彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型在顱內動脈瘤介入治療中的應用和進展

陳 力，王 武

顱內動脈瘤是自發性蛛網膜下腔出血最主要病因，其破裂出血后自然死亡率和致殘率極高，全球范圍內每年將近有50萬人遭受動脈瘤性蛛網膜下腔出血，嚴重威脅人體健康[1]。隨著神經介入治療新材料和新技術不斷發展，建立血流動力學和組織病理學接近于人的顱內動脈瘤的動物模型顯得十分重要。彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型是近年來應用廣泛、比較可靠的顱內動脈瘤動物模型。

1 顱內動脈瘤介入治療史

隨著新技術和新材料發展，血管內介入治療術已成為顱內動脈瘤主要治療方法。其發展歷經70余年，概括為4個階段。20世紀40年代開始的電凝技術致顱內動脈瘤瘤腔內血栓形成為第1階段[2]，70年代球囊栓塞顱內動脈瘤應用為第2階段[3]，90年代后電解脫彈簧圈栓塞顱內動脈瘤（介入治療技術里程碑[4]）為第3階段，近10余年來顱內血管支架、覆膜支架、血流轉向裝置和動脈瘤腔內血流阻斷裝置臨床應用（開拓了顱內動脈瘤治療新方向[5-8]）為第4階段。近年生物可降解覆膜支架/吸收支架、載藥覆膜支架/彈簧圈等新材料和技術,成為探索和研究熱點[9-11]。

顱內動脈瘤介入治療發展歸功于新材料不斷推出。神經介入新材料不斷發展的同時，需要進行臨床前實驗,以更好地檢測新材料安全性和有效性，為臨床應用提供客觀的實驗數據，并證明其治療效果，預測可能存在的并發癥。其中彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型是目前檢測介入新材料最常用模型之一。其最初應用于檢測彈簧圈[12]，后來逐漸用于檢測支架[13]、血流轉向裝置[14]和覆膜支架[15]等。許多經臨床前實驗證實的新材料應用于臨床治療顱內動脈瘤取得了類似結果，并起到很好的指導作用，有效降低了臨床應用并發癥。

2 彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型發展歷程

彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型構建始于20世紀90年代末。Altes等[16]創立外科聯合介入球囊方法制作兔頸總動脈起始段動脈瘤模型。具體過程是暴露右頸總動脈主干后，逆血流插入4 F/5 F導管鞘，DSA透視下通過導管鞘將一2 F/3 F球囊導管置于右頸總動脈起始處并臨時阻斷頸總動脈，將100 U彈性蛋白酶注入右頸總動脈近端殘腔并保持20 min，最后近段結扎頸總動脈，復制出兔頭臂干彎曲部動脈瘤模型。隨后的研究也證實該模型長期通暢率可達100%[17]。血管造影和組織病理學檢查顯示，這種動脈瘤在形態學和血流動力學參數上與人顱內動脈瘤非常相似，具有內彈力層變薄或消失等人顱內動脈瘤組織病理學特點，類似于人頸內動脈眼動脈段動脈瘤。

很多研究報道對上述動脈瘤模型制作過程進行改進。Krings等[18]提議將彈性蛋白酶注入動脈瘤瘤頸區域而非右頸總動脈中部，并在DSA監測下防止彈性蛋白酶漏出至氣管分支血管導致氣管出血性壞死，同時減少彈性蛋白酶用量至20 U，這樣既可減少右頸總動脈外周組織對彈性蛋白酶吸收，又減輕實驗動物術后早期疼痛。考慮到導管鞘和球囊會損傷血管，Hoh等[19]采用直形臨時動脈瘤夾夾閉右頸總動脈根部，再以24 G留置針穿刺入右頸總動脈近端死腔，注入足量彈性蛋白酶保留20 min，最后在穿刺點上方結扎，撤出動脈瘤夾。Wang等[20]在此基礎上又進行改進，采用C形動脈瘤瘤夾夾閉頸總動脈根部及部分鎖骨下動脈和頭臂干，成功構建寬頸動脈瘤模型。這種方法具有明顯優勢：①C形動脈瘤瘤夾較直形瘤夾可減少手術空間，更易于操作；②瘤夾夾閉部分鎖骨下動脈和頭臂干，使得動脈瘤瘤頸充分暴露于彈性蛋白酶下。因此，動脈瘤夾放置位置對于寬頸動脈瘤形成至關重要。Ding等[21]回顧性研究72例彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型，結果發現動脈瘤瘤頸寬度與閉塞球囊放置位置相關，球囊位置越高、瘤頸越窄，瘤體長度-瘤頸寬度比值越大。Onizuka等[22]回顧性分析30例彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型，發現寬頸動脈瘤瘤頸中軸與頭臂干夾角與瘤體長度成正比，這可能與動脈瘤內局部血流動力學有關。

