脊柱椎間融合動物模型研究進展

唐小勇 何 斌

遵義醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院脊柱外科，貴州遵義 563000

近年來隨著老齡社會的到來和人們生活方式的改變，脊柱相關的退行性疾病已經(jīng)逐漸成為越來越多家庭沉重的生活負擔，病情嚴重者通常采用手術(shù)治療。脊柱椎間融合術(shù)是治療此類疾病最常用的手術(shù)方式之一，為增加脊柱融合率和穩(wěn)定性，新的手術(shù)方式、融合器及植骨材料也呈現(xiàn)多樣性，但是任何一種融合方式在應用于臨床之前都必須經(jīng)過各種動物模型的實驗探討其安全性和有效性。尤其是近幾年骨組織工程和基因工程的發(fā)展，新的骨移植材料及椎間融合器的不斷出現(xiàn)，脊柱椎間融合動物模型的作用也更加重要。

1 山羊

山羊是頸椎間融合動物模型中最理想的動物[1]。主要是山羊安靜時頸椎與地面呈垂直的直立狀態(tài)，與人類頸椎所承受的生理負荷在力學上非常類似，其中頸3/4 節(jié)段與人類相應頸椎節(jié)段相似程度最高，是進行山羊頸椎間融合動物模型選擇的最佳融合節(jié)段[2-4]。有研究首次成功構(gòu)建山羊頸椎間融合動物模型，用于比較植骨融合與不植骨融合生物力學變化，驗證了自體骨移植在融合率和抗軸向壓縮性能方面均為最佳的結(jié)論[5]。為自體骨移植在脊柱融合中的應用提供實驗依據(jù)，直到現(xiàn)在，自體骨移植仍是脊柱椎間融合的金標準[6]。但取骨區(qū)可能會同時出現(xiàn)血腫、疼痛、髂骨骨折及股部肌肉的感覺異常等這些相關的問題[7-8]，而椎間融合器的出現(xiàn)解決了以上相關問題，并且在手術(shù)時間、失血量、融合率等方面與自體骨移植骨融合具有相同效果[9-10]。目前常用椎間融合器多分為可吸收型和不可吸收型，后者對植骨形成不同程度的應力遮擋，降低植骨融合率；而前者可減少應力遮擋，促進脊柱融合明顯快于不可吸收椎間融合器，融合率更高[11-12]，可吸收椎間融合器可作為不可吸收椎間融合器的一種較為理想的替代品[13]，在山羊頸椎間融合動物模型中得到反復的驗證[14]。山羊頸椎間融合動物模型的出現(xiàn)推動了椎間融合器的發(fā)展，為研究脊柱融合提供重要實驗依據(jù)。

2 綿羊

綿羊是脊柱椎間動物模型中應用最多的動物。人們利用綿羊脊柱動物模型進行了許多方面的研究，如比較不同骨移植材料、椎間融合器械、生長因子和細胞在脊柱融合中的安全性及融合作用，均取得了成功[15-16]。研究發(fā)現(xiàn)，椎間融合過程中加入MPCs 可使脊柱融合率從33%提高到75%，并未發(fā)現(xiàn)明顯并發(fā)癥，是一種促進脊柱融合安全有效的方法[17-18]。Yamada 等[19]用綿羊脊柱動物模型研究多孔鈦籠椎間融合器的骨傳導率和結(jié)合強度，取得非常好的效果，并且多孔鈦籠可在無骨移植填充情況下實現(xiàn)椎間融合，可避免取骨區(qū)相關并發(fā)癥的出現(xiàn)。但固體鈦籠的射線不透性、高的彈性模量和PEEK 的疏水特性會導致沉降率、假關節(jié)增加。因此有學者將兩種材料結(jié)合到單個椎間融合器中來改善融合率，并使用混合增材制造方法產(chǎn)生更強的骨性固定[20]。McGilvray 等[21]用綿羊脊柱模型評估PEEK 鈦復合椎間融合器（PTC）在椎間融合的功效；結(jié)果表明PTC 椎可能潛在地導致更強大的椎間融合，為椎間融合器的研究提供思路和方向。綿羊和人類頸椎的幾何特征和生物力學方面存在很大的差異[22]。研究[22]發(fā)現(xiàn)，綿羊頸椎模型比人類模型壓力和ROM更大；此外，綿羊頸椎模型對假體設計的變化非常敏感，而人類模型沒有，這意味著綿羊頸椎模型為其生物力學性能提供了一定設計的相當放大的效果；作者認為綿羊頸椎模型不能代表人類模型。而綿羊的腰椎在解剖結(jié)構(gòu)、大小和數(shù)目均與人類大致相同，具有操作簡單以及能很好模擬人類生物力學等特點。因此，綿羊脊柱動物模型更多是腰椎間融合動物模型。

