新型植入式脊髓電刺激系統(tǒng)在羊的生物安全性和組織相容性研究*

毛 鵬 李怡帆 李春蕊 王志燕 化 朋 王新星 王泊寧 樊碧發(fā) 李路明

（1 中日友好醫(yī)院疼痛科，北京 100029；2 北京中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，北京 100029；3 中日友好醫(yī)院日間手術(shù)中心，北京 100029；4 清華大學(xué)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；5 河北省定州市人民醫(yī)院疼痛科，定州 073009）

脊髓電刺激 (spinal cord stimulation, SCS) 是一種集電子和生物材料于一體的神經(jīng)調(diào)控療法，廣泛用于慢性頑固性疼痛的治療[1]。我國(guó)自2003 年中日友好醫(yī)院開(kāi)展這項(xiàng)技術(shù)以來(lái)，適應(yīng)證不斷擴(kuò)展，例數(shù)也不斷增加，廣受病人好評(píng)。由于SCS 系統(tǒng)依賴進(jìn)口，價(jià)格高昂，限制了其臨床應(yīng)用，無(wú)法滿足我國(guó)大量慢性疼痛病人治療的需要[2～4]。為打破國(guó)外對(duì)SCS 系統(tǒng)的技術(shù)壟斷，促進(jìn)我國(guó)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，中日友好醫(yī)院與清華大學(xué)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室合作，開(kāi)發(fā)研制具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的植入式脊髓電刺激系統(tǒng)。由于羊的脊柱結(jié)構(gòu)與人相似，因此本研究選取小尾寒羊?qū)ζ渖锇踩院徒M織相容性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

方 法

1.實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和儀器

選取健康成年雄性小尾寒羊3 只（編號(hào)羊1～3），體重25～35 kg，由中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院心血管疾病國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供并進(jìn)行飼養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)用植入式脊髓刺激電極（型號(hào)：L3211、L3212、L3213、L3214、L3252-65、L3253-65）和脈沖發(fā)生器 (Implantable pulse generator，IPG) 由北京品馳醫(yī)療設(shè)備有限公司提供。

2.手術(shù)方法

實(shí)驗(yàn)羊術(shù)前禁食12 h，靜脈注射舒芬太尼（宜昌人福制藥有限公司，2 ml:0.1 mg，H20054172）1 μg·kg-1、丙泊酚乳狀注射液（江蘇恩華藥業(yè)有限公司，20 ml:0.2 g，H20123138）4 mg·kg-1麻醉。取俯臥位，常規(guī)消毒鋪巾。在X 線透視引導(dǎo)下，擇L6-7棘突間隙行硬膜外腔穿刺（穿刺電極，羊1 和3，見(jiàn)圖1A）或用咬骨鉗咬除L6和L7部分椎板，暴露硬膜外腔（外科電極，羊2，見(jiàn)圖1B）。成功后，根據(jù)評(píng)價(jià)需要，分別將穿刺電極和外科電極置入相應(yīng)椎體水平，并采用穿刺套裝中的固定“錨”妥善固定于棘上韌帶；再于羊臀部外上區(qū)皮下作囊袋，植入IPG并與電極相連接。阻抗測(cè)試無(wú)誤后，縫合切口，以無(wú)菌敷料包扎。

3.術(shù)后處理

術(shù)后定期肌肉注射青霉素（2 萬(wàn)IU·kg-1）預(yù)防感染并開(kāi)機(jī)刺激，采用同一參數(shù)刺激，持續(xù)4 周。觀察并記錄術(shù)后羊的一般情況、行為學(xué)反應(yīng)、血WBC 水平、電阻抗值，持續(xù)4 周（見(jiàn)表1）。

4.取材

術(shù)后4 周，在X 線透視下觀察電極位置，并與術(shù)后即刻電極位置相比較；靜脈推注氯化鉀注射液（大冢制藥，10 ml:1.5 g，H20053711）2 支處死動(dòng)物，切開(kāi)囊袋，取出IPG；依次切開(kāi)脊柱區(qū)皮膚筋膜，分離椎旁肌肉，用咬骨鉗咬除椎板，暴露脊髓和刺激電極，觀察電極周?chē)M織增生情況，截取受刺激和未受刺激的脊髓節(jié)段各少許，分別浸泡于10%甲醛溶液（南昌雨露實(shí)驗(yàn)器材有限公司）中。

