摘要 目的 研究阴道分娩对子宫骶韧带(uterosacral ligaments,USLs)和主韧带(cardinal ligaments,CLs)生物力学性能的影响,进而探讨阴道分娩对盆腔器官脱垂(pelvic organ prolapse,POP)的影响。方法 选用成年母猪(已育母猪5头,未育母猪5头)作为动物模型,通过单轴拉伸实验测量离体母猪的USLs和CLs被动力学行为,分析分娩对USLs和CLs生物力学性能的影响。结果 猪子宫韧带组织的被动力学行为呈非线性。无论分娩与否,右骶韧带的最大应力大于左骶韧带(P <0.05);分娩后,二者力学性能存在显著差异。未育母猪左主韧带最大应力略大于右主韧带(P <0.05);分娩后,两者差异降低(P >0.05)。USLs最大应力均大于CLs,表明USLs比CLs承受的张力更大,USLs在POP中起到关键性作用。结论 研究结果为认识USLs和CLs力学特性提供参考,可以指导更好治疗方法的发展,如POP手术重建,也为预防POP发生提供理论基础。
关键词:
子宫骶韧带
主韧带
单轴拉伸测试
非线性
阴道分娩
盆腔器官脱垂(pelvic organ prolapse,POP)是由于盆底支持组织缺陷或松弛引起的盆腔器官下降或移位引发器官的位置及功能异常。常见的脱垂分为膀胱膨出、直肠膨出、子宫脱垂、阴道穹窿膨出和肠疝,是一种极其常见的盆底功能障碍性疾病(pelvic floor dysfunction,PFD) [1-2] 。据统计,高达50%的产妇至少有轻微程度的POP [3-4] 。POP的病理生理是多因素和复杂的,阴道分娩使腹腔内压力升高,是造成肛提肌损伤进而引发POP的重要诱因 [5-6] ;且阴道分娩时产力的作用导致盆底组织张力变弱,成为盆底功能障碍发病最大的流行病学风险因素 [7-8] 。研究表明,未临产剖腹产分娩和进入第二产程后剖腹产分娩女性的POP发病率均低于阴道分娩女性 [9] 。因此,明确分娩对盆底生物力学的影响,有助于理解产后PFD病理生理学。生物力学因素能将阴道分娩和盆底功能障碍发病机制紧密联系起来 [10] 。
子宫骶韧带(uterosacral ligaments,USLs)和主韧带(cardinal ligaments,CLs)是支持子宫、宫颈和阴道的两种主要韧带。在POP手术中,USLs和CLs常作为盆腔器官的支撑锚,其结构完整性在尿失禁和慢性盆腔疼痛中也起着关键作用 [11] 。研究表明,阴道和子宫脱垂与USLs和CLs松弛有关 [12] 。在POP重建术中,由于韧带以一种特殊的方式拉伸和拉紧,故对韧带施加的拉力和张力会严重影响手术的结果 [13] 。Norton [14] 将盆腔器官及其支持组织比喻为“船坞里的船”。船代表盆腔器官,将船固定在码头上的绳索代表韧带,水代表盆底肌。水和绳索这两个元素协同工作,使代表盆腔器官的船保持漂浮和到位[见 图1 (a)]。相比之下,干船坞里的船,如果水位下降(即失去支撑或骨盆底肌肉无力),船(器官)就挂在绳索(韧带)上。绳子伸展并损伤,导致船(器官)下落。随着盆底肌功能的逐渐下降,韧带所承受的力越来越大,导致POP发生[见 图1 (b)]。
分娩创伤可能会造成韧带的结构永久性改变,且其力学性能有可能受到损害,故分娩是发生POP的主要危险因素。我国近期的一项流行病学研究显示,分娩次数≥3次的女性发生POP几率比未分娩女性高1.91～2.78倍 [15] ;而分娩次数≤3次的女性,阴道分娩次数的增加不会引起POP加重 [16] 。本文选用成年母猪为动物模型,探究分娩(未考虑分娩次数)对猪子宫骶韧带和主韧带力学性能的影响。利用离体拉伸实验测量未育和已育母猪的被动生物力学特性,分析分娩对USLs和CLs生物力学性能的影响,为POP的发生机制提供依据。
