磁牽引舌骨懸吊術在OSAHS動物模型中的有效性研究

許崇文,楊邡儷,戴 皓,趙 謙,張少強,閆金鳳,白艷霞,白紀剛

(1.西安交通大學第一附屬醫院耳鼻咽喉頭頸外科,陜西西安 710061;2.西安交通大學口腔醫院陜西省牙頜疾病臨床醫學研究中心,陜西西安 710004;3.西安交通大學第一附屬醫院肝膽外科,陜西西安 710061)

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)作為一種潛在致死性睡眠呼吸紊亂疾病,可導致長期慢性缺氧,進而引起高血壓、冠心病、糖尿病等不可逆性多器官多系統損害,嚴重影響患者的生活質量、工作效率和生命健康,現已受到醫學界高度關注[1-2]。國內外流行病學調查顯示,OSAHS在成年人中的患病率為2%～17%[3-4]。對于存在氣道解剖結構異常的OSAHS患者,往往需要根據狹窄平面選擇合適的手術治療方式。當前臨床上常用的手術方式為改良懸雍垂腭咽成型術、舌骨懸吊術及舌根前徙術等,然而因手術創傷較大,術后并發癥較多,臨床上迫切需求尋找一種微創、可靠和療效確定的手術方式[5-7]。近年來,在多學科協作的促動下,磁外科利用磁鐵“非接觸力”這一特性,已經廣泛應用于膽腸吻合、血管吻合、反流性食管炎等多領域[8-10]。本研究以頦舌肌內注射A 型肉毒桿菌毒素方法制作大白兔舌后墜動物模型,模擬OSAHS患者發病時的舌后區氣道塌陷狀態,隨后在兔舌后墜模型中探索磁牽引舌骨懸吊術方案的有效性及安全性。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

成年8 月齡雄性實驗用大白兔,體質量3.5～4.0 kg,數量為12只,由西安交通大學醫學部實驗動物中心提供,本研究實驗方案經過西安交通大學醫學部生物倫理委員會批準。

1.2 動物分組及OSAHS模型構建

動物分組及體質量測量:12只成年雄性實驗用大白兔隨機分為兩組(n=6)。稱重并記錄動物體質量:對照組平均體質量(3.75±0.21)kg,實驗組(3.72±0.21)kg,單籠飼養至少2周,保證實驗動物飲食正常,無疾病發生。

建模方法:兩組實驗動物耳緣靜脈注射30 g/L戊巴比妥鈉麻醉后,用Ⅲ型安爾碘消毒口腔3次。實驗組動物具體藥物注射方法為用1 m L 注射器抽取2.5 U/0.1 m L的A 型肉毒桿菌毒素溶液,在頦棘起始點處和左右頦舌肌肌腹處,選取3個點,每點注射0.1～0.15 m L,總量0.4 m L(10 U)(圖1)。對照組動物同法在頦舌肌內注射等量生理鹽水0.4 m L。注射藥物前6 h禁飲食。藥物注射后10 min及24 h,觀察兩組動物肌內注射點有無持續出血、紅腫及感染的出現。

圖1 實驗用大白兔頦舌肌內藥物注射示意圖Fig.1 Representative pictures of drug injection in genioglossus muscle of experimental animals

股動脈血氧飽和度(SaO2)連續性監測:建模前及建模后第9天,兩組實驗動物分別行股動脈SaO2連續性監測。30 g/L 戊巴比妥鈉耳緣靜脈注射,劑量按照每千克體質量1 m L計算。麻醉起效后,兩組實驗動物均進行經皮動脈SaO2連續測定。監測部位為后肢股二頭肌處的股動脈。記錄每分鐘的平均SaO2,連續記錄30 min。

上氣道CT 掃描:兩組實驗動物在監測SaO2結束后,均行上氣道CT 檢查,測量并記錄最窄處氣道直徑。建模前及建模后第9天測量并記錄。

頦舌肌注射后基本狀況的觀察指標:注射藥物后每天觀察兩組實驗動物的一般狀況,包括飲食情況、體質量變化、胸廓擴張度及節律、口唇色澤,以及耳緣靜脈注射部位是否出現感染和睡眠狀態及白天活動狀態。

