頭頸部腫瘤放療區(qū)種植修復(fù)動物實驗的研究進展

趙婭琴　劉艾芃　王曉華　胡曉光　鄧文正

【關(guān)鍵詞】 頭頸部腫瘤;放療;種植體;動物實驗

中圖分類號：R739.91 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.10031383.2020.01.017

頭頸部腫瘤并非罕見，近年全球每年罹患頭頸部腫瘤的患者呈上升趨勢[1]。放療是頭頸部腫瘤患者綜合治療的重要方法之一，但放療的不良反應(yīng)如口腔干燥癥、放射齲、牙周病及真菌感染的發(fā)生勢必對患者的日常生活造成消極影響[2]。該類患者的牙列缺失或缺損的修復(fù)無疑將遇到較大的困難。相較于可摘局部義齒，口腔種植牙因其能增加義齒的固位力，提高咀嚼效率，從而降低了患者的不便而占有一定的優(yōu)勢。研究[3～4]表明，放射照射后種植固定義齒能有效提高患者舒適度，改善患者的生活質(zhì)量。因此，種植義齒正日益成為修復(fù)缺失牙的理想選擇。然而，由于受到惡性腫瘤放療患者病情的復(fù)雜性及預(yù)后的不確定性，以及伴隨無法避免的并發(fā)癥風(fēng)險等客觀因素的限制，同時放療輻射還會對機體的軟、硬組織產(chǎn)生負(fù)面影響，種植義齒在放療患者身上的應(yīng)用受到極大限制，探討種植體的植入時機及確定一個放療后種植規(guī)范十分必要。筆者從實驗動物對象的選擇、種植體的選擇及放射方案的選擇三方面對現(xiàn)有文獻進行梳理，總結(jié)頭頸部腫瘤放療區(qū)種植修復(fù)動物實驗的研究概況，希望能為臨床治療及后續(xù)研究提供參考。

1 動物實驗對象的選擇

現(xiàn)實中，沒有一種動物模型具有與人類相同的解剖學(xué)、生化、生理學(xué)和生物學(xué)特征，因此在選擇實驗動物時要考慮的主要因素包括：實驗可行性、倫理學(xué)、動物承受能力、飼養(yǎng)管理、不同種屬的骨特征（微觀結(jié)構(gòu)、骨沉積、骨改建等）。國內(nèi)外多位學(xué)者在研究骨缺損的動物模型中選用猴、小型豬、犬、兔、綿羊/山羊、鼠為實驗動物，通過口內(nèi)或口外實驗，在其下頜骨、脛骨、股骨、顱骨等部位制造骨缺損，植入種植體、植骨材料，采用組織學(xué)的方法評估骨結(jié)合或成骨情況[5～7]。

1.1 犬

犬因來源充足、易駕馭、易生養(yǎng)、對環(huán)境適應(yīng)能力強、耐受力好和抗感染力強等優(yōu)勢對于實驗的設(shè)計和操作比較有利，且犬骨與人骨相比，具有類似人骨的次級骨單位結(jié)構(gòu)、蛋白成分、無機成分、含水量[8]?？谇唤馄史矫嫒幸欢ǖ膬?yōu)勢：犬口裂大，利于涉及后牙區(qū)的操作;犬磨牙擁有較多的尖窩、穩(wěn)定的咬合，且與人具有相似的咀嚼方式[9]。成年犬包括 Beagle 犬、雜種獵犬、家犬等的牙槽骨較寬，骨質(zhì)致密，與人的牙槽骨較為相似，是建立骨內(nèi)種植動物模型較為理想的動物[8]。Tatakis等多位學(xué)者[5～6，10～13]選擇1～2歲、體重12～22 kg不等的健康成年犬（包括Beagle犬、雜種犬）下頜骨建立動物模型研究種植體骨結(jié)合、種植時機等問題。對于犬動物實驗學(xué)者們研究涉及骨內(nèi)種植體多選擇犬下頜骨，且純種Beagle犬應(yīng)用較多，多為雄性，均為健康體重的成年動物。放療區(qū)種植的動物研究需考慮動物骨代謝率，而犬骨的骨小梁平均更新率為100%/年，而人骨則為10%～55%/年[8，14]，與人類相似性差異大。由于犬在人類生活中的地位越來越重要，它們常常作為人類的動物伴侶，因此醫(yī)學(xué)動物研究中使用犬也面臨越來越多的倫理問題。

1.2 兔

兔子是醫(yī)學(xué)研究中最常用的動物之一，一定程度上是由于它們的易操作、易飼養(yǎng)、成本較低的特點[15～16]。且兔動物實驗便于規(guī)模化，其大約生長至6個月大時即達到性成熟，此后骨骼便達到成熟期[17]。而兔動物模型有一定的局限性，其最大的缺點就是它的體積限制了植入物的尺寸和數(shù)量，這不利于多種植入材料實驗的研究?！夺t(yī)療器械生物評價國際標(biāo)準(zhǔn)》建議每只兔子最多植入6個植入物（3個試驗植入物和3個對照植入物），建議直徑不大于2 mm，長度不大于6 mm，此為推薦給較大動物，如綿羊/山羊、狗和豬等的最大植入量和植入物尺寸的一半。盡管如此，兔子在醫(yī)學(xué)植入材料的動物模型中也非常受歡迎。在涉及種植體植入的動物實驗中，為了避免實驗點的病理性骨折，較多實驗者都選擇兔的脛骨和股骨而非兔的頜骨，也是基于兔的骨骼形狀大小以及負(fù)重與人類差異較大而考慮的。多位學(xué)者在研究放療區(qū)種植體骨結(jié)合相關(guān)問題時選擇體重2～2.8 kg的兔為實驗動物，且實驗部位均選擇了兔的脛骨[18～19]。

