《Journal of Functional Biomaterials》：Animal Models for Preclinical Evaluation of Bioresorbable Scaffolds and Tissue-Engineered Constructs in Breast Reconstruction
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乳腺重建是乳房切除术后康复的重要组成部分，旨在恢复乳房形态与体积并改善患者的社会心理康复。尽管硅胶植入物和自体组织皮瓣仍是标准临床选择，但二者均存在相关局限，包括包膜挛缩（capsular contracture）、植入物相关并发症、供区并发症以及再现天然乳腺
乳腺重建是乳房切除术后康复的重要组成部分，旨在恢复乳房形态与体积并改善患者的社会心理康复。尽管硅胶植入物和自体组织皮瓣仍是标准临床选择，但二者均存在相关局限，包括包膜挛缩（capsular contracture）、植入物相关并发症、供区并发症以及再现天然乳腺组织动态特性的能力有限。因此，生物可吸收支架（bioresorbable scaffolds, BRS）和组织工程构建物（tissue-engineered constructs, TECs）已成为有前景的策略，用以支持血管长入、脂肪组织再生以及植入物逐步被宿主组织替代。然而，其转化需要充分的临床前模型，以评估体内生物相容性（biocompatibility）、炎症反应（inflammatory response）、包膜形成（capsule formation）、支架降解（scaffold degradation）、体积稳定性（volume stability）和再生潜能（regenerative potential）。本综述分析用于乳腺重建植入物和BRS开发的动物模型，重点关注啮齿类、兔和猪平台。啮齿类模型被视为针对异物反应（foreign body response, FBR）、巨噬细胞极化（macrophage polarization）、血管生成（angiogenesis）、脂肪生成（adipogenesis）和照射效应（irradiation effects）的早期筛选系统。兔模型作为包膜反应、脱细胞真皮基质（acellular dermal matrices, ADM）、放射相关纤维化（radiation-associated fibrosis）和软组织再生的中间平台。猪模型提供临床相关的大型动物系统，用于评估患者尺度构建物、成像兼容性（imaging compatibility）、手术可行性（surgical feasibility）、长期重塑（long-term remodeling）和支架引导的乳腺组织再生（scaffold-guided breast tissue regeneration）。总体而言，现有证据表明，没有任何单一动物模型能够完全再现人类乳腺重建的复杂性。合理的转化路径应根据支架开发阶段、特定生物学问题和预期临床应用，组合不同模型。
1. Introduction 乳腺重建是乳腺癌综合治疗和康复的重要组成部分，硅胶植入物与自体组织皮瓣虽为临床标准方案，但分别受包膜挛缩、植入物破裂、植入物相关间变性大细胞淋巴瘤（BIA-ALCL）、供区并发症及软组织量不足等限制。生物可吸收支架（BRS）作为临时三维模板，可维持体积并支持宿主细胞浸润、新生血管化和脂肪组织再生；组织工程构建物（TECs）则可联合脂肪组织、细胞外基质（ECM）、水凝胶、细胞或生物活性因子，构建再生微环境。该文指出，此类策略仍面临血管化不足、降解失控、力学性能不一致、慢性炎症和纤维化等问题，故需通过动物模型评估局部免疫与异物反应、血管化、脂肪再生、支架降解、纤维化、体积稳定性及放疗等临床相关条件，并据此比较啮齿类、兔和猪模型。
