犬動脈瘤動物模型的血流動力學分析

李浩，馬勃，李志強，王啟弘

犬動脈瘤動物模型的血流動力學分析

李浩1，2，馬勃3，李志強2△，王啟弘4

目的探討建立穩定、理想、快捷的顱內動脈瘤模型的方法，為動脈瘤的相關研究提供可靠的動脈瘤模型。方法在改良的外科顯微技術條件下制作側壁型、分叉部、末端型和真性合并假性囊狀動脈瘤，每種類型各7只。術后2周行彩色多普勒超聲儀、磁共振成像（MRI）、磁共振血管成像（MRA）、數字減影動脈血管造影（IADSA）檢查，進行動脈瘤模型的計算機流體力學（CFD）模擬分析。采用體外細胞培養的方法，對動脈瘤壁的組織生物力學特性進行分析，以微彈簧圈（MC）緊密填塞動脈瘤并再次進行上述檢查。結果所有模型均獲得成功，MC瘤腔栓塞能取得良好效果。培養證實血管內皮細胞（VEC）的體外增殖情況良好，并成功將VEC貼附于高分子可降解材料表面，進而生長成VEC層結構。對栓塞前后的動脈瘤模型進行了血流動力學分析，獲得了相關的血流動力學參數，動脈瘤內的血流速度為2～7 cm/s，動脈瘤載瘤動脈內的血流速度為8～26 cm/s。結論建立了穩定、理想、快捷的顱內動脈瘤模型，可為動脈瘤的相關研究提供可靠的動脈瘤模型。

血流動力學；顱內動脈瘤；動物模型

顱內動脈瘤（aneurysm,AN）是動脈管壁病理性局限性擴張產生的腦血管瘤樣突起，其破裂是引起人類自發性蛛網膜下腔出血的首位原因（約占79%～89%），占顱內出血的25%［1］，其病死率及致殘率極高，嚴重影響著人們的健康和生命，是人類猝死的重要原因之一［2］。動脈瘤一旦產生，便存在生長、

血栓形成和破裂的風險，稱之為“動脈瘤行為”。動脈瘤行為與其內部的血流動力學的一些因素如血流狀態、切應力、動脈壓、搏動性血流等與血管壁本身的支撐力均有密切關系［1］，是多個力學因素相互作用的結果。顱內動脈瘤的血流動力學研究對于疾病的控制和治療具有重要意義。用人體作為實驗材料進行研究很難實施，相關顱內動脈瘤動物模型已有研究，但較為復雜，可操作性不強。因此建立一個能夠科學使用的、可供實驗要求選擇的、穩定理想的動脈瘤動物模型具有重要的現實意義［3］。本研究建立了4種不同類型的動脈瘤模型，并在不同血流模式下研究血流狀態、切應力、壓力及速度等參數與不同類型動脈瘤生長和破裂的關系，以確定不同類型動脈瘤腔內的血流動力學參數，以期為提高手術和介入栓塞動脈瘤的治療效果提供依據。

1 材料與方法

1.1 建立不同類型的動脈瘤模型9～12 kg雜種犬28只，雌雄不限，4%戊巴比妥鈉（1 mL/kg體質量）腹腔注射麻醉后仰臥位固定，暴露頸部皮下的頸外靜脈（EJV）及左右兩側深部的頸總動脈（CCA）。取出EJV備用，阻斷CCA的遠近端血流，在顯微鏡下，將犬的EJV囊吻合到CCA側壁，參照文獻［4］制作成4類動脈瘤模型：側壁型、分叉部、末端型以及真性合并假性囊狀動脈瘤，每種類型7只。

