气管食管瘘模型的研究及应用

王钰超 许晓仪 杨士芳 崔景华 陈兢兢 李静

广东省人民医院(广东省医学科学院)呼吸与危重症医学科,广州510000

气管食管瘘是目前临床的一种难治性疾病,致死率极高。目前虽然已有外科手术和内镜介入等方法针对不同的气管食管瘘病因进行相关治疗,但远期效果并不理想,外科手术的相关术后并发症和内镜封堵支架的滑脱是导致气管食管瘘治疗不良的主要原因。为了探索气管食管瘘的新型治疗策略,最重要的研究过程即为构建气管食管瘘动物模型。本文收集目前已有的气管食管瘘模型构建方法并作一综述。

1 气管食管瘘简介

气管食管瘘是由于各种先天性或后天性原因导致的气管支气管与食管之间的病理性瘘道。气管食管瘘按病因可以分为先天性和后天获得性,先天性气管食管瘘主要发生于新生儿的胚胎发育时期,由于常与食管闭锁同时出现,因此常合并称为食管闭锁-气管食管瘘;后天性气管食管瘘的发病原因较多,主要包括食管癌和肺癌、医源性损伤、外伤、异物及食道手术术后等[1-6]。气管食管瘘具有治疗困难和致死率高的特点,既往研究显示气管食管瘘患者未及时治疗者预后极差[7],即使成功接受治疗的患者,病死率仍可高达12%[8]。目前针对气管食管瘘的治疗方式较多,但疗效普遍较差,因此构建气管食管瘘动物模型、改进目前的治疗方式并探索新的气管食管瘘治疗手段就尤为迫切。

2 先天性气管食管瘘模型

先天性气管食管瘘是一种新生儿期较为常见的严重消化道畸形,由于常合并食管闭锁出现,因此合并称为食管闭锁-气管食管瘘。因获得完整的早期人类胚胎较为困难,目前食管闭锁-气管食管瘘的发生机制尚不明确,因此需要构建一定的动物胚胎模型探究人类胚胎发育过程中食管闭锁-气管食管瘘的影响因素和治疗方法。

阿霉素,又名多柔比星,是一种广谱细胞毒性抗生素,其可以抑制RNA 和DNA 的合成,具有杀灭多种肿瘤细胞的作用,目前主要用于恶性淋巴瘤的一线用药和急性淋巴细胞性白血病和急性粒细胞白血病的二线用药,同时对乳腺癌和肺癌等也具有一定疗效。阿霉素构建动物气管食管瘘模型主要是通过在胚胎期给动物母体注射一定剂量的阿霉素影响气管食管的分化发育而实现的。这种方法适用于不同规格的大鼠及其胚胎构建气管食管瘘模型,最早由Diez-Pardo等[9]于1996年首次提出并应用到先天性食管闭锁-气管食管瘘动物模型中,随后阿霉素构建气管食管瘘模型开始广泛地应用于科研研究。目前虽然阿霉素导致食管闭锁-气管食管瘘的胚胎学发育机制尚不清楚,但Prossögel等[10]在阿霉素诱导的畸胎鼠试验中发现阿霉素可以通过影响气管芽发出位置下移从而可能导致了食管闭锁-气管食管瘘的形成。Cardoso等[11]的研究显示,阿霉素可以对胚胎气管和肺组织发育过程中的关键通路成纤维细胞生长因子7产生抑制作用,干扰了成纤维细胞生长因子10的表达,从而导致食管闭锁-气管食管瘘的发生。

3 后天性气管食管瘘模型

后天性气管食管瘘是一种病死率高、治疗难度大的常见临床并发症,根据病因可以分为非恶性和恶性,两者的病因各异。非恶性气管食管瘘的病因包括医源性插管后损伤[1]、外伤[2]、异物及异源性支架损伤[3]、食道手术术后并发症[4]及腐蚀性摄入[5]等;恶性气管食管瘘的发生则与食管癌与肺癌的关系密切[6],恶性气管食管瘘是不可切除的食管癌最严重的并发症[12],且致死率高,临床治疗效果差。为治疗疾病及延长患者生存时间,探索新型气管食管瘘治疗方式、构建获得性气管食管瘘动物模型就尤为重要。