1.3 羊

羊性情溫和，體型龐大，很容易飼養(yǎng)。山羊被認(rèn)為是生產(chǎn)食物的動物，因此，在用于研究時，與狗等動物相比，山羊也具有較少批判性的公眾感知優(yōu)勢。與綿羊相比，山羊具有更強的好奇心和互動性，因此山羊的飼養(yǎng)難度可能比綿羊更具挑戰(zhàn)性。綿羊的體重與人類相似，足夠大，可以進行連續(xù)取樣和多次實驗。它們在7到12個月之間達到性成熟（平均年齡9個月），品種之間略有差異。從骨骼的角度來看，性成熟時，羊還沒有發(fā)育成熟，青春期后很長一段時間內(nèi)就停止了生長。羊骨的生物力學(xué)性能、骨代謝率和骨改建率同人骨具有相似性，但是羊骨的微觀結(jié)構(gòu)與人骨相當(dāng)不同，且其骨小梁密度為人骨的1.5～2倍，在血管化重建率和新生骨小梁轉(zhuǎn)化率方面，羊骨的3個月約等于人骨的8個月[20]。由于犬作為人類的動物伴侶，與犬相關(guān)的動物實驗受倫理限制，因此綿羊作為動物模型在骨科研究中越來越受歡迎[21～23]，尤其是作為狗的替代品。Philipp等[7]選擇32只體重69～88 kg成年雌性綿羊作為實驗動物評估使用移植物作為填充材料是否能改善種植體周圍的骨信息，以及無活性活化表面能否增加骨與種植體的接觸。然而，羊動物實驗與狗動物實驗的對比仍然缺乏基本數(shù)據(jù)。因此建議將羊作為骨科研究的實驗?zāi)Ｐ蜁r，需要謹(jǐn)慎評估，以避免對動物的不完全了解而在評估結(jié)果時出現(xiàn)錯誤。

1.4 豬

豬骨在解剖結(jié)構(gòu)、形態(tài)學(xué)、骨改建和間隙愈合能力方面，與人骨具有相似性。但限制其使用的一些問題可能與長期的骨科研究有關(guān)，如商品豬身體生長快速和體重易超標(biāo)，一般被認(rèn)為不適合應(yīng)用于骨植入物動物模型[24]。且豬難以馴服和具有易攻擊性，大部分研究者不愿將其納入選擇范圍。也有較小的品種可供選擇，但它們相對昂貴，有時很難獲得。豬作為理想的實驗動物模型必須具備三大要素：矮小性、遺傳穩(wěn)定性和與人的相似性。西藏小型豬、巴馬小型豬等純種小型豬遺傳穩(wěn)定性和與人的相似性已進行了研究和論證，可作為理想的實驗動物[25]。小型豬在基因上證明與人的相似性很高，又因為倫理、成本等條件限制選用非人靈長類動物作為實驗動物，因此純種小型豬的應(yīng)用更有可能[26～27]。且豬比狗的骨再生率更接近人類（狗1.5～2.0 mm/天;豬1.2～1.5 mm/天;人類1.0～1.5 mm/天）[28]。在骨骼解剖學(xué)、形態(tài)學(xué)、愈合和建模方面，豬被認(rèn)為是人類骨骼的代表，因此是一個合適的選擇[8]。加上小型豬在維持、大小、手術(shù)麻醉適宜性、診斷程序等方面的臨床相關(guān)優(yōu)勢，使得其在相關(guān)動物模型方面更具優(yōu)勢[24]。Susin 等[29～30]在評估新的植入系統(tǒng)的安全性和有效性時，選擇尤卡坦小型豬在其下頜植入植入物進行放射學(xué)和組織學(xué)分析。Chappuis等[31]選擇小型豬進行動物實驗研究不同植入物骨整合情況。更有研究者通過建立阿根廷小型豬動物模型研究頭頸部的放射性骨壞死[32]。因此，小型豬的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在動物骨實驗領(lǐng)域中的應(yīng)用日漸增多，它們也愈加被認(rèn)可為非人靈長動物及狗等存在倫理問題實驗動物的替代動物。

沒有一種動物完全符合理想的動物模型要求，如何選擇動物取決于飼養(yǎng)條件、可操作性、符合倫理要求等，綜合各種因素，其中相對最適合的植入物研究動物是小型豬。

2 種植體的選擇

為了測試骨科和牙科植入物，有必要使用一個可復(fù)制的模型，其中植入物的尺寸可以與人類使用的尺寸相匹配。植入物的數(shù)量和大小將直接影響所選動物的種類。純鈦應(yīng)用于牙種植體已經(jīng)很成熟，在研究放療與種植修復(fù)時，植體的選擇主要考慮植體的形態(tài)、尺寸兩個因素。