2. Reasons for Using Animal Models in the Development of Breast Reconstruction Implants 乳腺重建植入物与BRS的开发受ISO 10993“医疗器械生物学评价”框架约束，需结合化学、物理、体外和体内评价；动物实验须遵循ISO 10993-2:2022的3Rs原则，即替代（Replacement）、减少（Reduction）和优化（Refinement），并参照ISO 10993-6:2026评估植入后局部效应，参照ISO 10993-10:2021评估皮肤致敏等免疫反应。尽管细胞与组织工程技术进步，慢性炎症、感染反应和放疗效应等仍难以完全由细胞培养再现。材料筛选通常先进行体外筛查：MTT法用于细胞活力与细胞毒性评估，但易受抗氧化剂等干扰且难以反映降解过程中的动态毒性；遗传毒性可按ISO 10993-3评估，针对新型共聚物或附加材料仍需关注；支架黏附与接种效率受接种方式、孔径和厚度影响，脂肪生成分化亦可在体外初步评价。体外试验的关键局限在于难以再现植入部位、植入方式、长期动态及预防/治疗干预效果，因此需进入动物模型评价。
3. Small-Animal Models: Mice and Rats for Early Preclinical Evaluation 小鼠和大鼠是植入物与TECs早期体内评价的基础平台，适用于材料初筛、异物反应、细胞反应、包膜形成、血管整合、体积维持及新生脂肪组织形成等比较研究。3.1. Mice and Rats as Models of Host–Biomaterial Interactions 该节强调，小动物模型可研究表面驱动的炎症、巨噬细胞和成纤维细胞反应、ECM沉积、血管化和组织重塑；材料化学、表面微形貌和粗糙度可显著改变免疫细胞募集、成纤维细胞活化、胶原组织和异物反应。研究提示，植入物表面粗糙度与异物反应并非线性关系，约4 μm平均粗糙度可诱导较轻的炎症和纤维化反应，且该效应与适应性免疫调节相关。对BRS而言，材料持续降解使表面化学、孔结构、局部刚度和残余材料分布不断变化，故啮齿类实验应视为动态宿主—支架相互作用模型，而非固定植入物的传统异物反应实验。终点不应仅依赖包膜厚度，还应包括巨噬细胞和异物巨细胞的空间分布与表型、成纤维细胞/肌成纤维细胞活化、胶原沉积与组织、血管密度、组织浸润深度及支架存留/碎裂。机制研究可利用基因修饰小鼠连接材料特征与特定免疫、基质或血管通路；同时应结合残余支架体积、结构/孔隙变化、质量损失、分子量下降等材料学指标，并关注支架降解与血管化、ECM形成和组织成熟的时间匹配。小动物不能复制人乳腺绝对力学环境，但可揭示支架收缩、塌陷、变形、碎裂或孔结构丧失等早期趋势。
3.2. Rodent Models for the Preclinical Evaluation of Bioresorbable and Tissue-Engineered Constructs 该节将啮齿类中评价的TECs策略分为无细胞支架、支架辅助脂肪移植、可注射/ECM来源材料、复合与结构优化构建物及细胞基策略。3.2.1. Acellular Scaffolds for De Novo Adipogenesis 无细胞支架策略旨在评估支架本身能否在不外加脂肪、细胞或生长因子的条件下支持宿主驱动的新生脂肪生成，关键终点包括血管侵入、宿主细胞募集、脂肪组织形成与支架逐步替代；支架维持受保护的再生空间对血管和组织长入至关重要。3.2.2. Scaffold-Assisted Fat Grafting 支架辅助脂肪移植在植入时已含脂肪组织，支架主要提供临时力学支持、维持移植物分布和体积、改善早期血管化与移植物存活；其核心结局是脂肪移植物保留、活力、血管化、重塑和长期体积保持，而非单纯新生脂肪细胞出现。3.2.3. Injectable and Extracellular Matrix-Derived Biomaterials 可注射或脂肪来源ECM材料可适应不规则软组织缺损，形成允许细胞浸润、血管化和组织重塑的基质；其效果不仅取决于材料本身，还受受体组织状态、基质加工、配方、交联修饰和储存条件影响。