1.2 血管內皮細胞（VEC）的培養以及微彈簧圈（MC）的構建取犬的頸靜脈，應用組織貼塊法進行原代培養，經凝血Ⅷ因子相關抗原免疫組化染色證實，用傳3～5代的細胞進行實驗。噻唑藍（MTT）法測光吸收值以檢測VEC的增殖活性。擴增VEC，培養于多孔復合膜（MC）上，測算出VEC在聚合結構中最佳的細胞密度。將培養的內皮細胞種在Aga?rose上，24 h后，內皮細胞聚集成團。吸出內皮細胞至離心管內，離心后，小心吸出上清。用DMEM（含0.05 mol/L NaOH、200 mmol/L HEPES以及260 mmol/L NaHCO3）重懸細胞，接種于高分子可降解材料表面。次日檢測細胞黏附情況。參照Zund方法［3］，MTT法測定深紫色產物甲臜含量，以反映VEC的黏附與生長情況。

1.3 在不同血流動力學條件下進行動脈瘤血流動力學分析彩超檢查后，對形成動脈瘤模型的犬行股動脈穿刺，通過微導管進入動脈瘤內，測量4類動脈瘤內的壓力并行數字減影血管造影（DSA）檢查腔內形態改變。控制性低血壓：采用吸入性麻醉劑異氟醚，用量隨血壓的控制而增減，控制平均動脈壓（MAP）由基礎值的17 kPa降至6 kPa。保持低血壓水平30～60 min后檢查。

1.4 栓塞后動脈瘤模型的血流動力學研究（1）影像學檢查：對形成側壁型、分叉部和末端型動脈瘤模型的犬行股動脈穿刺，通過微導管將MC緊密填塞于動脈瘤內，DSA檢查填塞瘤腔情況。（2）栓塞后動脈瘤的力學評價：觀察內皮細胞在細胞外基質中的生長、代謝及生物力學改變。（3）進行動脈瘤模型的計算機流體力學（CFD）模擬分析：根據不同類型動脈瘤動物模型的血液流動特性的流線圖和速度梯度圖，分析瘤口的近端、瘤頂和遠端壁面受到的壓力和切應力。

2 結果

2.1 建模結果術后所有動物全部存活，術后1周行DSA血管造影檢查發現成功長出動脈瘤。成功地建立了側壁型、分叉部、末端型以及真性合并假性囊狀動脈瘤（操作真性合并假性囊狀動脈瘤時，血管壁出現一個血泡，故沒有拍照），最大直徑約5.0 mm，見圖1。

2.2 VEC培養及MC構建結果VEC體外增殖情況良好，見圖2。VEC體外血管形成實驗證實VEC能夠貼附于高分子可降解材料表面，見圖3。

2.3 栓塞前后動脈瘤模型的血流動力學結果動脈瘤內的血流速度為2～7 cm/s，動脈瘤載瘤動脈內的血流速度為8～26 cm/s。適當角度能夠清楚顯示AN和動脈，見圖4。能夠檢測到血流從右至左流動，顏色由深至淺代表速度由快至慢。對動脈瘤模型CFD模擬分析后，獲得速度梯度圖（示動脈瘤及其附近的血流速度變化），見圖5。遠端、瘤頂、近端壁面受到的壓力和切應力的測得數值見圖6、7。可見，動脈瘤瘤頂的壓力高、切應力最低；近端流入道部分的壓力普遍較高，壓力的最高值也出現在這一段，而且切應力最高。同樣對栓塞后的動脈瘤分析獲得速度梯度圖，見圖8。左CCA造影顯示左CCA側壁型囊狀AN，在附近可看到合并假性AN，見圖9。

Fig.4DSA angiography of canine aneurysm models圖4 犬動脈瘤模型DSA血管造影

Fig.5Constant speed gradient map of canine aneurysm model圖5 犬動脈瘤模型定常速度梯度圖

Fig.6Distribution curve of bifurcation aneurysm wall pressure（absolute value）that changes along curve of tumor wall（distal→tumor top→proximal）圖6 分叉部動脈瘤瘤壁上壓力（絕對值）隨瘤壁曲線長度（由遠端→瘤頂→近端）變化的分布曲線

