、愈合和建模方面，猪被认为是人类骨骼的代表，因此是一个合适的选择[8]。加上小型猪在维持、大小、手术麻醉适宜性、诊断程序等方面的临床相关优势，使得其在相关动物模型方面更具优势[24]。Susin 等[29～30]在评估新的植入系统的安全性和有效性时，选择尤卡坦小型猪在其下颌植入植入物进行放射学和组织学分析。Chappuis等[31]选择小型猪进行动物实验研究不同植入物骨整合情况。更有研究者通过建立阿根廷小型猪动物模型研究头颈部的放射性骨坏死[32]。因此，小型猪的应用越来越广泛，尤其在动物骨实验领域中的应用日渐增多，它们也愈加被认可为非人灵长动物及狗等存在伦理问题实验动物的替代动物。

没有一种动物完全符合理想的动物模型要求，如何选择动物取决于饲养条件、可操作性、符合伦理要求等，综合各种因素，其中相对最适合的植入物研究動物是小型猪。

2 种植体的选择

为了测试骨科和牙科植入物，有必要使用一个可复制的模型，其中植入物的尺寸可以与人类使用的尺寸相匹配。植入物的数量和大小将直接影响所选动物的种类。纯钛应用于牙种植体已经很成熟，在研究放疗与种植修复时，植体的选择主要考虑植体的形态、尺寸两个因素。

2.1 种植体的形态

动物实验中，种植体形态常用螺纹状、光滑圆柱状，很少用到叶状、盘状。螺钉型种植体具有良好的组织稳定性的优点，而圆柱形种植体则依赖于精确的贴合才能在骨内保持稳定，并就其对骨整合的影响给出准确的结果[33]。

2.2 种植体的尺寸

在选择精确的植入物尺寸时，必须考虑研究中使用的动物品种。不管形态设计如何，植入物的大小都应该与所选择的物种和骨植入位置相适应。国际标准ISO推荐：当植入在兔胫骨或股骨时，圆柱状种植体须小于2 mm直径和6 mm长度;当植入在大型动物如羊、犬时，圆柱状种植体可达4 mm直径和12 mm长度，而螺纹状种植体可大于4.5 mm直径[34]。路正刚等[35]在犬动物实验观察放疗对狗下颌种植体周围骨形成蛋白（BMP）分布与活性的影响时，选择直径为3.75 mm、长11 mm、尖端部分布纵孔和横孔的螺纹纯钛种植体。黄元瑾等[10]用Beagle犬建立颌骨内种植动物模型，选择直径3.8 mm、长10 mm、机械加工光滑表面的柱状螺纹组合式种植体。部分相关动物实验应用长度不足10 mm的植体，李忠林等[36]建立兔动物模型研究种植术后放疗骨结合情况，选取直径2 mm、长5 mm，螺旋状纯钛种植体。动物种植模型所使用的种植体尺寸应尽量采用适用于人类的商用种植体或自定义种植体[37]。

3 放射方案的选择

放射损伤的程度取决于照射剂量，头颈部肿瘤患者放疗剂量一般选择在30～116 Gy。目前公认50 Gy放射剂量为产生骨损害的临界剂量，对于50 Gy以上高剂量组的种植可行性研究，有望在未来有所进展。动物实验常选择约50 Gy的剂量[10～11，38]，人类放疗50 Gy常规方案为50 Gy/5次，此方案直接应用于动物势必导致实验时间延长，增加系统误差的概率，因此常应用肿瘤治疗学中等效剂量的概念计算出方便实施操作的放射剂量与次数。柳玉晓等在[11]犬动物实验中应用等效剂量的概念，根据 LQ 模型[39]，应用 LQ 公式：E=ndα[1+d/（α/β）];计算生物等效剂量（BED）：BED=E/α=nd[1+d/（α/β）]，计算得出22.8 Gy /4次·2 周的剂量等效于50 Gy/25次。Ocaa等[40]在兔动物实验中实验组动物在植入前40天接受单次剂量1727 cGy（等效于在7周内对人体进行总共7000 cGy的治疗，分成35个200 cGy的剂量）。也有实验兔一次性接受60Co15 Gy量的放疗，源皮距80 cm（等效于每次2 Gy，每周5次，共23次，总量为50 Gy的放疗量）[36]。黄元瑾等[10]设计实验犬拔牙1个月后进行放疗，照射距离100 cm，照射野为10 cm边长的方形，每野照射空气量为500 cGy，共3次（等效常规放射剂量为50 Gy）。受实验时间、照射难度、麻醉风险、系统误差等因素的影响，大多数学者采用一次性放疗或少次放疗。而拔牙术后最少间隔多久放疗、放疗结束最少间隔多久进行牙种植术尚无定论，仍有待进一步研究。

4 总结与展望

综上所述，头颈部放疗区种植修复动物模型的建立，从动物的选择到实验方法等都值得探入探讨。小型猪为目前理想的实验动物，且应用于医学其他方面已相对成熟;种植体的数目、尺寸的选择关系到实验动物及实验部位的选择;动物放疗剂量常选择临界剂量50 Gy，且要应用等效剂量概念，换算出较少操作次数的放疗剂量以减少实验的误差。现阶段，关于拔牙后放疗时机及放疗后种植时机仍存在争议，通过可靠的动物实验以期探寻头颈部肿瘤放疗患者拔牙、放疗、种植相对安全的时机，为改善患者生活质量创造可能。

参 考 文 献

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（收稿日期：2019-09-03 修回日期：2019-11-22）

（编辑：王琳葵 梁明佩）