选取5头成年已育母猪和5头成年未育母猪的USLs和CLs,并从每头猪上分离出左子宫骶韧带(left uterosacral ligaments,LUSLs)、右子宫骶韧带(right uterosacral ligaments,RUSLs)、左主韧带(left cardinal ligaments,LCLs)、右主韧带(right cardinal ligaments,RCLs),测试其生物力学特性。其中,已育母猪来源于平遥晋润屠宰厂,未育母猪来源于离石鑫嘉盛屠宰厂。新鲜组织取后直接保存在充满生理盐水的容器中[见 图2 (a)],将该容器保存在含冰块的泡沫盒中,从屠宰厂到实验室的运输时间大约是2 h,然后立即对其进行测试。
研究表明,USLs和CLs的生物力学特性对POP治疗极为重要 [17] 。本文根据Rubod等 [18] 建立的先前描述和验证的实验方案,采用Instron 5544电子万能材料试验机及5 N力传感器对样本在恒定的变形速率下进行单轴拉伸测试,直到破裂点[见 图2 (b)]。测试前,测量并记录样本尺寸。有研究表明,USLs和CLs的力学行为与其尺寸无关,故本文选取的样本平均长度为18 mm [19-21] 。测试时,为了防止条带变干,用放有生理盐水的加湿器对样本加湿[见 图2 (c)]。为了消除组织的延滞效应并使其力学性能趋于稳态,正式实验前,以0.75 mm/s速度和5 mm阈值对样本施加5个预循环。预循环后,仍以0.75 mm/s速度对样本进行加载,直至样本被拉断停止[见 图2 (d)]。
受样本获取途径的局限性,部分样本由于操作技术问题导致可用实验所需样本量减少。其次,排除在单轴拉伸实验中滑移、对准不充分或夹具根部断裂的样本数据。经排除后,仅对22个样本进行数据分析,其中未育样本12个,LUSLs、RUSLs、LCLs、RCLs样本各3个。已育样本10个,LUSLs、RUSLs样本各3个,LCLs、RCLs样本各2个。
实验结果显示,无论分娩与否,猪USLs和CLs的应力-应变曲线表现为非线性,表明猪USLs和CLs的被动力学行为呈非线性(见 图3 )。
本文发现,无论分娩与否,RUSLs最大应力都大于LUSLs( P <0.05);且分娩后,两者力学性能差异悬殊。分娩对RUSLs最大应力具有统计学意义( P <0.05),对LUSLs无统计学意义( P >0.05)。未育母猪的LCLs最大应力略大于RCLs( P <0.05);分娩后LCLs、RCLs的差异降低,且分娩后两者不具有统计学意义(见 表1 )。
无论分娩与否,USLs的最大应力均大于CLs。未育母猪和已育母猪的RUSLs最大应力比LUSLs大(见 图4 )。研究发现,RUSLs的最大应力分娩前后的力学性能差异较大。本文结果表明,分娩前LCLs最大应力比RCLs略大,分娩后二者差异降低。USLs是一个异质组织,插入位置的生物力学性质和组成可能与CLs不同,从而会造成USLs的延展性更强,分娩似乎增强了USLs的最大应力。盆腔器官必须由支撑的韧带固定。因此,阴道分娩时韧带将承受这些负荷,结缔组织将伸展,进一步说明阴道分娩可能导致盆底松弛和生殖器裂口增大,导致POP发生。该结果与已发表的阴道分娩POP发生率高于剖宫产的结论相一致。鉴于研究女性盆腔组织的生物力学特征有助于全面理解导致POP的病理机制,故需进一步评估影响女性盆腔组织生物力学特性的因素 [22] 。
本研究也存在一定的局限性。理想情况下,生物力学特性应该在体内进行测量,其中组织抽吸和压痕技术是最常用的测量技术,用于评估人体组织力学特性的非破坏性和低创性测试 [23-24] 。由于伦理道德的限制,在体测量程序不能用于分析USLs等支持结构。尽管可以选择尸体进行研究,但尸体研究对象大部分为老年患者,且尸体的防腐过程、组织死亡和仰卧位的沉淀都会影响其力学特性,与活体组织的微观结构和力学特性的结果相差较大。Baah-Dwomoh等 [25] 对成年猪和成年人USLs进行的组织学分析表明,猪和人USLs在胶原蛋白和平滑肌含量上相似,有显著的力学相似性。