Fig.7Distribution curve of bifurcation aneurysm tumor wall shearing stress（absolute value）that changes along curve of tumor wall（distal→tumor top→proximal）圖7 分叉部動脈瘤瘤壁上切應力（絕對值）隨瘤壁曲線長度（由遠端→瘤頂→近端）變化的分布

Fig.8Constant speed gradient map of genuine combined with pseudo canine aneurysm model圖8 犬真性合并假性動脈瘤模型定常速度梯度圖

Fig.9Saccular intracranial aneurysm of the left common carotid artery（side wall type indicated by straight arrow）which combined false intracranial aneurysm（curved arrow）detected by the left carotid artery angiography圖9 左頸總動脈側壁型囊狀顱內動脈瘤（直箭頭）合并假性顱內動脈瘤（彎箭頭）

3 討論

顱內動脈瘤是中老年人群常見的神外急癥。它引起的蛛網膜下腔出血、腦血管意外的發生率日漸升高。為探尋人類顱內動脈瘤的病因，很多研究者設計了多種動脈瘤模型，如靜脈囊袋移植動脈瘤模型［5］，利用彈性蛋白酶消化頸動脈殘端動脈瘤模型［6-7］，但這些模型與人類動脈瘤生成沒有因果關系，僅適合栓塞材料等方面的研究，不適合病因學研究。此外，還有利用血流動力學改變如結扎頸總動脈，結合誘導高血壓和破壞彈力纖維誘導大鼠、小鼠顱內動脈瘤模型［8-9］，但這些小動物模型的腦血管過于細小，無法進行血流動力學研究。而靈長類如猴動脈瘤動物模型因倫理問題及費用昂貴等問題難以廣泛應用［10］。犬頸總動脈直徑與人類大腦中動脈起始段非常接近，同時凝血系統與人類相當接近；單純改變血流動力學從病因學上更符合人類動脈瘤的發病特點［11］。

本研究選取28只健康犬，在雙側頸動脈成功制作4種囊性動脈瘤模型。術后實驗動物均健康成活，無明顯神經系統并發癥。顱內動脈血管壁由完整的內彈力層、相對薄的中膜及外膜構成。這種結構特征一旦出現完整性破壞很容易形成動脈瘤［12-13］。血流動力學不穩定是早期顱內動脈瘤發生和破裂的重要因素［14］。制作這種動脈瘤模型可行性高，術后

存活率較高，適合常規實驗研究。通過犬頸總動脈結扎，增加基底動脈頂端血流動力學，不附加其他任何危險因素，能夠誘導出顱內動脈瘤。這與人顱內血管偶然閉塞或外科手術閉塞后其他血管血流增加，逐漸形成顱內動脈瘤的機制一致［15］。

本實驗采用多種影像學技術檢查該模型，不僅能顯示動脈瘤的位置、形態、類型、瘤頸和瘤體的伸展方向，而且可明確動脈瘤內的血流方向、狀態和與周圍動脈的關系。微彈簧圈栓塞和血栓閉塞動脈瘤后可阻止載瘤動脈的血流繼續進入瘤體，清除異常血流，使整個瘤體不再顯影。各種影像學技術相比較，DSA既能清楚地顯示AN，又能清晰地反映其與載瘤動脈的關系。

腦內動脈血管組織結構上的特點為中層平滑肌較少，彈力纖維貧乏，外膜很薄，這種血管的收縮力較弱，而擴張性卻很強［16］。彩超可以診斷AN，也可以觀察其大小及空間位置，并同時了解顱內血流動力學的改變。從彩超和定常速度梯度圖可以看出，末端型AN中的血流沿動脈的中心線經AN口流入，沿AN的對側邊緣流出，幾乎全部流進最接近AN口邊緣的那支動脈。瘤腔內血流速度快，且呈旋轉方式，其中心沒有慢速的渦流。這種模型更易接受載瘤動脈血流的沖擊，因而有生長和破裂的傾向，故血流動力學方面能模仿相對多發的顱內分叉部AN和基底動脈頂端AN。本實驗對于4種動脈瘤進行了影像學和血流動力學方面的研究，為這類疾病的臨床診治提供了參考。

（圖1～3見插頁）

［1］Girardi LN，Rabotnikov Y，Avgerinos DV.Preoperative percutaneous coronary intervention in patients undergoing open thoracoabdominal and descending thoracic aneurysmrepair［J］.J Thorac Cardiovasc Surg，2013，147（1）：163-168.doi:10.1016/j.jtcvs.2013.09.008.