5.觀察指標(biāo)

觀察術(shù)后羊的一般情況（生命體征、四肢活動(dòng)情況等），觀察有無(wú)出血、血腫、局部感染、腦脊液漏等并發(fā)癥，記錄術(shù)前、術(shù)后3 天、7 天和10 天的血WBC 水平，記錄術(shù)中、術(shù)后1 天、3 天、1 周、2 周、3 周和4 周的設(shè)備阻抗值，制作并觀察脊髓標(biāo)本的HE 染色病理切片。

6.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

結(jié) 果

1.術(shù)后一般情況

術(shù)后羊的切口愈合良好，未見(jiàn)出血、血腫、局部感染、腦脊液漏等并發(fā)癥，生命體征平穩(wěn)。羊1在術(shù)后第1 天時(shí)右后肢輕微運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，調(diào)整刺激電壓后恢復(fù)正常。其余羊四肢活動(dòng)正常，未見(jiàn)異常步態(tài)、肌肉萎縮和痙攣等。

2.血WBC 水平

所有羊在術(shù)后第3 天時(shí)WBC 水平均稍升高，在術(shù)后第7天左右恢復(fù)正常，總體波動(dòng)不大（P ＞ 0.05，見(jiàn)表2）。

3.阻抗值測(cè)定

觸點(diǎn)13 在術(shù)后3 周時(shí)與基線相比有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(Huynh-Feldt: P = 0.011)，但仍處于生物組織正常阻抗范圍(300 Ω～1 500 Ω)；其余觸點(diǎn)在術(shù)后各時(shí)間點(diǎn)，特別是第4 周時(shí)的電阻抗值與術(shù)后即刻相比未見(jiàn)明顯改變（見(jiàn)表3）。

4.電極位置和組織增生情況

術(shù)后4 周時(shí)，經(jīng)X 線透視確定，所有羊的植入電極的位置較術(shù)后即刻無(wú)明顯改變。取材時(shí)，電極周?chē)匆?jiàn)明顯組織增生、包裹。

表1 實(shí)驗(yàn)羊的術(shù)后刺激模式Table 1 Postoperative Stimulation Mode of Sheep

表2 手術(shù)前后實(shí)驗(yàn)羊的白細(xì)胞計(jì)數(shù)(109·L-1)Table 2 Changes of white cell counts of sheep after implantation (109·L-1)

表3 術(shù)中及術(shù)后4 周內(nèi)實(shí)驗(yàn)羊體內(nèi)電極阻抗值測(cè)試結(jié)果(Ω, ±SD)Table 3 Intraoperative and postoperative impedances of contacts in sheep (Ω, ±SD)

表3 術(shù)中及術(shù)后4 周內(nèi)實(shí)驗(yàn)羊體內(nèi)電極阻抗值測(cè)試結(jié)果(Ω, ±SD)Table 3 Intraoperative and postoperative impedances of contacts in sheep (Ω, ±SD)

*P ＜ 0.05，與基線相比；compared with baseline.