3.1 手术法构建气管食管瘘动物模型 手术法构建后天获得性气管食管瘘动物模型最早开始于Wagner等[13],他们为了研究食管支架手术治疗气管食管瘘的疗效,使用小型猪建立了获得性气管食管瘘模型。具体的手术方式为:在实验动物的左颈部平行于胸锁乳突肌内侧缘切开皮肤及皮下组织,切开颈阔肌,游离周围组织暴露气管和食管后反转气管和食管90°以暴露气管和食管相近部位,用电刀切除气管和食管组织后,形成气管和食管相近部位的对应切口,缝合两切口缘使之形成一交通的气管和食管瘘道。这种手术方式是后续手术法构建气管食管瘘的主要方式。此后Yang等[14]为研究气管食管瘘的食管双瓣修补术,使用这种方法构建了比格犬气管食管瘘动物模型并获得成功。钟志成[15]为研究先心病双圆盘状封堵器对气管食管瘘的治疗作用,也使用此法成功构建了小型猪的获得性气管食管瘘模型。

但是手术法构建气管食管瘘的动物模型的成功仅局限于大型动物,诸如比格犬和小型猪,在中型和小型动物上未能成功复制。唯一小型动物的案例为2003 年,Kiyan等[16]为研究双气囊导管对气管食管瘘的诊断作用,用新西兰白兔作为实验对象,通过上述手术法打开相关入路后,使用电刀烧灼实验兔气管和食管相近部位并缝合,14 d后双气囊导管检测出气管食管瘘的形成。此后对实验兔和实验鼠的手术法构建气管食管瘘动物模型一直未获成功。

3.2 无创式构建气管食管瘘动物模型 由于手术法构建气管食管瘘对于动物的损伤较大,对操作者的要求过高,因此这种构建方式始终未能得到批准,加上手术法对动物的要求较高,实验动物被局限于实验比格犬和小型猪,实验成本较高,限制了气管食管瘘动物模型的构建和后续研究的推进。目前气管插管后损伤已经成为气管食管瘘医源性损伤的主要原因[17],通过对气管及食管管壁的压迫作用导致组织坏死以构建气管食管瘘开始成为一个新的模型构建方向。

3.3 磁压迫方法构建气管食管瘘动物模型 磁体压迫方式是使用2块大小相近的钕铁硼磁块,放置于动物体内的管道组织中,利用磁体本身的吸引压迫作用使局部缺血坏死制造瘘管以达到管腔分流及腔体吻合作用的过程。在早期,外科医师就已经观察到误吞磁体的小儿消化道瘘的发病率比正常群体高几倍。基于此,开始有研究尝试使用磁体构建消化道瘘道以及使用环形磁体来进行体内腔道的吻合,最早的报道见于Obora等[18]使用环形结构的钐钴磁体进行大鼠和犬的血管吻合。有研究[19]将环形磁压缩吻合术和机械吻合术 (钉钉缝合和缝线缝合)的肠道吻合结果进行对比,发现磁压缩环形成的肠道吻合口较机械缝合的完整性更佳,吻合口的狭窄率更低,同时由于磁体具备增强吸引强度的趋势和更早的通道通畅时间,同时磁体的方式更加适用于内窥镜操作,可以有效降低各类手术的风险和强度。基于磁体对于腔道吻合通道构建的有效作用,因此磁外科开始在各种吻合口研究中广泛开展,并在小鼠模型上取得成功[20]。随后,在实验犬模型上成功使用磁体构建门腔分流结构[21]。2018年,在临床胆管空肠吻合术中开始应用磁压迫技术[22],由于瘘道的性质属于气管和食管的病理性通道,因此对于气管食管瘘的构建,开始有研究使用磁体压迫技术。高慧敏等[23]使用双磁体分别放置于气管和食管的相近部位,通过磁体的吸引作用构建了气管食管瘘的实验兔动物模型,成功获得了稳定的气管和食管之间的病理性瘘道。这一研究证实压力构建气管食管瘘方法的可行性。