［2］Cebral JR，Pergolizzi RS，Putman CM.Computational fluid dynam?ics modeling of intracranial aneurysms:qualitative comparison with cerebral angiography［J］.Acad Radiol,2007,14（7）：804-813.

［3］Zund G,Ye Q,Hoerstrup SP，et al.Tissue engineering in cardiovas?cular surgery:MTT,a rapid and reliable quantitative method to as?sess the optimal human cell seeding on polymeric meshes［J］.Eur J Cardiothorac Surg，1999,15（4）:519-524.

［4］Zhang XH,Chen JH,Wang XF,et al.Application of dual volume re?construction technique in embolization of intracranial aneurysms［J］. Med J Chin PLA,2014，39（2）：144-148.［張祥海，陳金華，王曉峰，等.雙容積重建技術在顱內動脈瘤栓塞術中的應用研究［J］.解放軍醫學雜志，2014，39（2）：144-148］.doi:10.11855/j.issn.0577-740 2.2014.02.13.

［5］Zhang Z，Yang K，Wang C，et al.Congenital pial arteriovenous fistula in the tem poral region draining into cavernous sinus：a case report［J］. Korean J Radiol，2013，14（3）：497-500.doi:10.3348/kjr.2013.14.3.497.

［6］Plowman RS，Clarke A，Clarke M，et al.Sixteen-year single-surgeon experience with coil embolization for ruptured intracranial aneurysms: recurrence rates and incidence of late rebleeding.Clinical article［J］. J Neurosurg，2011，114（3）：863-874.doi:10.3171/2010.6.JNS09 1058.

［7］Chen C,Li Q,Tao J,et al.The use of contrast-enhanced ultra?sound in the treatment of limb pseudoaneurysm with percutane?ous prothrombin injection［J］.Med J Chin PLA,2014，39（1）：40-44.［陳重，李茜，陶杰，等.超聲造影在經皮注射凝血酶原治療肢體假性動脈瘤中的應用［J］.解放軍醫學雜志，2014，39（1）：40-44］.doi:10.11855/j.issn.0577-7402.2014.01.09.

［8］Wang CH,Xie XD,Liu Y,et al.Establishment of saccular aneu?rysms models of carotid arteries in chinese rural dogs［J］.Journal of Chengdu Medical College,2014,9（3）:245-248.［王朝華，謝曉東，劉翼，等.犬頸動脈囊性動脈瘤模型構建與血流動力學觀察［J］.成都醫學院學報,2014,9（3）:245-248］.doi:10.3969/j.issn.1674-2257.2014.03.001.

［9］Zhou JH,Xu SS,Fang XG,et al.Preliminary study of the repair process in elastase-induced aneurysms in rabbits［J］.Acta Academiae Me?dicinae Wannan,2013,32（4）:267-270.［周加浩，徐善水，方興根，等.彈力酶誘導兔動脈瘤模型修復過程初步研究［J］.皖南醫學院學報, 2013,32（4）:267-270］.doi:10.3969/j.issn.1002-0217.2013.04. 004.

［10］Vlak MH，Algra A，Brandenburg R，et al.Prevalence of unrup?tured intracranial aneurysms，with emphasis on sex，age，comorbidi?ty，country，and time period：a systematic review and meta-analysis［J］.Lancet Neurol，2011，10（7）：626-636.

［11］Nieuwkamp DJ，Setz LE，Algra A，et al.Changes in case fatality of aneurysmalsubarachnoid haemorrhage over time，according to age，sex，and region：a meta-analysis［J］.Lancet Neurol，2009，8（7）：635-642.

