磁牵引舌骨悬吊术在OSAHS动物模型中的有效性研究

许崇文,杨邡俪,戴 皓,赵 谦,张少强,闫金凤,白艳霞,白纪刚

(1.西安交通大学第一附属医院耳鼻咽喉头颈外科,陕西西安 710061;2.西安交通大学口腔医院陕西省牙颌疾病临床医学研究中心,陕西西安 710004;3.西安交通大学第一附属医院肝胆外科,陕西西安 710061)

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)作为一种潜在致死性睡眠呼吸紊乱疾病,可导致长期慢性缺氧,进而引起高血压、冠心病、糖尿病等不可逆性多器官多系统损害,严重影响患者的生活质量、工作效率和生命健康,现已受到医学界高度关注[1-2]。国内外流行病学调查显示,OSAHS在成年人中的患病率为2%～17%[3-4]。对于存在气道解剖结构异常的OSAHS患者,往往需要根据狭窄平面选择合适的手术治疗方式。当前临床上常用的手术方式为改良悬雍垂腭咽成型术、舌骨悬吊术及舌根前徙术等,然而因手术创伤较大,术后并发症较多,临床上迫切需求寻找一种微创、可靠和疗效确定的手术方式[5-7]。近年来,在多学科协作的促动下,磁外科利用磁铁“非接触力”这一特性,已经广泛应用于胆肠吻合、血管吻合、反流性食管炎等多领域[8-10]。本研究以颏舌肌内注射A 型肉毒杆菌毒素方法制作大白兔舌后坠动物模型,模拟OSAHS患者发病时的舌后区气道塌陷状态,随后在兔舌后坠模型中探索磁牵引舌骨悬吊术方案的有效性及安全性。

1 材料与方法

1.1 实验动物

成年8 月龄雄性实验用大白兔,体质量3.5～4.0 kg,数量为12只,由西安交通大学医学部实验动物中心提供,本研究实验方案经过西安交通大学医学部生物伦理委员会批准。

1.2 动物分组及OSAHS模型构建

动物分组及体质量测量:12只成年雄性实验用大白兔随机分为两组(n=6)。称重并记录动物体质量:对照组平均体质量(3.75±0.21)kg,实验组(3.72±0.21)kg,单笼饲养至少2周,保证实验动物饮食正常,无疾病发生。

建模方法:两组实验动物耳缘静脉注射30 g/L戊巴比妥钠麻醉后,用Ⅲ型安尔碘消毒口腔3次。实验组动物具体药物注射方法为用1 m L 注射器抽取2.5 U/0.1 m L的A 型肉毒杆菌毒素溶液,在颏棘起始点处和左右颏舌肌肌腹处,选取3个点,每点注射0.1～0.15 m L,总量0.4 m L(10 U)(图1)。对照组动物同法在颏舌肌内注射等量生理盐水0.4 m L。注射药物前6 h禁饮食。药物注射后10 min及24 h,观察两组动物肌内注射点有无持续出血、红肿及感染的出现。

图1 实验用大白兔颏舌肌内药物注射示意图Fig.1 Representative pictures of drug injection in genioglossus muscle of experimental animals

股动脉血氧饱和度(SaO2)连续性监测:建模前及建模后第9天,两组实验动物分别行股动脉SaO2连续性监测。30 g/L 戊巴比妥钠耳缘静脉注射,剂量按照每千克体质量1 m L计算。麻醉起效后,两组实验动物均进行经皮动脉SaO2连续测定。监测部位为后肢股二头肌处的股动脉。记录每分钟的平均SaO2,连续记录30 min。

上气道CT 扫描:两组实验动物在监测SaO2结束后,均行上气道CT 检查,测量并记录最窄处气道直径。建模前及建模后第9天测量并记录。

颏舌肌注射后基本状况的观察指标:注射药物后每天观察两组实验动物的一般状况,包括饮食情况、体质量变化、胸廓扩张度及节律、口唇色泽,以及耳缘静脉注射部位是否出现感染和睡眠状态及白天活动状态。