3 猴

靈長類動物與人在進化上最接近，與人具有許多相似的特點，為脊柱融合術(shù)的研究提供獨特的生物力學環(huán)境。由于物種進化的復雜性、多樣性以及不確定性，導致在低等動物身上驗證有效的治療方案、骨移植物及器械等都不一定都能成功地應用于高等動物。因此，在某一新的治療方案、骨移植材料和器械應用于人體之前，都應先使用靈長類的動物來檢驗其安全性和有效性。黃帆[23]用恒河猴腰椎融合模型對部分可吸收椎間融合器（PBIFC）的功效進行研究發(fā)現(xiàn)，PBIFC在脊柱融合中取得良好的效果，可進一步應用于臨床試驗研究。邵榮學等[24]在獼猴頸椎椎間融合模型中評價HA/ZrO2 組織工程骨支架的功效，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可達到與自體骨相似的骨代替作用；為自體骨移植找到了一種良好的替代材料，對骨組織工程的發(fā)展和臨床應用起到非常大的促進作用。靈長類動物少且大多為保護性動物，由于研究數(shù)量少、高成本及倫理問題，目前在靈長類椎間融合模型中所進行的研究還處于初步階段，需要研究者不斷地進行探索。

4 犬

犬是一種最古老的動物模型之一[25]。雖為爬行類動物，但喜蹲坐位，使犬腰椎與人類腰椎處于一個非常相似的生物力學環(huán)境之中，而且犬脊柱椎體間隙較寬、操作簡單和對手術(shù)創(chuàng)傷耐受能力強，是一種簡單、方便的研究腰椎椎間融合手術(shù)的動物模型[26]。劉振華等[27]探討用前路腰椎間融合術(shù)治療犬腰椎間隙感染的效果，結(jié)果表明前路腰椎間融合術(shù)式可用于徹底清除犬腰椎間隙感染的病灶，并且該術(shù)式具有無感染復發(fā)、脊柱融合成功率高和治療后病理轉(zhuǎn)歸佳等相關特點。此外，有研究者用此模型比較正常密度與高密度兩種同種異體骨移植在脊柱融合中的影響，結(jié)果提示增加骨密度并不能有效提高脊柱的融合率[28]。為了提高構(gòu)建動物模型成功率，根據(jù)動物相應椎體參數(shù)制作匹配的融合器是很有必要的，因為椎間融合器與椎間隙的不匹配性使脊柱不穩(wěn)定，降低脊柱融合率。近年來3D 打印技術(shù)發(fā)展十分迅速，可準確測量動物椎體相關參數(shù)，從而制作與椎間隙匹配的椎間融合器，提高脊柱融合率[29]。2015 年張帆等[30]應用3D 打印技術(shù)制備個體化終板匹配椎間融合器進行初步嘗試，取得非常好的效果。Joffe 等[31]在患有DACSM 的犬椎間融合模型中評估3D 打印融合器的功效，作者發(fā)現(xiàn)脊柱穩(wěn)定性好，未見融合器移位和下沉，犬相關臨床神經(jīng)癥狀得到極大的緩解；為3D 打印技術(shù)在動物實驗中廣泛應用提供實驗依據(jù)。