3.2.4. Composite and Architecturally Optimized Constructs 复合构建物整合合成聚合物、水凝胶、ECM和特定三维结构，旨在形成更接近天然软组织的再生微环境；当多种设计变量同时改变时，啮齿类研究应把预设支架特征与血管长入、组织浸润深度与组织化、降解行为、孔结构维持和几何保持等特定结局相关联，作为体内工程筛选平台。3.2.5. Cell-Based Tissue-Engineering Approaches 细胞基策略通过外源细胞增强脂肪生成、血管化或组织成熟，其关键优势是可区分外源细胞补充与支架本身再生能力；评价应包括植入细胞存活、分化、与宿主细胞相互作用、血管整合、炎症反应及新生组织组织化。预血管化双微组织、颗粒水凝胶和可打印活脂肪组织等更复杂系统提高再生潜力，但也增加实验解释难度。3.2.6. Specialized Bioresorbable Constructs for Nipple–Areolar Complex Reconstruction 乳头—乳晕复合体重建模型关注临时构建物能否在整合和重塑/吸收过程中维持乳头投影和三维几何；支架支持的自体软骨、脱细胞异种基质和全生物可吸收3D打印P4HB构建物均针对这一工程问题，其成功标准不同于体积性乳腺重建，重点在于避免投影过早丧失、支架塌陷或支撑材料过度存留。
3.3. Irradiated Rodent Models as an Approximation of Oncologic Breast Reconstruction 放疗可改变受体组织环境，引起血管损伤、持续炎症、ECM重塑和进行性纤维化，从而影响植入物包膜、支架整合、脂肪再生和脂肪移植物存活；非照射模型可能高估再生与整合潜能。辐照啮齿类模型可用于比较胸肌前与胸肌下/双平面植入、ADM覆盖及不同组织界面在照射后的包膜形成，但照射方案本身需生物学验证，不能假定更高剂量必然更具代表性。此类模型亦可用于评价抗纤维化植入物涂层、脂肪来源间充质干细胞预防性给药等干预；对BRS和再生构建物，照射可损害支架内脂肪生成，故非照射条件下的成功不一定预测放疗后性能。照射应被视为模型定义变量，终点应随重建策略而定。
4. Rabbit Models as Medium-Scale Platforms for Preclinical Evaluation 兔模型的主要优势在于较大解剖尺度，可进行更复杂手术、植入较大构建物并获取足量植入物周围组织用于组织学、分子和生物力学联合分析，同时资源需求低于大型动物。4.1. Rabbit Models for Evaluation of ADM and Radiation-Induced Capsular Response 兔模型常用于评价植入物周围纤维化和包膜挛缩，尤其合并放射诱导组织损伤时；可比较ADM局部覆盖与全身抗纤维化治疗、ADM覆盖与带蒂肌瓣覆盖、ADM粉末涂层等对包膜厚度、肌成纤维细胞、TGF-β
1/TGF-β
2表达、胶原I/III和力学特性的影响。其价值在于可进行区域化包膜分析和生物力学测试，适用于ADM覆盖模式、植入物表面修饰和放射相关纤维化研究。4.2. Rabbit Models for Evaluation of Volumetric Scaffolds and Tissue-Engineered Constructs 兔模型亦用于体积性软组织再生，评价支架或腔室维持预定三维几何、支持血管侵入、允许脂肪形成和维持新生组织的能力；腔室和基质研究显示兔可支持较大体积血管化脂肪组织形成，并比较同种/异种脱细胞脂肪基质的整合与重塑。此类模型通常并非解剖学意义上的乳房切除或乳腺重建复制，其主要转化价值在于构建物尺度评价，而非机制解析；兔模型属于选择性中间平台，并非必经步骤。
