Comparison of Angiogenic Activity after Urethral Reconstruction Using Free Grafts and Pedicle Flap: An Experimental Study[1]

Abstract

Purpose: An experimental study was undertaken in order to estimate the angiogenic activity in different free grafts and pedicle flap in urethral reconstruction in an animal model. Methods: Twenty-eight white New Zealand rabbits were randomly divided into five groups (O, A, B, C and D). A ventral urethral defect was created in all groups. In the group O, (n = 4), a simple closure of the defect was performed. Free penile skin graft (group A, n = 6), buccal mucosal graft (group B, n = 6), bladder mucosal graft (group C, n = 6), and pedicle penile skin graft (group D, n = 6) were used to bridge the urethral defect as an onlay patch. The animals were euthanized on the 21st postoperative day. The angiogenic activity was assessed with immunohistochemistry, using the anti-CD31 MoAb and the alkaline phosphatase antialkaline phosphatase procedure. The native vascularity of penile skin as well as buccal and bladder mucosa was assessed in rabbits from group O (n = 3). Statistical analysis was performed using one-way ANOVA. Results: The angiogenesis seen with a magnification of × 200 in groups O, A, B, C, and D was 34.1 ± 4.1 (mean ± SD), 61.7 ± 6.4, 94.3 ± 6.4, 91.5 ± 7.2, and 30.8 ± 5.2 vessels per optical field, respectively. There were statistically significant differences (p < 0.001) between group O and groups A, B, C and between group A and groups B, C, D, but not (p > 0.5) between groups B and C and groups O and D. The native vascularity of penile skin, buccal mucosa and bladder mucosa was 23.3 ± 3.0, 24.6 ± 3.7 and 17.0 ± 2.6 vessels per optical field, respectively. Conclusion: Buccal and bladder mucosal grafts exhibit a higher angiogenic activity than free and pedicle penile skin flap when transplanted in urethral defects. As the buccal mucosal graft showed the higher angiogenic activity and its harvesting is easier than bladder mucosa, we propose that in urethral reconstruction surgery the use of this graft might offer more reliable results.

Résumé

Buts: Une étude expérimentale a été entreprise pour estimer l'activité angiogénique dans différentes greffes libres ou pédiculées dans la reconstruction urétrale chez l'animal. Méthodes: 28 lapins blancs de Nouvelle-Zélande ont été divisés en 5 groupes (O, A, B, C et D). Un défect urétral ventral a été créé dans tous les groupes. Dans le groupe O (n = 4), une simple fermeture du défect a été réalisée. Une greffe libre de peau du pénis (groupe A, n = 6), une greffe de muqueuse buccale (groupe B, n = 6), une greffe de muqueuse vésicale (groupe C, n = 6), une greffe pédiculée de peau de pénis (groupe D, n = 6) étaient utilisées pour patcher le défect urétral. Les animaux ont été euthanasiés au 21^ème jour post-opératoire. L'activité angiogénique était analysée par immuno-histochimie en utilisant l'anticorps monoclonal anti-CD31et le procédé des phosphatases anti-alcalines. La vascularisation native de la peau du pénis aussi bien que les greffes de muqueuse buccale ou vésicale était analysée chez un lapin du groupe O (n = 3). L'analyse statistique était réalisée utilisant la méthode ANOVA. Résultats: L'angiogénèse observée avec un agrandissement de 200 fois dans les groupes O, A, B, C et D était de 34,1 ± 4,1, 61,7 ± 6,4, 94,3 ± 6,4, 91,5 ± 7,2, et 30,8 ± 5,2 respectivement par champ. Il y avait une différence statistique significative (p < 0,001) entre le groupe O et les groupes A, B, C et entre le groupe A et les groupes B, C, D, mais pas de différence (p > 0,5) entre les groupes B et C et les groupes O et D. La vascularisation de la peau du pénis, de la muqueuse buccale et de la muqueuse vésicale était de 23,3 ± 3,0, 24,6 ± 3,7 et 17,0 ± 2,6 par champ. Conclusion: Les muqueuses buccales et vésicales développent une activité angiogénique plus importante que les greffes libres ou pédiculées de la peau du pénis. Comme la muqueuse buccale a montré son activité angiogénique supérieure et qu'elle est plus facile à prélever que la muqueuse vésicale, nous proposons dans les reconstructions urétrales la greffe de la muqueuse buccale qui donne les meilleurs résultats.