1.3 舌骨懸吊術的手術方法

實驗組動物用30 g/L戊巴比妥鈉耳緣靜脈注射麻醉,仰臥位固定于固定架上,頭后仰。將舌骨附近皮膚毛發全部剔除,利多卡因皮下注射以減輕手術疼痛。切開舌骨表面皮膚后逐層暴露舌骨,采用磁牽引舌骨懸吊術,將直徑8 mm,厚度4 mm 的圓柱形釹鐵硼磁鐵裝入3D 打印的聚丙烯酸酯外殼內,隨后將其縫合固定于舌骨上(圖2),統一規定為正極朝向實驗動物腹面。

圖2 聚丙烯酸酯外殼及內置釹鐵硼磁鐵示意圖Fig.2 Representative picture of polyacrylate shell and builtin Nd FeB magnet

手術完畢后,30 m L/L 過氧化氫浸泡傷口創面3 min,生理鹽水沖洗,加入1 m L慶大霉素,逐層縫合肌肉及皮膚,皮膚表面涂抹紅霉素眼膏預防感染。待實驗動物蘇醒后送回兔籠,每日在飲用水中加入抗生素,密切觀察動物飲食情況,有無感染及其他不適癥狀。

1.4 手術并發癥的觀察

實驗組動物在術后7 d內,每天仔細觀察頸部切口有無局部出血、紅腫、隆起、分泌物量增多及顏色變化,及時記錄動物傷口愈合情況。如出現傷口感染情況,需每天使用Ⅱ型安爾碘對傷口進行消毒,并在傷口皮膚表面涂抹紅霉素眼膏治療感染。為預防植入物感染,連續3 d在所有動物飲用水中加入抗生素預防感染;對于已經出現傷口感染的動物,抗生素使用時間延長至5～7 d。

1.5 實驗組動物佩戴頸托并行股動脈SaO2 及上氣道CT檢查

測量實驗組動物頸部周徑后,設計可長期佩戴的可裝載外磁體的頸托,為不干擾磁場,仍采用和內置磁鐵外殼一致的聚丙烯酸酯材料進行3D 打印(圖3)。將外磁體裝入頸托內,術后10 d待切口愈合后,佩戴頸托。

圖3 實驗組動物佩戴含外磁體的頸托代表圖Fig.3 Representative pictures of experimental animals wearing the polyacrylate orthotic neck brace with external magnets

實驗組動物佩戴頸托后第7天再次完成1次股動脈SaO2監測及上氣道CT 檢查,記錄佩戴頸托后動物的平均SaO2及上氣道最窄處直徑。

1.6 統計學處理

采用Excel 2019、SPSS 25.0、Graphpad Prism8等統計學軟件進行統計分析。正態分布的計量資料使用均數±標準差表示,組間比較使用t檢驗。非正態分布的計量資料采用中位數(四分位數間距)表示,組間比較采用非參數檢驗。檢驗標準α=0.05,P＜0.05表示差異具有統計學意義。

2 結 果

2.1 頦舌肌注射前后兩組動物的基本情況

對照組動物頦舌肌內注射生理鹽水后,進食、飲水、呼吸、睡眠、體質量及精神狀態和口唇顏色等基本狀況與操作前無明顯變化,說明頦舌肌注射操作對實驗動物的基本狀況無明顯影響;實驗組動物頦舌肌內注射A 型肉毒桿菌毒素第5天逐漸出現了一系列低氧血癥表現,具體表現為清醒期活動減少,偶見呼吸費力,口唇及耳緣青紫(圖4),進食量較前下降,顏面部及四肢皮毛清潔度較前下降;第8天開始在睡眠時逐漸出現明顯打鼾,胸廓擴張度增強,時有睡眠覺醒,偶見四肢抽動,對外界物理刺激反應遲鈍。

圖4 兩組動物口唇相變化示意圖Fig.4 Representative pictures of rabbit lip phase changes before and after modeling in two groups