5 兔

兔是脊柱解剖結(jié)構(gòu)與人類相似最小的動物之一。原因是兔椎間隙狹窄、操作困難和植入移植物后難以維持脊柱穩(wěn)定性。因此，兔椎間融合動物模型報道較少。但兔髂骨較大，進行脊柱椎間融合時可提供足夠自體移植骨量；兔相關的研究成本通常比羊、犬或靈長類動物研究的成本要低，另外與大鼠、小鼠等小型動物相比具有較大的椎體和椎間隙方便操作且更能模擬人體生物力學環(huán)境，有必要建立一套完整兔椎間融合動物模型供研究者選用[25]。2015 年楊文成[32]首次構(gòu)建一種新型兔前路椎間融合模型，并用此模型證實BMSCs 可促進脊柱的融合，有望成為自體骨移植的替代產(chǎn)品；此方法操作簡單，解決了椎間隙窄和脊柱不穩(wěn)，可用于兔前路椎體間融合的研究，尤其是應用于細胞因子、細胞和基因等促進椎體間融合的生物學研究方面，對研究兔椎間融合動物模型具有指導性意義。Yang 等[33]用相同模型評價成骨間充質(zhì)干細胞在脊柱融合中的作用，取得很好的結(jié)果。以上研究為兔椎間融合動物模型的廣泛應用提供實驗依據(jù)，目前兔椎間融合動物模型還在初步階段，需要研究者不斷地進行探索。

6 大鼠

大鼠的脊柱和椎體較小，椎體之間難以使用內(nèi)固定，而且切除椎間盤的椎間隙有自發(fā)融合的傾向[34]。更多應用于椎體橫突間融合研究，這與臨床上更多進行的是脊柱椎體間融合有著較大差異；但大鼠與人類在遺傳和生理上有非常密切的相似性，是一種非常耐藥的動物；因此有必要建立一個完善并與臨床相符的大鼠椎間融合模型，為以后動物椎間融合模型研究提供實驗基礎。2011 年張兆飛等[35]構(gòu)建了第一個大鼠椎體間融合模型，該實驗模型所采取的造模方法具有并發(fā)癥少、失敗率低的特點，并且與臨床工作中更多使用的是脊柱椎間融合手術(shù)方式相符合，是一種在實驗室適合于研究藥物或材料能否有效提高脊柱融合率的大鼠脊柱椎間融合動物模型。為進一步驗證此動物模型的在重復研究中的可行性，2016 年張兆飛等[36]用同樣模型比較大鼠3 種不同脊柱融合模型的優(yōu)越性及融合率，結(jié)果表明，椎體間（有內(nèi)固定）及橫突間與椎體間（無內(nèi)固定）相比具有更好的融合率和良好的植骨床，局部相對穩(wěn)定，手術(shù)相對簡單易行，且術(shù)后并發(fā)癥少，進一步證明了是骨替代材料等具有成骨性或骨誘導性的移植物或藥物能否有效提高脊柱融合率適用的一種動物脊柱椎間融合模型。以上相關研究對大鼠椎間融合動物模型發(fā)展起著極大推動作用。

7 總結(jié)與展望

隨著再生、基因工程和材料科學的發(fā)展，大量的研究利用動物脊柱椎間融合模型來測試各種材料和細胞類型，以提高脊柱融合率。如今動物模型已經(jīng)成為實驗室研究不可或缺的一部分，但動物種類繁多，特點各異。較大動物脊柱的解剖結(jié)構(gòu)與人類相似，更能模擬骨移植材料或者脊柱器械在人體的生物力學情況，獲得的數(shù)據(jù)更加可靠、實用。較小型動物多用于概念策略方面的研究，用較多數(shù)量獲得大量的數(shù)據(jù)，比用較少數(shù)量的較大動物所獲得的較少實驗數(shù)據(jù)更有價值。因此，根據(jù)研究內(nèi)容、要治療的動物數(shù)量、可利用的遺傳信息等方面選擇合適的動物模型是實驗成功的關鍵。雖然動物脊柱椎間融合模型被廣泛使用，但不同研究者所采用的椎間融合方式不盡相同，使獲得的結(jié)果缺乏有效的對比。因此，建立一套標準的動物椎體間融合模型，是尚需解決的問題。