Resumen

Objetivo: Se realizó un estudio experimental para estimar la actividad angiogénica en diferentes tipos de colgajos libres y pediculados usados en la reconstrucción uretral en un modelo animal. Métodos: Se dividieron aleatoriamente 28 conejos blancos de Nueva Zelanda en 5 grupos (O, A, B, C y D). Se creó un defecto uretral ventral en todos los grupos. En el O (n = 4) este orificio se cerró simplemente. En los demás se utilizó piel peneana libre (grupo A n = 6), mucosa bucal (grupo B n = 6), mucosa vesical libre (grupo C n = 6) y piel penana pediculada (grupo B n = 6) para cubrir el defecto uretral. Los animales fueron sacrificados en el día 21 postoperatorio. La actividad angiogénica se evaluó mediante inmunohistoquímica usando anticuerpo monoclonal anti-CD 31 y método de fosfatasa alcalina-fosfatasa antialcalina. La vascularización nativa de la piel peneana así como la de la mucosa bucal y vesical se estudiaron en los animales del grupo O (n = 3). Se realizaron análisis estadístico mediante ANOVA a una cola. Resultados: A una amplificación de × 200 en los grupos O, A, B, C, y D la angiogénesis fue 34,1 ± 4,1 (media ± SD), 61,7 ± 6,4, 94,3 ± 6,4, 91,5 ± 7,2 y 30,8 ± 5,2 vasos por campo óptico respectivamente. Hubo diferencias estadísticamente significativas (p < 0,001) entre el grupo O y los grupos A, B y C y entre el grupo A y en los grupos B, C y D pero no (p > 0,5) entre los grupos B y C y entre los O y D. La vascularización nativa de la piel peneana, de la mucosa bucal y de la vesical fue 23,3 ± 3, 24,6 ± 3,7 y 17 ± 2,6 vasos por campo óptico respectivamente. Conclusión: Los injertos de mucosa bucal y vesical tienen mayor actividad angiogénica que los injertos de piel libre y los colgajos de piel peneana trasplantados a defectos uretrales. Ya que la mucosa bucal presentaba mayor actividad angiogénica y su obtención es más fácil que la de la mucosa vesical proponemos que en la cirugía de reconstrucción uretral este tipo de injerto puede tener mejores resultados.

Zusammenfassung

Zweck: Eine experimentelle Studie wurde durchgeführt, um die angiogene Aktivität in unterschiedlichen freien Transplantaten und gestielten Hautlappen bei der urethralen Rekonstruktion im Tiermodell zu untersuchen. Methoden: Achtundzwanzig weiße New Zealand-Kaninchen wurden nach dem Zufallsprinzip in fünf Gruppen geteilt (O, A, B, C und D). Bei allen Gruppen wurde ein ventraler urethraler Defekt erzeugt. In der Gruppe O (n = 4) wurde der Defekt einfach verschlossen. Freie penile Hauttransplantation (Gruppe A, n = 6), bukkale Schleimhaut-Transplantation (Gruppe B, n = 6), Blasenschleimhaut-Transplantation (Gruppe C, n = 6) und gestielte penile Haut-Transplantationen (Gruppe D, n = 6) wurden bei den anderen Gruppen zur Überbrückung des urethralen Defekts als Onlaylappen herangezogen. Die Tiere wurden am 21. postoperativen Tag getötet. Die angiogene Aktivität wurde immunhistochemisch mit dem monoklonalen Antikörper CD31 und der APAAP-Technik (alkaline phosphatase - antialkaline phosphatase) überprüft. Die normale Vaskularität der penilen Haut sowie der bukkalen und Blasen-Mukosa wurde bei Kaninchen der Gruppe O festgelegt (n = 3). Die statistische Analyse wurde mit der Einweg-ANOVA-Methode durchgeführt. Resultate: Die Angiogenese betrug in einer Vergrößerung von × 200 in den Gruppen O, A, B, C und D 34,1 ± 4,1 (mean ± SD), 61,7 ± 6,4, 94,3 ± 6,4, 91,5 ± 7,2 und 30,8 ± 4,1 (mean ± SD), 61,7 ± 6,4, 94,3 ± 6,4, 91,5 ± 7,2 und 30,8 ± 5,2 pro optischem Feld. Es gab statistisch signifikante Unterschiede (p < 0,001) zwischen der Gruppe O und den Gruppen A, B, C und zwischen Gruppe A und den Gruppen B, C, D, aber nicht (p > 0,5) zwischen den Gruppen B und C und den Gruppen O und D. Die normale Vaskularität der penilen Haut, der bukkalen Mukosa und der Blasen-Mukosa betrug 23,3 ± 3,0, 24,6 ± 3,7 und 17,0 ± 2,6 pro optisches Feld. Schlussfolgerungen: Bukkale und Blasenschleimhaut-Transplantationen bewirken eine höhere angiogene Aktivität als freie und gestielte penile Hautlappen. Da die bukkale Schleimhaut-Transplantation auch eine hohe angiogene Aktivität aufwies und die Entnahme einfacher als die der Blasen-Mukosa ist, glauben wir, dass in der urethralen Rekonstruktion der Gebrauch von Mundvorhofschleimhaut bevorzugt werden sollte.