5. Large-Animal Models: The Porcine Model in Preclinical Research 5.1. Translational Rationale for the Porcine Model 猪模型的主要优势是可在接近临床的尺度评价重建系统，包括临床相关体积构建物、手术定义的软组织腔隙和部分乳房切除缺损、超声/CT/MRI重复评估及影像与力学、组织学、分子分析整合；同一动物可承载多种重建条件以进行动物内比较。猪乳腺与人乳腺在腺体组织弥漫性、边界和筋膜/韧带结构上差异明显，其价值主要在尺度保真而非解剖保真。5.2. Volumetric Regeneration and the Balance Between Scaffold Support and Tissue Replacement 猪模型已用于形状定义型可降解支架内的体积性再生。聚己内酯（PCL）支架在小型猪中植入100 mL名义体积并随访12个月，再生软组织平均体积可达60.9 ± 4.5 mL，部分无初始脂肪填充组的新生组织可达约66.1 ± 9.7 mL，且无明显纤维包膜，多种影像与大体检查结果一致。聚（L-乳酸）（PLLA）网片联合胶原海绵研究显示，新生脂肪组织可在第6个月被检测，脂肪形成在第6—9个月达峰，而植入物聚集体总体体积逐渐下降。猪模型因此可评价三维几何保持、适当软组织体积形成及支架逐步失去结构作用的时间重塑。5.3. Scaffold Architecture and the Phenotype of Regenerated Tissue 猪研究提示，进入支架的组织量不等于成功乳腺再生，新生组织的组成和组织化同样重要。部分乳房切除模型中，裸PCL支架较PCL—胶原构建物显示更多脂肪组织形成，而后者胶原沉积更明显，炎症介质如TNF-α和IL-6亦存在差异；TissueDerm等PCL—胶原杂合3D打印网片与ADM比较显示更强组织侵入和较低球化倾向。结果说明胶原引入PCL体系并非固有有利或不利，而取决于材料空间组织、力学传递和支架—组织界面演变；评价需结合脂肪生成、胶原沉积、血管化、炎症活性和空间组织化以区分建设性重塑与纤维化替代。5.4. Reconstruction of Partial Breast Defects: Preformed Versus In Situ-Forming Constructs 针对保乳术后不规则缺损，预成型PCL支架可提供预定形状和体积，而可注射胶原基填充物可原位形成纤维状支架并经历快速细胞浸润、血管化和软组织新生，包括脂肪组织和乳腺腺体/导管样结构形成，且不干扰模拟再切除并保持影像可解释性。支架设计需与重建适应证匹配：预成型构建物更利于初始几何控制，原位形成材料更适应不规则腔隙，但需满足肿瘤学影像和再次切除可行性要求。5.5. Tissue Expansion, ADM Coverage, and the Reconstructive Tissue Environment 猪模型亦用于研究组织扩张和植入物覆盖所构成的力学与生物学环境。长期扩张研究结合3D摄影、组织学和计算模型，可区分可逆机械牵张与真正生物学皮肤生长；ADM覆盖在非照射扩张猪皮肤中可减轻真皮结构损伤、过度胶原沉积和包膜形成，但照射后保护作用仅部分保留，并可能通过更均匀分布扩张器产生的机械力影响皮肤生长和血管化。对BRS评价而言，构建物性能不能脱离周围组织包膜、机械负荷、血管适应、纤维化和既往照射来解释。5.6. Translational Position of the Porcine Model 猪研究使临床前乳腺组织工程从“材料是否可耐受”转向“重建系统能否在临床相关尺度发挥功能”，终点扩展至三维体积维持、脂肪生成与纤维化重塑平衡、大构建物血管化、纵向影像、再次手术兼容性、周围组织包膜适应及可吸收材料被宿主组织时间性替代。这些终点相互依赖：仅有几何维持而无组织替代、仅有组织长入而表型失控、或广泛再生但皮肤包膜适应不足，均可能损害最终重建效果。