3 彈性蛋白酶誘導兔頸總動脈瘤模型優勢

理想的彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型應具備以下特征：①動脈瘤大小形態、組織病理學、血流動力學和瘤周環境與人動脈瘤相同或相似；②動脈瘤穩定性好，未經治療時可保持長期通暢；③形成周期短，制作過程快捷；④費用低，可重復性好。但目前所能制作的動脈瘤模型均不具備以上所有特征。目前構建動脈瘤模型常用實驗動物有大鼠、兔、犬、豬和猴等。這些動物椎動脈系統相較頸動脈系統發達,制作動脈瘤模型時不會因暫時阻斷前循環或切斷單側頸總動脈發生腦梗死。

大鼠繁殖快、價格低，頸總動脈易暴露，動脈搏動快、不易形成血栓，且不易受機械刺激發生血管痙攣。但大鼠頸總動脈直徑與人類相差甚遠, 且術后死亡率較高, 不適宜用于治療方面研究。目前大鼠作為實驗動物主要用于動脈瘤發生和發展過程和機制研究，以及可能的藥物治療研究[23]。犬在動物模型構建中應用率較高，其優點在于麻醉和手術耐受性強，死亡率和術后并發癥均低于其他實驗動物。犬動脈直徑和血流動力學特征與人類非常接近，也便于導管置入和血管內操作，適合用于血管內治療研究[24]。但犬凝血系統和纖溶系統遠比其他動物活躍，這一特點又使得犬動脈瘤模型難以在臨床推廣或用于遠期療效評價。豬一直是醫學實驗中常用動物，除了具有犬的優點外， 凝血傾向也較高。其血栓和新生內膜形成傾向尤其適用于評估動脈瘤治療裝置植入后再狹窄[25]。但由于價格較高，不易管理，尚未廣泛應用。同樣,猴和猩猩等靈長動物是制作人顱內動脈瘤模型的理想對象[26]，但來源較少、價格昂貴、不易管理，因此也難以在實驗中廣泛應用。

兔子性情溫和、適應能力強、費用相對較低且操作簡單。兔頸總動脈口徑與人大腦中動脈近端非常相似，非常適合栓塞材料，尤其是支架研究。超過80%兔雙側頸總動脈共同起源于頭臂干，制作分叉型動脈瘤較為理想，且兔是非靈長類中血栓形成和纖溶過程與人類最為相似的一種動物，用于評估栓塞材料、栓塞效果，觀察血栓事件十分可靠，并可長期存活。彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型的局限性主要包括耐受手術能力較差，且操作時易損傷喉返神經，對手術人員要求比較高，但不影響模型廣泛應用。

4 用于新材料臨床前試驗優勢

彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型組織病理學與人顱內動脈瘤有許多相似之處，為顱內動脈瘤瘤壁進展性變化研究提供了機會。彈性蛋白酶誘導的兔顱內動脈瘤模型瘤壁部分內皮細胞不連續或完全缺失，內彈力層消失，中層平滑肌細胞排列紊亂，這些大體病理特征與人動脈瘤很接近。Wang等[27]在病理組織學基礎上將人顱內動脈瘤分成4亞型，A型瘤壁內皮化伴平滑肌細胞線性排列，B型瘤壁增厚伴平滑肌細胞排列紊亂，C型厚壁和膠原化瘤壁伴或不伴機化的血栓形成，D型極薄壁和少細胞動脈瘤壁；實驗2周和12周組織病理學檢查證實彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型具有以上人動脈瘤所有亞型之特征。

彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型另一特點是其自然史，其瘤體未經處理時可長期保持通暢。一項研究對25例彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤進行長達5年隨訪，期間除13例發生與動脈瘤無關的死亡外，余12例動脈瘤模型均保持良好[17]。這種長期穩定性在模擬人顱內未破裂動脈瘤特征上可起到重要作用。

彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型形態學特征也是其優勢之一。瘤體平均直徑、高度分別為4.5 mm、7.5 mm，與人顱內動脈瘤相似[16]。此外，載瘤動脈直徑（平均4.3 mm）與人顱內動脈直徑相似[28]。血流動力學因素在動脈瘤形成、生長和血管內介入治療后再通等研究方面發揮著重要作用。Zeng等[29]研究51例彈性蛋白酶誘導的兔右頸總動脈瘤模型，發現動脈瘤內壓力、瘤壁應切力和剪切指數均在人顱內動脈瘤范圍內，這主要得益于兔動脈瘤模型與人顱內動脈瘤在大小和載瘤血管曲度上高度相似。人顱內動脈瘤大多位于血管分叉部或血管彎曲處，承受較高的血流沖擊，導致動脈瘤生長和再通。兔右頸總動脈瘤載瘤血管曲度使之能承受很強的血流沖擊，因而在顱內動脈瘤復發等關鍵問題研究中相比其他動脈瘤模型更具優勢[30]。