術(shù)后4 周4 weeks post-operatively 1 596.0±147.5 519.0±142.7 560.0±150.7 575.0±40.0 579.7±104.1 594.3±118.9 593.3±88.3 2 582.7±137.3 519.3±146.3 548.3±135.4 565.3±117.2 555.7±133.8 556.7±148.7 544.7±108.6 3 524.0±144.3 466.3±132.2 484.0±115.2 500.0±113.6 479.7±101.1 504.0±131.9 504.7±103.5 4 510.3±171.3 472.0±92.1 473.3±99.7 503.7±129.2 498.3±119.7 493.0±113.6 506.0±114.2 5 501.0±168.6 473.7±122.7 442.0±103.5 464.3±128.8 466.7±129.6 488.3±157.0 491.7±138.0 6 538.7±199.9 470.3±120.9 450.0±90.3 460.3±96.4 482.0±115.1 492.7±137.8 494.7±138.0 7 537.3±211.0 486.3±119.4 495.3±110.3 490.3±81.7 504.0±86.1 520.3±109.2 525.7±84.6 8 446.0±209.5 437.7±151.2 480.7±133.7 484.3±83.0 500.0±89.4 537.3±106.2 532.7±39.0 9 616.3±168.8 442.7±137.3 524.0±245.5 471.0±174.9 450.3±171.0 471.0±189.3 482.3±188.6 10 487.3±73.9 484.3±87.6 477.7±59.3 471.0±117.8 452.7±129.7 472.7±131.5 478.7±102.3 11 538.0±214.9 527.3±92.6 443.7±95.2 462.7±103.9 464.7±102.3 475.3±124.4 464.7±105.8 12 468.3±95.2 396.3±106.0 399.3±129.4 404.3±144.6 409.7±162.3 432.0±178.5 423.0±163.6 13 453.7±110.2 459.7±76.8 453.3±76.1 484.3±62.6 491.0±66.3 519.7±88.6* 519.0±62.3 14 444.3±167.6 428.0±126.0 431.3±92.8 463.0±95.8 485.3±88.9 530.0±76.9 527.7±62.6 15 479.0±228.7 440.7±142.4 461.0±124.8 486.7±112.5 503.7±79.8 521.3±101.9 514.0±87.3 16 432.3±200.3 426.3±146.9 456.0±138.6 491.7±103.5 493.3±105.3 518.3±106.8 520.7±82.7觸點(diǎn)Contact術(shù)中Baseline術(shù)后1 天1 day post-operatively術(shù)后3 天3 days post-operatively術(shù)后1 周1 week post-operatively術(shù)后2 周2 weeks post-operatively術(shù)后3 周3 weeks post-operatively

5.脊髓病理

將刺激節(jié)段和未刺激節(jié)段進(jìn)行切片、HE染色[5]，鏡下觀察：SCS 刺激節(jié)段的脊髓形態(tài)正常，灰質(zhì)居于中央，呈“蝴蝶形”。中央管位于灰質(zhì)中央，位置和形態(tài)結(jié)構(gòu)正常。灰質(zhì)和白質(zhì)的神經(jīng)元胞體大小不等，呈多極神經(jīng)元形態(tài)，細(xì)胞核位于中央，染色淺，核仁清楚；未觀察到炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，未見(jiàn)嚴(yán)重的組織疏松和空泡形成，未見(jiàn)細(xì)胞腫脹、萎縮、壞死、缺血等病理改變（見(jiàn)圖2）。

討 論

SCS 最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)60 年代，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已被廣泛用于各種慢性頑固性疼痛的治療[6,7]。美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局 (food and drug administration, FDA) 批準(zhǔn)SCS 用于治療軀干和四肢的慢性疼痛、頑固性腰背痛、腿痛和脊柱術(shù)后疼痛綜合征 (failed back surgery syndrome, FBSS) 引起的疼痛[7]。在歐洲，SCS 還被批準(zhǔn)用于難治性心絞痛和肢體缺血性疼痛的治療[8]。

SCS 的作用機(jī)制是Melzack 和Wall[9]在1965年提出的“門(mén)控理論” (gate control theory)。其認(rèn)為，在脊髓背角存在一種節(jié)段性痛覺(jué)調(diào)制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由初級(jí)傳入纖維（如A 類和C 類神經(jīng)纖維）、脊髓背角投射神經(jīng)元（傳遞細(xì)胞，transmission cells，T 細(xì)胞）和膠質(zhì)區(qū)的抑制性中間神經(jīng)元（substantia gelatinosa，SG細(xì)胞）組成，其中SG細(xì)胞起關(guān)鍵的“閘門(mén)”作用，對(duì)痛覺(jué)傳入具有突觸前抑制效應(yīng)。此外，研究表明，SCS 的療效還與影響脊髓以上水平的痛覺(jué)調(diào)制[10]、調(diào)節(jié)痛覺(jué)相關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)水平的變化（如γ-氨基丁酸、5-羥色胺、乙酰膽堿、去甲腎上腺素和內(nèi)源性阿片肽）等多種作用有關(guān)[11,12]。