1.3 舌骨悬吊术的手术方法

实验组动物用30 g/L戊巴比妥钠耳缘静脉注射麻醉,仰卧位固定于固定架上,头后仰。将舌骨附近皮肤毛发全部剔除,利多卡因皮下注射以减轻手术疼痛。切开舌骨表面皮肤后逐层暴露舌骨,采用磁牵引舌骨悬吊术,将直径8 mm,厚度4 mm 的圆柱形钕铁硼磁铁装入3D 打印的聚丙烯酸酯外壳内,随后将其缝合固定于舌骨上(图2),统一规定为正极朝向实验动物腹面。

图2 聚丙烯酸酯外壳及内置钕铁硼磁铁示意图Fig.2 Representative picture of polyacrylate shell and builtin Nd FeB magnet

手术完毕后,30 m L/L 过氧化氢浸泡伤口创面3 min,生理盐水冲洗,加入1 m L庆大霉素,逐层缝合肌肉及皮肤,皮肤表面涂抹红霉素眼膏预防感染。待实验动物苏醒后送回兔笼,每日在饮用水中加入抗生素,密切观察动物饮食情况,有无感染及其他不适症状。

1.4 手术并发症的观察

实验组动物在术后7 d内,每天仔细观察颈部切口有无局部出血、红肿、隆起、分泌物量增多及颜色变化,及时记录动物伤口愈合情况。如出现伤口感染情况,需每天使用Ⅱ型安尔碘对伤口进行消毒,并在伤口皮肤表面涂抹红霉素眼膏治疗感染。为预防植入物感染,连续3 d在所有动物饮用水中加入抗生素预防感染;对于已经出现伤口感染的动物,抗生素使用时间延长至5～7 d。

1.5 实验组动物佩戴颈托并行股动脉SaO2 及上气道CT检查

测量实验组动物颈部周径后,设计可长期佩戴的可装载外磁体的颈托,为不干扰磁场,仍采用和内置磁铁外壳一致的聚丙烯酸酯材料进行3D 打印(图3)。将外磁体装入颈托内,术后10 d待切口愈合后,佩戴颈托。

图3 实验组动物佩戴含外磁体的颈托代表图Fig.3 Representative pictures of experimental animals wearing the polyacrylate orthotic neck brace with external magnets

实验组动物佩戴颈托后第7天再次完成1次股动脉SaO2监测及上气道CT 检查,记录佩戴颈托后动物的平均SaO2及上气道最窄处直径。

1.6 统计学处理

采用Excel 2019、SPSS 25.0、Graphpad Prism8等统计学软件进行统计分析。正态分布的计量资料使用均数±标准差表示,组间比较使用t检验。非正态分布的计量资料采用中位数(四分位数间距)表示,组间比较采用非参数检验。检验标准α=0.05,P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结 果

2.1 颏舌肌注射前后两组动物的基本情况

对照组动物颏舌肌内注射生理盐水后,进食、饮水、呼吸、睡眠、体质量及精神状态和口唇颜色等基本状况与操作前无明显变化,说明颏舌肌注射操作对实验动物的基本状况无明显影响;实验组动物颏舌肌内注射A 型肉毒杆菌毒素第5天逐渐出现了一系列低氧血症表现,具体表现为清醒期活动减少,偶见呼吸费力,口唇及耳缘青紫(图4),进食量较前下降,颜面部及四肢皮毛清洁度较前下降;第8天开始在睡眠时逐渐出现明显打鼾,胸廓扩张度增强,时有睡眠觉醒,偶见四肢抽动,对外界物理刺激反应迟钝。

图4 两组动物口唇相变化示意图Fig.4 Representative pictures of rabbit lip phase changes before and after modeling in two groups

2.2 颏舌肌注射前后两组动物体质量及股动脉SaO2 变化

对照组动物颏舌肌注射生理盐水前后体质量分别为(3.75±0.21)kg和(3.72±0.19)kg,差异无统计学意义(P＞0.05)。实验组动物颏舌肌注射A 型肉毒杆菌毒素建模后,体质量由建模前(3.72±0.21)kg下降至(3.40±0.20)kg,差异具有统计学意义(P＜0.05,图5A)。此外,股动脉SaO2连续性监测显示,对照组颏舌肌注射生理盐水前后的股动脉SaO2分别为(94.17±3.66)%及(94.14±3.50)%,差异无统计学意义(P＞0.05);而实验组动物建模后,股动脉SaO2由(93.84±5.14)%降至(84.00±3.35)%(图5B),差异具有统计学意义(P＜0.05)。这表明,对照组动物颏舌肌注射操作对动物体质量及股动脉SaO2无明显影响,而实验组动物颏舌肌注射A 型肉毒杆菌毒素后,睡眠时全身血氧饱和度明显下降,低氧血症直接导致了动物的饮食状态下降及体质量下降。以上结果证明,颏舌肌注射A 型肉毒杆菌毒素可以导致颏舌肌肌张力下降,肌肉松弛,可用于构建舌平面狭窄的OSAHS动物模型。