2.2 頦舌肌注射前后兩組動物體質量及股動脈SaO2 變化

對照組動物頦舌肌注射生理鹽水前后體質量分別為(3.75±0.21)kg和(3.72±0.19)kg,差異無統計學意義(P＞0.05)。實驗組動物頦舌肌注射A 型肉毒桿菌毒素建模后,體質量由建模前(3.72±0.21)kg下降至(3.40±0.20)kg,差異具有統計學意義(P＜0.05,圖5A)。此外,股動脈SaO2連續性監測顯示,對照組頦舌肌注射生理鹽水前后的股動脈SaO2分別為(94.17±3.66)%及(94.14±3.50)%,差異無統計學意義(P＞0.05);而實驗組動物建模后,股動脈SaO2由(93.84±5.14)%降至(84.00±3.35)%(圖5B),差異具有統計學意義(P＜0.05)。這表明,對照組動物頦舌肌注射操作對動物體質量及股動脈SaO2無明顯影響,而實驗組動物頦舌肌注射A 型肉毒桿菌毒素后,睡眠時全身血氧飽和度明顯下降,低氧血癥直接導致了動物的飲食狀態下降及體質量下降。以上結果證明,頦舌肌注射A 型肉毒桿菌毒素可以導致頦舌肌肌張力下降,肌肉松弛,可用于構建舌平面狹窄的OSAHS動物模型。

圖5 對照組動物頦舌肌注射前后及實驗組動物建模前后體質量(A)及股動脈SaO2(B)變化的比較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 實驗組動物佩戴頸托后的基本狀況及股動脈SaO2 變化

實驗組動物術后10 d待手術切口愈合,佩戴裝載外置磁鐵的頸托,觀察顯示,與佩戴前相比,動物食量增多,對外界刺激反應靈敏,口周及四肢皮毛清潔度較治療前有所改善,皮毛光澤度有所恢復,口唇顏色由青紫轉為粉紅,白天在兔籠內俯臥位閉目睡眠時間減少,站立時間增多。此外,實驗組動物佩戴裝載外磁體的頸托后股動脈SaO2明顯升高,為(90.44±5.95)%,與建模后未佩戴頸托時的股動脈SaO2(84.00±3.35)%相比,差異具有統計學意義(P＜0.05,圖6)。

圖6 磁力牽拉對實驗組動物股動脈SaO2 的影響Fig.6 Effect of magnetic traction on the change of SaO2 of the femoral artery of animals in the experimental group

2.4 實驗組動物佩戴頸托后上氣道最窄處直徑的變化情況

頦舌肌注射后第9天行上氣道CT檢查發現,實驗組動物上氣道最窄處直徑由(4.83±0.48)mm 下降至(3.52±0.83)mm,差異有統計學意義(P＜0.05);而對照組動物頦舌肌注射生理鹽水前后上氣道直徑分別為(4.80±0.32)mm 和(4.73±0.47)mm,差異無統計學意義(P＞0.05)。實驗組動物建模成功后植入內置磁鐵裝置,并在切口愈合后佩戴裝載外置磁鐵的頸托后,檢測顯示上氣道最窄處直徑明顯增大至(4.42±0.15)mm,較佩戴前差異具有統計學意義(P＜0.05,圖7)。以上結果說明,實驗組利用內外磁體產生的磁力對舌骨進行向前牽拉,可有效擴大舌平面直徑,進而有助于改善舌后墜動物的睡眠呼吸阻塞狀況及血氧水平。

圖7 磁力牽拉對實驗組動物上氣道最窄處直徑的影響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 磁牽引舌骨懸吊術的手術并發癥

實驗組動物在磁牽引舌骨懸吊術后第2～3天,有2例動物傷口局部紅腫,術后連續5 d在飲用水中加入抗生素治療后,傷口紅腫消失,無其他并發癥出現。

3 討 論

OSAHS特征為睡眠期間上氣道周期性塌陷導致間歇性低氧血癥和睡眠碎片化,其主要的發病機制在于上氣道解剖結構狹窄和神經調節功能異常[1-2]。OSAHS可導致高血壓、冠心病、糖尿病、阿爾茨海默病等多器官多系統功能損害[11-12]。OSAHS的保守治療方式包括控制體質量,調整生活及飲食習慣,無創輔助通氣和口腔矯治器等,但患者的依從性往往較差[6,12]。當前的手術治療方式主要包括懸雍垂腭咽成形術、舌前徙術及舌骨懸吊術等[13-15],創傷較大,術后長期有效率不高。國內外學者一直在尋求一種更加微創而可靠的手術治療方式。磁外科技術目前已廣泛應用于外科手術領域,其“非接觸磁力”能夠很大程度上降低常規手術對機體的創傷[8-10]。針對舌后平面狹窄的OSAHS患者,當前常用舌骨懸吊術或舌根前徙術進行外科治療,但術中使用的聚丙烯線具有一定的疲勞性,長期持續牽拉可導致舌部肌肉重塑及肌肉活性下降,術后2～3 年手術有效率大幅下降[16-17]。因此,本研究使用釹鐵硼內外磁鐵產生的吸引力取代舌骨懸吊術中聚丙烯線,僅在睡眠時間佩戴體外磁力組件,可減輕持續外力牽拉導致的舌肌疲勞、重塑問題,磁力穩定不衰減,可顯著提高手術療效。