我國(guó)的慢性疼痛具有人口基數(shù)大、患病年齡輕、緩解率不足、治療不充分等特點(diǎn)[2～4]。國(guó)內(nèi)的SCS 技術(shù)經(jīng)過(guò)20 余年的發(fā)展，在緩解慢性頑固性疼痛中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，并寫(xiě)入神經(jīng)病理性疼痛中國(guó)專家共識(shí)[13]，但植入的例數(shù)卻遠(yuǎn)低于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。究其主要原因，是我國(guó)缺少自主研發(fā)的SCS系統(tǒng)。

目前國(guó)際上的SCS 生產(chǎn)商主要來(lái)自美國(guó)，包括：①美敦力公司 (Medtronic, USA)，是最早的SCS 設(shè)備生產(chǎn)商，也是產(chǎn)品類型最多的公司，主要研制各種傳統(tǒng)模式下SCS 設(shè)備，在減小IPG 體積、提高M(jìn)RI 兼容性、感應(yīng)體位變化導(dǎo)致的電極移位、多觸點(diǎn)電極等方面都居于領(lǐng)先地位；②圣猶達(dá)公司 (St. Jude, USA)，2017 年被雅培公司(Abbott, USA)收購(gòu)，旗下特點(diǎn)產(chǎn)品是背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglion, DRG) 電刺激系列Proclaim?/Axium?和爆發(fā)電刺激系列BurstDR?；③波士頓科技 (Boston Scientific, USA)，以能夠提供多靶點(diǎn)、多刺激程式設(shè)定的電刺激為代表。④內(nèi)夫羅公司 (Nevro, USA)，旗下主要特點(diǎn)產(chǎn)品是HF-10?，即能夠產(chǎn)生10 kHz 頻率的高頻SCS 相關(guān)系列產(chǎn)品；⑤Stimewave 公司 (USA)：主要相關(guān)產(chǎn)品是Freedom Stimulator?，以體外無(wú)線刺激器為代表。進(jìn)口設(shè)備昂貴的價(jià)格限制了SCS 在我國(guó)的普及應(yīng)用。因此，盡快完成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SCS 設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用，對(duì)于提高我國(guó)疼痛學(xué)科的診療水平具有重要意義。

圖2 術(shù)后1 個(gè)月時(shí)實(shí)驗(yàn)羊HE 染色的脊髓切片（A-D,未刺激節(jié)段；A1-D1,刺激節(jié)段） Fig. 2 HE staining of spinal cord in sheep at 1 month post-surgery (A-D, unstimulated segments; A1-D1, stimulated segments)

本研究是國(guó)內(nèi)首個(gè)在大型哺乳動(dòng)物—羊身上進(jìn)行新型SCS 系統(tǒng)安全性驗(yàn)證的臨床前研究：在小尾寒羊上，觀察我國(guó)自主研發(fā)的新型植入式SCS 系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的行為學(xué)、血液指標(biāo)、組織形態(tài)和體內(nèi)設(shè)備阻抗的影響，驗(yàn)證不同規(guī)格刺激電極（穿刺電極和外科電極）和刺激模式（常規(guī)低頻刺激50 Hz和高頻10 kHz 刺激）的生物安全性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、手術(shù)操作性、組織相容性和刺激有效性。之所以選擇羊作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，是因?yàn)檠蚣怪c人脊柱的特征性解剖尺寸非常相似匹配，是理想的胸腰椎區(qū)域的解剖模型[14]，其在骨科、兒科、呼吸科、心內(nèi)科等都有廣泛的應(yīng)用[15]。

Gibson-Corley 等[16]采用自主設(shè)計(jì)的硬膜下SCS 刺激器，對(duì)4 只綿羊頸段和上胸段的脊髓后柱進(jìn)行電刺激，觀察了不同刺激位置對(duì)大腦皮層體感誘發(fā)電位 (somatosensory evoked potentials, SSEP) 的影響，發(fā)現(xiàn)刺激電壓與電極位置與高γ 波段振幅之間存在明顯關(guān)系，考慮到直接刺激脊髓背柱時(shí)較低的電壓閾值及其對(duì)治療窗口的可能影響，研究者認(rèn)為這種硬膜內(nèi)方式可能比目前常規(guī)使用的標(biāo)準(zhǔn)硬膜外技術(shù)具有特殊的臨床優(yōu)勢(shì)。Safayi[17]等在羊身上，對(duì)硬膜下SCS 系統(tǒng)進(jìn)行了安全性和有效性驗(yàn)證，重點(diǎn)測(cè)試了電極位置的穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性以及硬脊膜切開(kāi)植入程序步驟的安全性和有效性。本研究同樣選用羊進(jìn)行臨床前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)自主研發(fā)的SCS 設(shè)備的可操作性較強(qiáng)，手術(shù)過(guò)程與臨床SCS 手術(shù)過(guò)程有較高的相似性和可比性，可以滿足臨床前實(shí)驗(yàn)要求。