［12］Bouzeghrane F，Naggara O，Kallmes DF，et al.In vivo experimental intracranialaneurysm models：a systematic review［J］.AJNR Am J Neuroradiol，2010，31（3）：418-423.doi:10.3174/ajnr.A1853.

［13］Liu D,Zeng M,Zhang A,et al.The fluid-structure interaction anal?ysis of intracranial aneurysm model based on volume CT digital sub?traction angiography［J］.Med J Chin PLA,2014，39（11）：888-892.［劉丹，曾鳴，張翱，等.基于VCTD SA數據的顱內動脈瘤模型流固耦合分析［J］.解放軍醫學雜志，2014，39（11）：888-892］.doi: 10.11855/j.issn.0577-7402.2014.11.09.

［14］Metaxa E，Tremmel M，Natarajan SK，et al.Characterization of critical hemodynamics contributing to aneurysmal remodeling at the basilar terminus in a rabbit model［J］.Stroke，2010，41（8）：1774-1782.

［15］Fourtrakis CF,Yonas H,Sclabassi RJ.Saccular aneurysm formation in curved and bifurcating arteries［J］.AJNR,1999，20:1309-1317.

［16］Huang QL,Li MH,Jiang QH,et al.Relationship between Aneurysm clip position and aneurysm model［J］Shandong Medicine,2013，53（40）:28-30.［黃乾亮，李美華，蔣秋華，等.動脈瘤夾位置與動脈瘤模型的關系［J］.山東醫藥，2013，53（40）:28-30］.doi:10.3969/ j.issn.1002-266X.2013.40.009.

（2015-02-26收稿 2015-05-01修回）

（本文編輯 閆娟）

Haemodynamic analysis in canine aneurysm model

LI Hao1，2,MA Bo3,LI Zhiqiang2△,WANG Qihong4
1 Southern Medical University，Guangzhou 510515，China；2 Fengxian Hospital Affiliated to Southern Medical University；3 Anhui Science and Technology University，Department of Pathogenology and Immunology；4 Ruijin Hospital Affiliated to Shanghai Jiaotong University School of Medicine△

ObjectiveTo explore a way to establish a stable,ideal and handy intracranial aneurysm model for related studies.MethodsModified microsurgery technology was applied to establish sidewall,bifurcation,terminal and merged types of aneurysm（n=7 in each type）.Two weeks after operation,color Doppler ultrasound,magnetic resonance imaging（MRI）,magnetic resonance angiography（MRA）and intra-arterial digital subtraction angiography（IADSA）were performed and computational fluid dynamics（CFD）was used for simulation analysis of aneurysm models.Biomechanical properties of aneurysm wall tissues was analyzed by cell culture,then the above examinations were performed again after the aneurysm was embolized by micro coil（MC）.ResultsAll models were successfully established,and the MC embolization of aneurysm cavity achieved good efficacy.Vascular endothelial cells（VECs）proliferate well in vitro,and the VECs adhered to the sur?face of biodegradable polymeric materials successfully and grow into VEC layer structure.Hemodynamics analysis was per?formed in aneurysms model before and after embolization and relevant hemodynamic parameters was obtained.,Blood flow velocity are 2-7 cm/s in aneurysm and 8-26 cm/s in its parental artery.ConclusionA stable,ideal and handy intracranial aneurysm model was established and are essential in aneurysm related research.

hemodynamics；intracranial aneurysm；animal models

R743.4

A

10.11958/j.issn.0253-9896.2015.10.013

國家自然科學基金資助項目（30872676）

1南方醫科大學，廣州（郵編510515）；2南方醫科大學附屬奉賢醫院（上海交通大學附屬第六人民醫院南院）神經外科；3安徽理工大學病原免疫學教研室；4上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院神經外科

李浩（1988），男，碩士在讀，主要從事腦血管病和腦腫瘤基礎與臨床研究

△通訊作者E-mail:zhiqiangli2013@126.com