The effect of botulinum toxin A on transverse rectus abdominis musculocutaneous flap survival in rats

Abstract

The transverse rectus abdominis musculocutaneous (TRAM) flap is widely used in various reconstructive surgeries. Recent evidence suggests a positive effect of botulinum toxin A (BoTA) on flap survival. In this study, we hypothesized that pretreatment with BoTA augments axial-pattern TRAM flap survival in the presence of a vertical midline scar. We further hypothesized that this was due to increased angiogenesis resulting from enhanced activity of the hypoxia-inducible factor (HIF)-1α/vascular endothelial growth factor (VEGF) pathway. Twenty-four Sprague-Dawley rats were randomly divided into 2 groups. Five days after creating vertical midline incisions, the BoTA group was pretreated with BoTA; the control group was similarly pretreated with normal saline. Ten days after the initial incision, the TRAM flaps were harvested. The final flap survival percentage, overall histologic changes, pedicle lumen areas, and microvessel densities were assessed on postoperative day 5. Quantitative reverse-transcription polymerase chain reaction and Western blotting were performed to evaluate angiogenesis-related factors, including cluster of differentiation 34 (CD34), HIF-1α, and VEGF expression. Flap survival was significantly higher in the BoTA group than in the control group on both the ipsilateral (91.27 ± 10.1% vs 67.91 ± 20.2%; p = 0.002) and contralateral (53.16 ± 19.2% vs 14.54 ± 8.1%; p < 0.001) sides. In the BoTA group, a significant increase in the pedicle lumen area was observed, relative to that in the control group (p < 0.001). In the control group, mild to moderate epidermal necrosis was seen, and the microvessels were relatively small, compared with those in the BoTA group. Immunohistochemically, the numbers of CD31-positive vessels were significantly higher on the contralateral sides in the control group than in the BoTA group (p < 0.001). The relative expression of CD34 and VEGF mRNA was higher in the BoTA group than in the control group, in every zone; the relative expression of HIF-1α mRNA was significantly higher in the BoTA group than in zone IV. The relative expression of CD34, VEGF, and HIF-1α proteins was higher in the BoTA group than in the control group, in every zone. In conclusion, we showed that presurgical BoTA treatment might increase inferior-based TRAM flap survival due to increased HIF-1α/VEGF-dependent angiogenesis.

본 연구에서는 백서의 횡복직근 피판 모델에 보툴리눔 독소 A를 국소 적용하였을 때 혈관 확장 및 혈관 신생 관련 성장인자의 과발현을 통해 횡복직근 피판 생존에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 24마리의 백서를 보툴리눔 독소 국소 투여군과 생리식염수를 투여할 대조군으로 나누었다. 먼저 복부의 칼돌기 직하방에서 5cm길이의 직선 절개선을 가하고 봉합 시행 5일 후에 실험군은 보툴리눔 독소 A를 국소 투여하고 대조군에서는 같은 양의 생리 식염수를 투여하였다. 주사 5일 후에 횡복직근 피판을 거상하였다. 피판을 거상한 후 하방에 실리콘 시트를 적용한 후 피판을 원래 위치로 다시 위치시키고 피판의 생존면적을 술 후 제1일, 제3일, 제5일째 측정하였고 최종 피판 생존면적은 술 후 5일째 측정하였다. 헤마톡실린-에오신염색을 통해 횡복직근 피판의 혈관경 면적의 변화 및 전체적인 조직학적 변화의 양상, CD31 면역 화학 염색법을 통해 피판 내 미세혈관농도를 각각 술 후 5일째 평가하였다. 그리고 같은 시기에 혈관신생에 관여하는 인자인 CD34, HIF-1α, VEGF의 유전자 및 단백질을 정량적으로 측정하였다. 생존피판 면적 분석에서 보툴리눔 독소 투여군이 대조군에 비하여 통계적으로 유의하게 높은 피판 생존률을 나타내었다. 보툴리눔 독소 투여군에서 대조군에 비해 혈관경 면적이 유의하게 확장되어 있는 소견이 관찰되었으며, 대조군에서 보툴리눔 독소 투여군에 비해 경도에서 중증도의 표피괴사가 관찰되었으며, 미세혈관도 위축되어 있는 소견을 보였다. 미세혈관밀도 측정에서는 보툴리눔 독소 투여군이 동측 부위에서는 높게 나타났지만 두 군간의 유의한 차이가 나타나지 않았다. 반대측 부위에서는 오히려 보툴리눔 독소 투여군에서 유의하게 낮게 측정되었다. CD34와 VEGF 유전자 발현은 보튤리눔톡신 투여군에서 대조군에 비해서 대부분 통계적으로 유의하게 증가한 소견이 관찰되었다. HIF-1α는 허혈이 진행된 영역 IV에서 보툴리눔 독소 투여군에서 대조군에 비하여 발현이 증가되는 것을 관찰하였다. CD34, VEGF, HIF-1α의 단백질 발현은 보툴리눔 독소 투여군에서 대조군에 비해서 통계적으로 유의하게 증가되어 있는 소견을 보였다. 본 연구를 통해서 술전 보툴리눔 독소 A를 백서의 횡복직근 피판 모델에 국소 적용하였을 때 횡복직근피판의 혈관경을 확장시키고, 피판내 및 횡복직근의 혈관신생인자를 대조군에 비해 증가시켰으며 이를 통해 생존면적을 증가시킴을 확인할 수 있었다.