由于SCS 是椎管內(nèi)操作，一些細(xì)小的異常都可能導(dǎo)致并發(fā)癥的發(fā)生，涉及設(shè)備相關(guān)、生物相關(guān)以及操作技術(shù)等多個(gè)方面[18]。其中，最常見(jiàn)的是電極移位，發(fā)生率約10%～20%，直接影響麻刺感覆蓋范圍和鎮(zhèn)痛效果[19]。電極移位與手術(shù)操作以及電極固定裝置有直接關(guān)系，良好的電極錨定裝置有助于將電極固定于理想位置。本研究發(fā)現(xiàn)，新型SCS 系統(tǒng)中的固定裝置通過(guò)螺絲鎖定的方法，實(shí)現(xiàn)了“錨”與電極二者的牢靠固定，消除了電極導(dǎo)線在“錨”中滑動(dòng)的可能，與國(guó)外產(chǎn)品（如美敦力）的縫線固定相比，能夠提供更好的電極固定。本研究術(shù)后1個(gè)月后，所有羊的植入電極的位置較術(shù)后即刻無(wú)明顯改變，也說(shuō)明了固定的牢固、可靠。

盡管脊髓損傷發(fā)生率不高，約為2%[20]，但卻是SCS 最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致截癱甚至死亡，其主要與操作者的技術(shù)水平和電極工藝水平、材質(zhì)的生物可容性相關(guān)。本研究觀察了SCS 術(shù)后1 個(gè)月時(shí)實(shí)驗(yàn)羊的刺激節(jié)段與未刺激節(jié)段的脊髓病理結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)刺激節(jié)段脊髓的鏡下結(jié)構(gòu)正常，未見(jiàn)明顯的壞死、缺血、炎癥等異常變化；同時(shí)實(shí)驗(yàn)羊在術(shù)后未見(jiàn)顯著的運(yùn)動(dòng)異常，術(shù)后4 周時(shí)的電阻抗值與術(shù)后即刻相比無(wú)明顯改變，提示新型SCS 系統(tǒng)工藝可靠，電極周?chē)M織增生少，具有良好的組織相容性。

由于條件所限，本研究也存在一些不足：①樣本量較少。本研究在3 只羊身上進(jìn)行了相關(guān)評(píng)價(jià)，樣本量偏少，只能大概反映新型SCS 系統(tǒng)的相關(guān)性能；②未設(shè)立對(duì)照組。本研究只進(jìn)行了自身前后對(duì)照，未進(jìn)行組間對(duì)照，結(jié)果可能存在偏倚；③未建立疼痛模型。本研究的目的是驗(yàn)證新型SCS 系統(tǒng)的安全性和組織相容性，故未建立疼痛模型，不能說(shuō)明此系統(tǒng)對(duì)疼痛的治療作用，也不能說(shuō)明不同刺激模式治療疼痛的優(yōu)劣；④生物安全性指標(biāo)單薄。本研究的生物安全性（組織排異反應(yīng)）主要依據(jù)術(shù)后大體觀察進(jìn)行說(shuō)明，缺少免疫學(xué)指標(biāo)的佐證。上述不足，將在后續(xù)研究中逐步改進(jìn)，為新型SCS 系統(tǒng)的臨床應(yīng)用提供充分的證據(jù)支持。

綜上所述，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明新型植入式SCS 系統(tǒng)具有良好的生物安全性和組織相容性，設(shè)備性能穩(wěn)定、可靠性好、操作性強(qiáng)、符合臨床需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。