图5 对照组动物颏舌肌注射前后及实验组动物建模前后体质量(A)及股动脉SaO2(B)变化的比较Fig.5 Changes of body weight(A)and SaO2 (B)of the femoral artery in control group before and after genioglossus muscle injection and in experimental group b efore and after modeling

2.3 实验组动物佩戴颈托后的基本状况及股动脉SaO2 变化

实验组动物术后10 d待手术切口愈合,佩戴装载外置磁铁的颈托,观察显示,与佩戴前相比,动物食量增多,对外界刺激反应灵敏,口周及四肢皮毛清洁度较治疗前有所改善,皮毛光泽度有所恢复,口唇颜色由青紫转为粉红,白天在兔笼内俯卧位闭目睡眠时间减少,站立时间增多。此外,实验组动物佩戴装载外磁体的颈托后股动脉SaO2明显升高,为(90.44±5.95)%,与建模后未佩戴颈托时的股动脉SaO2(84.00±3.35)%相比,差异具有统计学意义(P＜0.05,图6)。

图6 磁力牵拉对实验组动物股动脉SaO2 的影响Fig.6 Effect of magnetic traction on the change of SaO2 of the femoral artery of animals in the experimental group

2.4 实验组动物佩戴颈托后上气道最窄处直径的变化情况

颏舌肌注射后第9天行上气道CT检查发现,实验组动物上气道最窄处直径由(4.83±0.48)mm 下降至(3.52±0.83)mm,差异有统计学意义(P＜0.05);而对照组动物颏舌肌注射生理盐水前后上气道直径分别为(4.80±0.32)mm 和(4.73±0.47)mm,差异无统计学意义(P＞0.05)。实验组动物建模成功后植入内置磁铁装置,并在切口愈合后佩戴装载外置磁铁的颈托后,检测显示上气道最窄处直径明显增大至(4.42±0.15)mm,较佩戴前差异具有统计学意义(P＜0.05,图7)。以上结果说明,实验组利用内外磁体产生的磁力对舌骨进行向前牵拉,可有效扩大舌平面直径,进而有助于改善舌后坠动物的睡眠呼吸阻塞状况及血氧水平。

图7 磁力牵拉对实验组动物上气道最窄处直径的影响Fig.7 Effects of magnetic traction on the diameter of the narrowest part of the upper airway of animals in the experimental group

2.5 磁牵引舌骨悬吊术的手术并发症

实验组动物在磁牵引舌骨悬吊术后第2～3天,有2例动物伤口局部红肿,术后连续5 d在饮用水中加入抗生素治疗后,伤口红肿消失,无其他并发症出现。

3 讨 论

OSAHS特征为睡眠期间上气道周期性塌陷导致间歇性低氧血症和睡眠碎片化,其主要的发病机制在于上气道解剖结构狭窄和神经调节功能异常[1-2]。OSAHS可导致高血压、冠心病、糖尿病、阿尔茨海默病等多器官多系统功能损害[11-12]。OSAHS的保守治疗方式包括控制体质量,调整生活及饮食习惯,无创辅助通气和口腔矫治器等,但患者的依从性往往较差[6,12]。当前的手术治疗方式主要包括悬雍垂腭咽成形术、舌前徙术及舌骨悬吊术等[13-15],创伤较大,术后长期有效率不高。国内外学者一直在寻求一种更加微创而可靠的手术治疗方式。磁外科技术目前已广泛应用于外科手术领域,其“非接触磁力”能够很大程度上降低常规手术对机体的创伤[8-10]。针对舌后平面狭窄的OSAHS患者,当前常用舌骨悬吊术或舌根前徙术进行外科治疗,但术中使用的聚丙烯线具有一定的疲劳性,长期持续牵拉可导致舌部肌肉重塑及肌肉活性下降,术后2～3 年手术有效率大幅下降[16-17]。因此,本研究使用钕铁硼内外磁铁产生的吸引力取代舌骨悬吊术中聚丙烯线,仅在睡眠时间佩戴体外磁力组件,可减轻持续外力牵拉导致的舌肌疲劳、重塑问题,磁力稳定不衰减,可显著提高手术疗效。