Ding等[31]采用彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型比較普通彈簧圈、Hydyocoil彈簧圈和Matrix彈簧圈的栓塞效果，結果表明Hydyocoil彈簧圈組動脈瘤平均栓塞密度為76%，顯著高于普通彈簧圈組（31%）和Matrix彈簧圈組（23%），且有較高的遠期閉塞率。有臨床研究也證實生物圈栓塞優勢[32]。Adibi等[33]采用間充質干細胞輔助彈簧圈栓塞治療彈性蛋白酶誘導的兔動脈瘤模型，結果表明間充質干細胞輔助彈簧圈組較裸彈簧圈組組織病理學有明顯改善。間充質干細胞可分化為平滑肌細胞并抑制促炎性細胞因子白細胞介素-1β、基質金屬蛋白酶-2、基質金屬蛋白酶-9及腫瘤壞死因子。這些因素均在顱內動脈瘤發病機制中起著重要作用。

血流導向裝置是一種創新且具有廣闊前景的新材料器械，但在早期臨床應用中發生治療失敗及未預料的術后動脈瘤遲發性破裂、分支動脈閉塞、支架內狹窄和自發性腦實質出血等并發癥[34]。血流導向裝置如 Pipeline、Silk、 Surpass、Tubridge和 Fred等臨床前實驗研究最常應用彈性蛋白酶誘導的兔動脈瘤模型[35-39]。該模型已被公認為是檢測顱內支架的標準化動脈瘤模型。大多數實驗研究表明血流導向裝置可對該模型實現完全閉塞，但若受孔隙率和孔隙密度影響治療失敗，表明這種新型器械尚需進一步改進。

Holcomb等[40]采用RNA測序技術分離彈性蛋白酶誘導的兔動脈瘤模型瘤體和左頸總動脈信使RNA和miRNA，結果顯示瘤體側與左頸總動脈相比有143個基因表達上調，471個基因表達下調，同時伴有5個miRNA表達上調，3個miRNA表達下調，一些關鍵信號轉導通路如炎性反應和抗原呈遞等也存在差異表達；表明該模型在動脈瘤生長、愈合和破裂中發揮重要作用，支持該模型可作為基礎研究性實驗動物模型。

5 發展方向

目前制作的彈性蛋白酶誘導的兔頸總動脈瘤模型并不能完全體現顱內動脈瘤病變過程，其瘤周圍環境與人顱內動脈瘤存在較大差異，且難以形成自發性破裂出血。有研究發現動脈瘤患者常伴有Ⅰ型或Ⅲ型膠原纖維基因突變，因此膠原纖維可能在動脈瘤自然生長中起著重要作用[41]。Kang等[42]報道在彈力酶處理基礎上結合膠原酶處理瘤段，理論上可增加動脈瘤自發破裂機會。經彈性蛋白酶和膠原酶處理構建兔頸總動脈瘤模型在形態結構、組織結構、自然發展史和血流動力學特點上與人顱內動脈瘤更接近，可能具有廣闊的研究前景。

Kainth等[43]研究提出通過血管外途徑對動脈瘤模型制作進行改進，即以精致細尖刷將高濃度彈性蛋白酶涂布于動脈瘤瘤頂，可大大減少彈性蛋白酶用量，且經實驗證明足以誘導動脈瘤形成；Verhoeff-VanGieson（VVG）染色證實此方法誘導的動脈瘤模型組織病理學特征與血管內途徑制作方法完全相同。Fahed等[44]質疑兔頸總動脈瘤模型是否具有足夠挑戰性用于血流導向裝置測試，因為高孔隙率支架已實現對其完全閉塞，不具挑戰性的動脈瘤模型將導致對新器械材料性能高估，為此構建梭形動脈瘤模型，以測試血流導向裝置和新材料不同性能；血管造影結果顯示梭形動脈瘤明顯大于囊狀動脈瘤，且復雜梭形動脈瘤模型在植入血流導向裝置后閉塞率明顯高于植入雙枚高孔隙率支架和單枚高孔隙率支架，因此初步認為復雜梭形動脈瘤模型是一種更大、更復雜和更具挑戰性的動脈瘤模型，可用于檢測新材料不同性能并探索治療失敗潛在原因。本中心近期在Wang等[20]報道基礎上對動脈瘤模型進行改進，嘗試采用2個C型動脈瘤夾分別夾閉頭臂干遠端和右鎖骨下動脈近端，具體效果還需更多動物模型和影像學檢查加以證實。該方法優點是使動脈瘤頸暴露得更完全，以獲得相對較寬頸動脈瘤模型，且在很大程度上降低實驗操作難度。