Key words

Angiogenic activity - bladder mucosa graft - buccal mucosa graft - free skin penile graft - pedicle penile skin flap - urethral reconstruction

Mots-clés

Activité angiogénique - greffe de muqueuse vésicale - greffe de muqueuse buccale - greffe libre de peau du pénis - greffe pédiculée de peau du pénis - reconstruction uréthrale

Palabras clave

Angiogénesis - mucosa vesical - piel peneana - colgajo - injerto - uretra

Schlüsselwörter

Angiogenese - Blasenscheimhaut - Urethrarekonstruktion - Mundvorhofschleimhaut - freie und gestielte Lappen - Tiermodell

1 Presented at the 6th European Congress of Paediatric Surgery (Young Investigator Session) Gdaňsk, Poland, 25 - 28 May 2005

References

• 1 Baron R, Pavaux S, Blan P S, Suq P. Baron R, Pavaux S, Blan PS, Suq P (eds). Atlas of Rabbit Anatomy. Paris; Masson 1973: 86-88
• 2 Duckett J W, Coplen D, Ewalt D, Baskin L S. Buccal mucosal urethral replacement.  J Urol. 1995;  153 1660-1663
• 3 Elliott S P, Metro M J, McAninch J W. Long-term follow up of the ventrally placed buccal mucosa onlay graft in bulbar urethral reconstruction.  J Urol. 2003;  169 1754-1757
• 4 Folkman J, Shing Y. Angiogenesis.  J Biol Chem. 1992;  267 10931-10934
• 5 Giatromanolaki A, Koukourakis M, O'Byrne K, Fox S, Whitehouse R, Talbot D C, Harris A L, Gatter K C. Prognostic value of angiogenesis in operable non-small cell lung cancer.  J Pathol. 1996;  179 80-88
• 6 Greenwell T J, Venn S N, Mundy A R. Changing practice in anterior urethroplasty.  BJU Int. 1999;  83 631-635
• 7 Herting A T. Angiogenesis in the early human chorion and in the primary placenta of the Macaque monkey.  Contrib Embryol. 1935;  25 37-81
• 8 Kellner D S, Fracchia J A, Armenakas N A. Ventral onlay buccal mucosal grafts for anterior urethral strictures: long-term follow up.  J Urol. 2004;  171 726-729
• 9 Lineaweaver W C, Lei M P, Mustain W, Oswald T M, Cui D, Zhang F. Vascular endothelium growth factor, surgical delay, and skin flap survival.  Ann Surg. 2004;  239 866-867
• 10 Liu Y, Cox S R, Morita T, Kourembanas S. Hypoxia regulates vascular endothelial growth factor gene expression in endothelial cells. Identification of a 5′ enhancer.  Circ Res. 1995;  77 638-643
• 11 McAninch J W. Reconstruction of extensive urethral strictures: circular fasciocutaneous penile flap.  J Urol. 1993;  149 488-491
• 12 Mitchell R N, Cotran R S. Tissue repair: Cell regeneration and fibrosis. Kumar V, Cotran RS, Robbins SL Robbins Basic Pathology. Philadelphia; Saunders 2003: 61-78
• 13 Morey A F, McAninch J W. When and how to use buccal mucosal grafts in adult bulbar urethroplasty.  Urology. 1996;  48 194-198
• 14 Pansadoro V, Emiliozzi P, Gaffi M, Scarpone P, DePaula F, Pizzo M. Buccal mucosa urethroplasty in the treatment of bulbar urethral strictures.  Urology. 2003;  61 1008-1010
• 15 Shweiki D, Itin A, Soffer D, Keshet E. Vascular endothelial growth factor induced by hypoxia may mediate hypoxia-initiated angiogenesis.  Nature. 1992;  359 843-845
• 16 Wessells H, McAninch J W. Current controversies in anterior urethral stricture repair: free-graft versus pedicled skin-flap reconstruction.  World J Urol. 1998;  16 175-180
• 17 Wessells H, McAninch J W. Use of free grafts in urethral stricture reconstruction.  J Urol. 1996;  155 1912-1915

1 Presented at the 6th European Congress of Paediatric Surgery (Young Investigator Session) Gdaňsk, Poland, 25 - 28 May 2005