2.1 種植體的形態(tài)

動物實驗中，種植體形態(tài)常用螺紋狀、光滑圓柱狀，很少用到葉狀、盤狀。螺釘型種植體具有良好的組織穩(wěn)定性的優(yōu)點，而圓柱形種植體則依賴于精確的貼合才能在骨內(nèi)保持穩(wěn)定，并就其對骨整合的影響給出準(zhǔn)確的結(jié)果[33]。

2.2 種植體的尺寸

在選擇精確的植入物尺寸時，必須考慮研究中使用的動物品種。不管形態(tài)設(shè)計如何，植入物的大小都應(yīng)該與所選擇的物種和骨植入位置相適應(yīng)。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO推薦：當(dāng)植入在兔脛骨或股骨時，圓柱狀種植體須小于2 mm直徑和6 mm長度;當(dāng)植入在大型動物如羊、犬時，圓柱狀種植體可達4 mm直徑和12 mm長度，而螺紋狀種植體可大于4.5 mm直徑[34]。路正剛等[35]在犬動物實驗觀察放療對狗下頜種植體周圍骨形成蛋白（BMP）分布與活性的影響時，選擇直徑為3.75 mm、長11 mm、尖端部分布縱孔和橫孔的螺紋純鈦種植體。黃元瑾等[10]用Beagle犬建立頜骨內(nèi)種植動物模型，選擇直徑3.8 mm、長10 mm、機械加工光滑表面的柱狀螺紋組合式種植體。部分相關(guān)動物實驗應(yīng)用長度不足10 mm的植體，李忠林等[36]建立兔動物模型研究種植術(shù)后放療骨結(jié)合情況，選取直徑2 mm、長5 mm，螺旋狀純鈦種植體。動物種植模型所使用的種植體尺寸應(yīng)盡量采用適用于人類的商用種植體或自定義種植體[37]。

3 放射方案的選擇

放射損傷的程度取決于照射劑量，頭頸部腫瘤患者放療劑量一般選擇在30～116 Gy。目前公認(rèn)50 Gy放射劑量為產(chǎn)生骨損害的臨界劑量，對于50 Gy以上高劑量組的種植可行性研究，有望在未來有所進展。動物實驗常選擇約50 Gy的劑量[10～11，38]，人類放療50 Gy常規(guī)方案為50 Gy/5次，此方案直接應(yīng)用于動物勢必導(dǎo)致實驗時間延長，增加系統(tǒng)誤差的概率，因此常應(yīng)用腫瘤治療學(xué)中等效劑量的概念計算出方便實施操作的放射劑量與次數(shù)。柳玉曉等在[11]犬動物實驗中應(yīng)用等效劑量的概念，根據(jù) LQ 模型[39]，應(yīng)用 LQ 公式：E=ndα[1+d/（α/β）];計算生物等效劑量（BED）：BED=E/α=nd[1+d/（α/β）]，計算得出22.8 Gy /4次·2 周的劑量等效于50 Gy/25次。Ocaa等[40]在兔動物實驗中實驗組動物在植入前40天接受單次劑量1727 cGy（等效于在7周內(nèi)對人體進行總共7000 cGy的治療，分成35個200 cGy的劑量）。也有實驗兔一次性接受60Co15 Gy量的放療，源皮距80 cm（等效于每次2 Gy，每周5次，共23次，總量為50 Gy的放療量）[36]。黃元瑾等[10]設(shè)計實驗犬拔牙1個月后進行放療，照射距離100 cm，照射野為10 cm邊長的方形，每野照射空氣量為500 cGy，共3次（等效常規(guī)放射劑量為50 Gy）。受實驗時間、照射難度、麻醉風(fēng)險、系統(tǒng)誤差等因素的影響，大多數(shù)學(xué)者采用一次性放療或少次放療。而拔牙術(shù)后最少間隔多久放療、放療結(jié)束最少間隔多久進行牙種植術(shù)尚無定論，仍有待進一步研究。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，頭頸部放療區(qū)種植修復(fù)動物模型的建立，從動物的選擇到實驗方法等都值得探入探討。小型豬為目前理想的實驗動物，且應(yīng)用于醫(yī)學(xué)其他方面已相對成熟;種植體的數(shù)目、尺寸的選擇關(guān)系到實驗動物及實驗部位的選擇;動物放療劑量常選擇臨界劑量50 Gy，且要應(yīng)用等效劑量概念，換算出較少操作次數(shù)的放療劑量以減少實驗的誤差?，F(xiàn)階段，關(guān)于拔牙后放療時機及放療后種植時機仍存在爭議，通過可靠的動物實驗以期探尋頭頸部腫瘤放療患者拔牙、放療、種植相對安全的時機，為改善患者生活質(zhì)量創(chuàng)造可能。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2019-09-03 修回日期：2019-11-22）

（編輯：王琳葵 梁明佩）