盆底功能障碍性疾病动物模型和生物力学测量方法

王照，平毅

盆底功能障碍性疾病（pelvic floor dysfunctions，PFD）是一类困扰中老年女性健康的常见疾病。由于盆底韧带、肌肉等盆底支持组织损伤松弛，患者出现排尿、排便障碍及盆腔器官下移等症状。国内有调查发现，盆腔器官脱垂（pelvic organ prolapse，POP）和压力性尿失禁（stress urinary incontinence，SUI）是2 种最主要的疾病[1]。据流行病学报告，不同收入的国家POP 患病率为1%～65%[2]，美国2017—2018 年非西班牙裔的成年女性SUI 患病率高达45.9%[3]。国内一项多机构研究发现，2011—2018 年进行的POP 手术量是2004—2011 年的2 倍多[4]。可见PFD 的患病率及手术增长率均不容忽视。然而目前PFD 的致病机制尚未完全明确。探索其发病机制需要将实验对象暴露于诸多危险因素中或对其进行多种有创操作，因此直接进行人体试验既不现实，也不道德。动物实验不仅可以较大程度上满足上述需求，还可以帮助解决生物材料[5]、干细胞[6]等治疗方法的有效性和安全性问题，更具优势。现围绕2 类最主要的PFD（POP 和SUI）动物模型，总结不同模型动物及造模方法的应用现况，阐述生物力学测量方法对动物模型的优化作用，以期为探索PFD 的发病机制及治疗方法提供参考。

1 动物类型

目前PFD 的动物模型根据物种的不同大致分为啮齿类动物、小型哺乳动物、大型哺乳动物以及非人类灵长类动物（nonhuman primates）4 类。由于动物的盆底解剖结构与人类存在差异，四足动物的腹腔器官不会直接对盆底造成负担，盆底支持组织的压力较低[7]，导致动物模型存在局限性。

1.1 啮齿类动物大鼠（rat）和小鼠（mouse）是最常用的动物模型[8]。其不仅在探索PFD 的发病机制的研究中发挥了重要作用，也被应用于最前沿的干细胞联合生物材料治疗PFD 的实验中[9]。啮齿类动物与人类盆底肌肉韧带组织相似，以大鼠为首[10]。啮齿类动物相较于其他动物，繁殖周期短，可在一定程度上预测发情期与妊娠期，易于操作和处理，成本较为低廉，便于扩大实验规模。但由于其体积较小、四足行走以及胎头径与产道直径的比例较小，啮齿类动物极少发生自发性POP[10]。更明显的局限性是，因为体积的原因，与生物材料相关的实验倾向于在啮齿类动物的背腹部而非盆腔进行操作[11]。这无疑在一定程度上影响了实验结果的可靠性。

1.2 小型哺乳动物兔（rabbit）的盆底结构与人类差异较大，家兔没有宫颈，其阴道与人类也极为不同，阴道上部实际上是它的“宫颈”[10]。且兔需要通过性交的阴道刺激来诱导排卵，不利于实验操作。但在生物材料组织相容性的相关实验中，新西兰白兔（New Zealand white rabbit）的适应性比大鼠好[12]，后者常引起严重的炎性反应[13]，这可能是兔用做PFD动物模型的优势。另外，兔的膀胱组织条带在体外实验中对M 胆碱能刺激、肾上腺素能刺激作出反应，可用作膀胱功能的体外研究系统[14]。

1.3 大型哺乳动物大型哺乳动物指绵羊（sheep）、山羊（goat）、猪（pig）和狗（dog）等动物。大型动物模型在PFD 的研究中具有更明显的优劣势。一方面，大型动物都存在着生长期和妊娠期长、场地要求较大等问题，而且大型动物的生物学工具，如抗体、探针和生物信息学数据较少，制约其在PFD 中的应用[7]。但另一方面，大体型有助于更多手术方案的选择，且体质量与PFD 相关[15]，体质量大也代表着更可能发生PFD。事实上，正常状态未被外界干预的母羊可发生自发性POP[16]。绵羊与人体的盆底解剖结构颇为类似，都存在三水平结构。一些学者认为绵羊可以作为非人类灵长类动物的替代[17]。