本研究通過動物實驗驗證磁牽引舌骨懸吊術治療OSAHS的有效性及安全性。根據葉京英教授制作舌后墜大白兔動物模型的經驗,本研究用A 型肉毒桿菌毒素三點注射于大白兔頦舌肌,通過減弱頦舌肌肌力造成舌后墜,進而引起舌后平面狹窄。這一建模方式損傷小,實驗動物應激反應輕,且在解剖結構上更逼真地模擬了上氣道狹窄,后期進行磁力牽引舌骨時,所獲得的實驗結果更為可靠。OSAHS模型制作后的監測指標為動物基本狀態、上氣道最窄處直徑及股動脈Sa O2變化。實驗組動物建模前后食量減少,體質量下降,精神狀態低迷,四肢皮毛光澤度及清潔度差,白天除進飲食外常俯臥位閉目睡眠,口唇顏色青紫;股動脈SaO2連續性監測結果顯示,對照組頦舌肌注射生理鹽水前后SaO2無明顯變化,而實驗組頦舌肌注射A 型肉毒桿菌毒素建模后,股動脈SaO2由(93.84±5.14)%降至(84.00±3.35)%,上氣道最窄處直徑由(4.83±0.47)mm 下降至(3.52±0.83)mm,差異均有統計學意義(P＜0.05)。這證明用A 型肉毒桿菌毒素三點注射于大白兔頦舌肌可成功制作舌后墜大白兔動物模型。

OSAHS疾病模型構建成功后,對實驗組動物進行磁牽引舌骨懸吊術。首先,使用3D 打印技術制作可裝載釹鐵硼內磁鐵的聚丙烯酸酯外殼,通過手術在大白兔舌骨中央植入內磁體裝置。隨后,進一步根據大白兔的頸部特點設計可長期佩戴的外磁體頸托。實驗組動物佩戴含外置磁鐵的頸托進行磁力牽引后,發現動物食量較前增多,對于外界刺激反應靈敏,口周及四肢皮毛清潔度較治療前有所改善,口唇顏色由青紫轉為粉紅,白天在兔籠內俯臥位閉目睡眠時間減少,站立時間增多,股動脈SaO2明顯升高,氣道最窄處直徑明顯增大(P＜0.05)。以上結果均表明磁牽引舌骨懸吊術可改善舌后墜大白兔模型的上氣道狹窄程度,提高動物血氧水平,進而有效緩解OSAHS導致的一系列低氧血癥誘發的癥狀。此外,實驗組有2例動物在舌骨植入物術后出現輕微傷口紅腫,抗感染治療后痊愈,這也表明3D 打印的聚丙烯酸酯材料外殼的生物安全性較高。

綜上所述,大白兔頦舌肌注射A 型肉毒桿菌毒素可有效引起頦舌肌肌張力降低,造成動物舌后平面狹窄,導致低氧血癥的發生,從而成功構建舌后墜OSAHS動物模型。磁牽引舌骨懸吊術可使舌后墜動物的上氣道最窄處直徑明顯增大,全身血氧水平上升,有效糾正OSAHS導致的動物生活飲食習慣的改變及體質量下降。因此,利用磁鐵“非接觸性磁力”有望替代傳統的舌骨懸吊術,既可使舌骨前移,擴大舌后平面,改善上氣道狹窄導致的通氣不足、夜間睡眠中斷等癥狀,又避免了牽引線貫穿口底引起組織創傷過大的問題。但是,本研究所納入的實驗動物數量尚少,仍需大樣本量實驗對本研究結果進行驗證。此外,實驗動物佩戴外部頸托后需定期檢查頸托位置,防止因動物活動引起的頸托移位導致磁牽引力下降,從而導致的實驗結果偏差,將來需進一步設計和制作更加穩固的外部頸托用于實驗研究。本研究是磁牽引舌骨懸吊術在動物模型內的初步嘗試,可為今后的臨床應用提供一定的理論支持。