猪的低成本和易于繁殖以及猪也会出现子宫脱垂等症状的事实表明,猪可作为研究POP发病机制的动物模型。此外,尽管有研究表明,猪可作为研究USLs在阴道顶端支持和治疗POP中力学作用的大型动物模型,但猪是四足动物,其盆腔形态和生理与人类有差异。另一个局限性是动物样本数量少,且本实验仅选择了最厚、最坚固且常用于外科固定的韧带中间部分进行分析研究,部分样本力学特性差别较大,可能是松散结缔组织部分厚度撕裂造成,在拉伸过程中继续可承受越来越大的载荷,从而造成不同位置力学结果有较大差异。USLs中间部分用于POP修复,但是它可能不能代表整个USLs如何重塑。
多数USLs和CLs的力学实验为沿着主要体内加载方向进行的单轴拉伸试验。然而,USLs和CLs在体内经历多个方向的加载。因此,本文后续研究将进行双轴拉伸试验,在生理相关的加载条件下表征USLs和CLs的力学特性。此外,盆底支撑韧带主要由胶原纤维与弹性蛋白、平滑肌细胞、神经纤维、成纤维细胞和血管结构交织,后续将进一步从组织学角度分析阴道分娩后这些韧带的结构变化,揭示组织微观结构和生物力学特性之间的联系。Baah-Dwomoh等 [25] 研究认为,确定解剖结构和微观结构以及跨物种USLs的力学特性是探究POP的发病机制所必需的,以便更好地选择动物模型,并将研究结果转化为人类USLs。本文研究结果为理解USLs随着分娩力学特性的改变而发生重塑提供参考,为分娩力学性能改变是否为导致POP的关键因素提供依据。
阴道分娩会导致韧带、肌肉损伤,影响盆底生物力学特性,引发POP和压力性尿失禁等一系列PFD,严重影响患者生活质量。阴道分娩后,女性盆腔脏器的解剖结构、位置及功能状态均发生一定变化。女性盆底功能受妊娠分娩及分娩方式的影响,产后盆底功能障碍十分常见。常规状态下,其轻度损伤一般可自愈;但当分娩导致压力性尿失禁、性功能障碍及便秘等症状发生时,若不及时采取措施干预,会影响产妇的日后生活。且有临床研究表明,产妇的泌尿生殖系统和盆底肌肉会受胎儿生产、子宫增大和内分泌激素的影响而改变,继而导致盆底支持结构逐渐变薄变弱 [26-27] 。因此,应用生物力学方法,通过分析怀孕和分娩引起的USLs和CLs生物力学变化研究POP的发病机制,具有重要的意义。
本文所采用的母猪均为健康母猪,通过对未育母猪和已育母猪的子宫韧带进行单轴拉伸实验,探究分娩对USLs和CLs的影响。结果表明,无论是否分娩,USLs都比CLs承受的张力大,且USLs所受最大应力最大,表明USLs在盆底支撑性组织中发挥了重大的作用。本文结果为目前临床手术中使用子宫骶韧带悬吊术治疗POP提供理论基础。Chen等 [28] 和Umek等 [29] 发现,人体内RUSLs比LUSLs长。但对于猪子宫韧带的长度,尚未有相关研究的定量描述。分娩对RUSLs力学性能具有显著的影响,因为相较于人而言,猪等大型动物由于长期所处的生活环境以及生活习惯中静卧休息姿势多为侧卧,可能会对盆底的支撑性结缔组织有一定的影响,从而造成子宫韧带不同位置的力学性能差异。
USLs增加了组织延展性从而抵抗负荷的下降,故分娩增加了USLs最大应力,导致刚度变大,而可延展性的增加可能与分娩后胶原蛋白含量的降低有关。盆腔器官必须由支撑性韧带所固定,分娩后需要支持更高载荷的组织将变得更强,韧带将承受这些负荷的变化,结缔组织将伸展。该结果强化了子宫骶韧带生物力学变化可能是由怀孕和分娩引起的观点,表明盆腔支持组织力学特性的改变可能有助于POP的进展。本研究结果为POP机制研究提供参考,为其他PFD发生机制研究提供借鉴,也为女性产后及时修复降低POP发生提供理论基础。
作者贡献声明： 王丽丽负责取样和整体设计实验方案、实验数据处理和论文撰写;刘然负责实验操作和检查实验数据的处理、校对论文等。
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