本研究通过动物实验验证磁牵引舌骨悬吊术治疗OSAHS的有效性及安全性。根据叶京英教授制作舌后坠大白兔动物模型的经验,本研究用A 型肉毒杆菌毒素三点注射于大白兔颏舌肌,通过减弱颏舌肌肌力造成舌后坠,进而引起舌后平面狭窄。这一建模方式损伤小,实验动物应激反应轻,且在解剖结构上更逼真地模拟了上气道狭窄,后期进行磁力牵引舌骨时,所获得的实验结果更为可靠。OSAHS模型制作后的监测指标为动物基本状态、上气道最窄处直径及股动脉Sa O2变化。实验组动物建模前后食量减少,体质量下降,精神状态低迷,四肢皮毛光泽度及清洁度差,白天除进饮食外常俯卧位闭目睡眠,口唇颜色青紫;股动脉SaO2连续性监测结果显示,对照组颏舌肌注射生理盐水前后SaO2无明显变化,而实验组颏舌肌注射A 型肉毒杆菌毒素建模后,股动脉SaO2由(93.84±5.14)%降至(84.00±3.35)%,上气道最窄处直径由(4.83±0.47)mm 下降至(3.52±0.83)mm,差异均有统计学意义(P＜0.05)。这证明用A 型肉毒杆菌毒素三点注射于大白兔颏舌肌可成功制作舌后坠大白兔动物模型。

OSAHS疾病模型构建成功后,对实验组动物进行磁牵引舌骨悬吊术。首先,使用3D 打印技术制作可装载钕铁硼内磁铁的聚丙烯酸酯外壳,通过手术在大白兔舌骨中央植入内磁体装置。随后,进一步根据大白兔的颈部特点设计可长期佩戴的外磁体颈托。实验组动物佩戴含外置磁铁的颈托进行磁力牵引后,发现动物食量较前增多,对于外界刺激反应灵敏,口周及四肢皮毛清洁度较治疗前有所改善,口唇颜色由青紫转为粉红,白天在兔笼内俯卧位闭目睡眠时间减少,站立时间增多,股动脉SaO2明显升高,气道最窄处直径明显增大(P＜0.05)。以上结果均表明磁牵引舌骨悬吊术可改善舌后坠大白兔模型的上气道狭窄程度,提高动物血氧水平,进而有效缓解OSAHS导致的一系列低氧血症诱发的症状。此外,实验组有2例动物在舌骨植入物术后出现轻微伤口红肿,抗感染治疗后痊愈,这也表明3D 打印的聚丙烯酸酯材料外壳的生物安全性较高。

综上所述,大白兔颏舌肌注射A 型肉毒杆菌毒素可有效引起颏舌肌肌张力降低,造成动物舌后平面狭窄,导致低氧血症的发生,从而成功构建舌后坠OSAHS动物模型。磁牵引舌骨悬吊术可使舌后坠动物的上气道最窄处直径明显增大,全身血氧水平上升,有效纠正OSAHS导致的动物生活饮食习惯的改变及体质量下降。因此,利用磁铁“非接触性磁力”有望替代传统的舌骨悬吊术,既可使舌骨前移,扩大舌后平面,改善上气道狭窄导致的通气不足、夜间睡眠中断等症状,又避免了牵引线贯穿口底引起组织创伤过大的问题。但是,本研究所纳入的实验动物数量尚少,仍需大样本量实验对本研究结果进行验证。此外,实验动物佩戴外部颈托后需定期检查颈托位置,防止因动物活动引起的颈托移位导致磁牵引力下降,从而导致的实验结果偏差,将来需进一步设计和制作更加稳固的外部颈托用于实验研究。本研究是磁牵引舌骨悬吊术在动物模型内的初步尝试,可为今后的临床应用提供一定的理论支持。