6. Limitations of Animal Models 动物模型选择需综合考虑解剖、生理、免疫和实际条件，但针对同一合成材料的直接跨物种比较仍几乎缺失。小鼠和大鼠因饲养便利、繁殖快、基因修饰品系和试剂可及性高而常用，但其胸部软组织体积小、皮肤薄，植入物常需大幅缩小并置于背部皮下或腹腔，可能影响材料—组织相互作用。种间伤口愈合差异明显：小鼠皮肤伤口约10天愈合，大鼠和猪约30天，更接近人类；小鼠和大鼠伤口闭合更依赖肉芽组织收缩，而猪和人类再上皮化贡献更大。炎症和免疫反应亦存在种间差异，小鼠模型与人类转录组反应的相关性仍有争议；人与大鼠T淋巴细胞在特定活化条件下可表达MHC class II，单核/巨噬细胞标志亦存在差异；兔和猪对脂多糖（LPS）敏感性高于小鼠和大鼠但低于人类。猪在部分先天免疫通路与人类更接近，但猪缺乏AIM2和NLRC4两条经典炎症小体通路，巨噬细胞极化仍存在种特异性。猪模型还受微生物定植差异（人常见Cutibacterium acnes，猪以Staphylococcus epidermidis为主）、皮肤解剖和乳腺区脂肪较少等限制；猪乳腺植入物常置于腹侧胸壁皮下，该区肌肉和血供组织与人相似。兔为中间模型，对LPS较敏感，TLR4介导的内毒素识别及IL-1β/IL-8产生与人类有一定相似性，但相关免疫特征在支架反应中的意义尚缺乏研究。
7. Discussion 动物模型选择应由实验问题驱动，而非寻找最接近人类乳腺的单一物种。小啮齿类最适合早期体内开发，用于判断支架组成、表面性质、结构和降解如何影响宿主反应，并高通量比较多种配方；但其胸部软组织体积小、构建物需小型化且伤口愈合不同，限制了几何和尺度依赖结局的外推。模型选择不能与终点选择分离：无细胞支架诱导新生脂肪生成应评价宿主细胞浸润、血管侵入、脂肪形成和支架替代；支架辅助脂肪移植应评价移植物活力、血管化、脂肪细胞存活和体积保留；细胞负载构建物需同时评价移植细胞行为和宿主—构建物相互作用。兔模型为选择性中间平台，适用于超过啮齿类物理/手术能力但尚不需大型动物复杂性的问题，如较大构建物、区域包膜评价、ADM覆盖、放射相关包膜纤维化、植入物表面修饰和中等体积组织工程腔室。猪模型适用于将支架作为重建系统评价，可研究临床相关体积、部分乳房切除缺损、纵向影像、外部轮廓维持、大扩散距离血管化、影像/再手术兼容性和患者尺度构建物长期重塑。可吸收构建物成功的关键在于其结构角色逐步转移给新生宿主组织，降解须与血管化、ECM形成、脂肪生成和再生组织获得足够力学能力同步；过早失去完整性可致收缩、变形或体积丧失，过度存留则延长异物反应并延迟组织替代。照射应作为模型定义变量，在适当阶段纳入，且照射方案需验证；终点应随重建策略而定。该文提出问题驱动的选择框架，但并非强制线性顺序；只有当下一模型能回答上一层级无法解决的问题时，才应升级模型。
8. Conclusions 没有任何单一动物模型能再现人类乳腺重建的全部生物学、解剖、力学和手术特征；现有证据支持根据支架开发各阶段剩余的不确定性互补使用模型。啮齿类用于早期筛选和宿主—生物材料相互作用机制研究；兔可解决特定中等尺度手术、体积和生物力学问题；猪模型适合评价临床相关尺寸下的重建系统，包括长期体积维持、影像兼容性、手术可行性及支架降解与组织替代平衡。从啮齿类到兔再到猪并非必经序列，增加模型仅在能回答前一层级无法充分解决的问题时才有必要。当前证据的主要局限是缺乏使用相同支架材料和标准化结局指标的直接跨物种比较；伤口愈合、免疫炎症反应、组织结构和微生物环境差异使外推复杂化。未来研究应协调关键终点，并在科学合理时以可比指标跨模型尺度评价同一构建物，以区分支架设计固有效应与物种/植入部位效应。临床前模型选择的目标不是寻找总体上最像人类的动物，而是选择能最有效解决进入下一开发阶段前主要生物学、工程学或转化问题的实验系统；问题驱动策略结合终点选择和适当照射等临床相关挑战条件，可提高临床前研究的预测价值并避免不必要的动物使用。