1.4 非人类灵长类动物用于研究的非人类灵长类动物有恒河猴、松鼠猴和狒狒等。Stewart 等[18]比较恒河猴、兔、啮齿类动物与人类盆底肌肉的差异发现，恒河猴的建筑差异指数（architectural difference index）最低。恒河猴的胎儿头部较大，分娩时需将母猴的阴道直径扩大5 倍，与人类的分娩过程非常相似。Zhang 等[19]通过构建恒河猴卵巢切除模型证实，间充质干细胞可以修复受损的阴道组织，为POP 提供了新的治疗方法。亦有很多实验用松鼠猴构建PFD 的动物模型。Pereira da Silva 等[20]通过分析人类与松鼠猴的盆底结构的差异，比较两者POP 及不良分娩结局的发生率，认为雌性松鼠猴和人类女性之间的盆底形态虽不十分相似，但具有相似的与分娩相关的特征，可作为研究POP 的动物模型。然而，因为实验周期长、来源有限、价格昂贵、管理及寄宿费用高等问题，非人类灵长类动物并不如啮齿类动物常用。

2 造模方法

流行病学发现PFD 有诸多危险因素。通过模拟这些危险因素，可以构建各类动物模型来研究PFD的致病机制。基因技术也可用于构建特定性质的动物模型。

2.1 损伤肌肉、神经等组织阴道分娩与PFD 紧密相关[21]，模拟分娩是最主要的造模方法。分娩时胎儿通过产道，可能导致盆底肌肉、神经损伤。通过使用扩张导管来膨胀阴道（阴道扩张）可以建立模拟分娩产伤的动物模型。Palacios 等[22]将F10 导管插入未分娩的大鼠阴道中探究阴道扩张后大鼠尿失禁恢复的过程，阐述分娩损伤导致尿道外括约肌功能障碍的机制。Kishimoto 等[23]使用阴道扩张的大鼠模型研究肛门括约肌功能受损的治疗，发现同源和异位移植脂肪来源的间充质干细胞可以改善肛门括约肌功能。然而，分娩引起的PFD 并不单一涉及肌肉和周围软组织的损伤，还包括氧化应激[24]、去神经支配[25]、细胞外基质代谢异常[26]等机制，是一个涉及多方面的过程[27]。目前模拟分娩的造模方法只是就其中一个方面进行模拟，仍有较大的改进空间。

阴部神经损伤也可以构建SUI 模型。戴毓欣等[28]对双侧阴部神经进行麻醉阻滞，构建了一种PFD盆腔神经损伤的动物模型，用于探索盆底功能障碍的神经损伤机制。亦有实验直接离断阴部神经，成功建立了大鼠SUI 模型[29]。也可以直接破坏尿道周围起到支持作用及增加尿道阻力的肌肉、韧带构建SUI 模型，常见的实验方法是尿道松解术、耻骨尿道韧带横断术和尿道括约肌切除术，还可使用尿道烧灼术、尿道周围注射肉毒素等方式。

2.2 模拟其他危险因素除了分娩产伤，肥胖、子宫切除术史、衰老、绝经和多产次等作为PFD 的其他危险因素，也可以作为构建动物模型的切入点。通过Zucker 大鼠构建肥胖-压力性尿失禁（OA-SUI）模型，Yuan 等[30]和Wang 等[31]分别发现慢病毒介导的尿道横纹肌再生及微能声脉冲（microenergy acoustic pulse）刺激肌肉再生均可以改善OA-SUI 大鼠的尿失禁情况。Knight 等[32]通过构建子宫切除术后的新西兰白兔模型发现，聚丙烯补片对阴道平滑肌形态和收缩性有负面影响，认为新西兰白兔模型可以用于生物补片发生侵蚀暴露的相关机制的研究。Shveiky 等[33]通过构建阴道后正中线切口的大鼠模型，发现衰老是阴道伤口愈合的危险因素。Shahryarinejad 等[34]通过切除猕猴的卵巢构建更年期模型，并给予雌激素和雌激素受体调节剂，发现选择性雌激素受体调节剂可能影响子宫韧带的生物力学和生化特性。Kwon 等[35]通过构建模拟多次分娩的SUI 大鼠模型，验证漏尿点压（leak point pressure）和尿道基线压力（urethral baseline pressure）是和SUI有关的2 项尿动力学参数。此外还有许多以其他危险因素作为切入点的动物模型构建方法，在此不一一赘述。