4 比较各种模型的优劣

4.1 阿霉素构建方式 阿霉素对于气管食管瘘模型的构建优势在于:(1)这是一种最大程度模拟气管食管分化异常的实验构建方法,可以有效地构建出胚胎因分化异常导致的食管闭锁-气管食管瘘模型;(2)实验的方法简单,实验效率高,可以增加实验动物的数量以保证实验的可信度;(3)可以通过控制阿霉素的注射剂量来得到不同发育程度的食管闭锁-气管食管瘘动物模型[24-26],可以动态地模拟食管闭锁-气管食管瘘的发病机制,对于整个研究是尤为重要的。但阿霉素的构建模型也存在一定的问题:(1)阿霉素本身对于胚胎具有致畸作用[27],可能会影响胚胎其他组织的发育[28-30],使实验结果偏倚;(2)胚胎之间不同的发育速度决定了在注射等量的阿霉素后实验动物的气管食管分化发育程度也不同[25],会造成获得的动物模型的病理进展不一致;(3)阿霉素构建的气管食管瘘动物模型适用于机制相关研究,而对后续治疗作用的研究价值较小。

4.2 手术法构建方式 手术法作为目前应用最多的气管食管瘘模型构建方法,其优点包括:手术操作的结果明确,在手术方式正确的情况下,动物之间的个体差异不会对实验结果产生较大影响,所得到的动物模型稳定,对于后续治疗作用的研究也较为适合。但手术方式对于模型的构建也存在一定的局限性:(1)手术本身对于动物是一种较为强烈的应激损伤,这使得手术目前仅在实验犬和小型猪动物上获得成功[13-14],后续研究中虽然Kiyan等[16]使用手术电刀烧灼方式构建了实验兔的气管食管瘘模型,但这一模型的瘘口较小 (2 mm),仅适用于气管食管瘘的诊断,而无法用于治疗的研究,这一点也是目前手术法局限于大型动物模型构建的原因; (2)手术在术后的护理要求较高,存在伤口感染的风险,相对提高了模型的死亡率,增加了实验的操作难度;(3)相较于内窥镜下的气管食管瘘治疗方式研究,手术方式构建的模型配合外科的治疗方式更好。

4.3 压力压迫法构建方式 压力压迫法构建气管食管瘘是目前新兴的一种气管食管瘘模型构建方式。相较于手术法,其优势在于:(1)可以在微创甚至无创的情况下,使用磁体之间的压迫方式构建气管食管瘘,对实验动物的本体损伤较小,适用的动物范围广;(2)在操作方式正确的情况下,获得所需的模型后,漏口周围组织的炎症反应较轻,减少了感染的风险和死亡率;(3)模型的构建过程可以使用X 线成像仪检测,同时由于构建方式较为温和,可以优化和简便后续动物的饲养和护理方式,减少动物因术后护理失误而出现吸入性肺炎和营养不良的比例[23];(4)压迫构建方式相对于手术方式,更便于内镜介入和监测。但由于目前磁体压迫方式的模型构建研究仍然较少,这一技术仍需更多研究来验证构建方式的成功率和不良反应率。

5 总结及展望

本文系统性回顾了目前针对气管食管瘘的模型构建方式,阿霉素可以较为稳定地得到胚胎的食管闭锁-气管食管瘘模型,但却不能用于对治疗作用的研究;在过去针对各类气管及食管支架对气管食管瘘的治疗作用研究中,经常使用手术方式构建气管食管瘘,这一操作虽然有效,但也存在一定的问题;新型的磁体压迫法的出现,使模型构建可以不再依赖外科手术,同时便于内镜监测,这在一定程度上可以保证实验研究的稳定性和准确性,但也应正视,目前磁体压迫法作为一种新兴实验方法其成功率和对实验动物的损伤的相关研究仍然较少,需要更多的研究来验证该方法的稳定性。仍需继续开发损伤小、稳定性高的气管食管瘘的动物模型。人类气管食管瘘与医源性损伤等因素密切相关,研究者可适当了解医疗技术操作等措施,使动物模型更接近于人类的疾病状态。在研究医学外科技术的同时,还应关注其他技术方法,充分利用各疾病模型的方法,高效便捷地分析,实现模型互补。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突