2.3 应用基因技术PFD 与很多基因表达相关，Isali 等[36]总结了目前已经明确的20 余种与PFD 相关的基因。Jameson 等[37]敲除小鼠赖氨酰氧化酶样1（lysyl oxidase-like 1，LOXL1）基因构建一种随着年龄和胎次的增加而POP 发病率增加的小鼠模型，一定程度上复刻人类POP 的易感性特征，并在此基础上研究LOXL1 基因遗传缺失对弹性蛋白合成及其调节的影响。Chin 等[38]通过给予小鼠多西环素构建部分组织（指阴道壁组织）发生腓骨蛋白5（fibulin-5）基因缺陷的小鼠模型，这种小鼠缺乏对分娩及弹性蛋白酶所诱导的POP 的自我修复，与产妇及中老年女性大致相似，组织特异性的基因敲除不会引起全身的症状。可见，实验者应用基因技术可以构建特定性质的动物模型，得到与人类相似的PFD 发病转归过程。

3 生物力学与动物模型

3.1 生物力学生物力学是对生物体中的力学问题定量研究的一门学科。组织通常可以分为两种类型：主动组织，即能够产生力的组织（例如骨骼肌、平滑肌和心肌）；被动组织，即被动响应生物力的组织（例如韧带、结缔组织等）。使用生物力学对组织主动产生或被动响应生物力进行测量，可以得到对病理和治疗效果的客观、量化的结果。测量内容包括极限载荷、极限伸长率及弹性模量。弹性模量是指应力-应变曲线线性区域中应力与该方向上应变的比。由于组织主动产生或被动响应生物力的能力本质上与其生化组成有关，因此对盆底生物力学的深入了解有助于PFD 的发病机制和治疗方法的探索。

3.2 生物力学和SUI生物力学对于PFD 领域并不是新名词，尿动力学参数如漏尿点压已经用于SUI 的辅助诊断。传统的动物模型通过动物的症状（如脱垂和漏尿的有无和程度）和一些验证方法如打喷嚏实验等来评估病理和治疗效果，只能得到定性而非定量的结果。生物力学测量一定程度上突破了这一束缚。人工漏尿点压测试、倾斜台漏尿点压测试及尿道闭合压测试均可得到客观的观测指标结果。Liang 等[39]对盆腔神经横断术的大鼠模型移植人羊水干细胞，使用人工漏尿点压测试发现漏尿点压在盆腔神经横断术后降低，在移植人羊水干细胞后则得到明显改善。

3.3 生物力学和POP生物力学也在POP 中发挥重要作用。Zhang 等[19]对切除卵巢后的恒河猴模型阴道局部注射间充质干细胞，并测量阴道壁的生物力学，证实间充质干细胞可以提高阴道壁的硬度。Abramowitch 等[8]开发了一种研究阴道支持组织复合体（vaginal support tissue complex，VSTC）的啮齿动物模型，发现在妊娠中晚期VSTC 的线性硬度及极限载荷都下降近50%。Clark-Patterson 等[40]对腓骨蛋白5 单倍体缺乏型和进行性脱垂型的小鼠进行生物力学测量，发现两者的阴道收缩力均降低。然而，生物力学不应局限于某一组织，还应扩大至整个盆底，但目前尚无能将盆底视为一个整体的生物力学测量模型。

4 结语与展望

由于人体试验受到医学伦理学的约束，动物实验成为研究PFD 的有力补充。本综述系统地总结了目前动物模型在PFD 不同类型的模型动物及造模方法，发现啮齿类动物模型使用最多，非人类灵长类动物最为理想[18]，不同动物模型均有其局限性；模拟分娩是最主要的造模方法，但不能完全复制人类分娩过程，仍有较大的改善空间。基因技术可以用于构建特定性质的动物模型，通过改变动物模型的基因表达，最终得到与人类更相似的发病转归过程，更有利于PFD 的探索研究。寻求“相似性”可能是PFD 动物模型前进发展的一个方向。本综述还探讨了生物力学在动物模型中的作用。将生物力学纳入动物模型测量体系中，可以得到对病理和疗效的客观、量化的结果，避免人为的判断误差。但目前尚无将整个盆底视为一个整体的生物力学测量模型，学者们仍缺乏对整个盆底更系统、更全面的了解。寻求“客观性”和“整体性”可能是PFD 动物模型前进发展的又一方向。