唐峰　謝寧

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特發(fā)性脊柱側凸動物模型研究進展

唐峰謝寧

特發(fā)性脊柱側凸(IS)是一類至今病因尚不明確的脊柱三維畸形，受倫理學限制，動物模型是研究此類疾病病理過程與生理變化的基礎。IS模型根據(jù)建立方法可大致分為病因學模型與機械方法模型兩大類。病因學模型由病因學假說入手，模擬IS的病理過程與生理環(huán)境，其中硬骨魚類模型作為非誘導側凸模型多用于IS基因的研究；松果體切除類模型應用最多，但存在較大爭議；生長激素類模型關注于體內激素水平變化導致的脊柱生長異常，具有廣泛應用前景；神經損傷類模型是IS病因學研究的新思路，但建模難度較大。機械方法模型則通過手術等方法直接或間接破壞脊柱正常結構導致其側凸，包括外固定模型和內固定模型，其中內固定模型主要通過椎體釘固定術和椎體栓固術建立。各類模型都有其特點及適用性，選取合適模型至關重要。總體而言，病因學研究及探索性研究以小動物模型為主，而生物力學研究及治療方面研究大動物模型更具優(yōu)勢。該文對IS動物模型研究進展作一綜述。

特發(fā)性脊柱側凸；動物模型；病因學研究

特發(fā)性脊柱側凸(IS)是一類至今病因尚不明確的脊柱三維畸形，受倫理學限制，動物模型是研究此類疾病病理過程與生理變化的基礎。一般認為，IS只在人類中發(fā)生，具有排他性，自然發(fā)生的IS在動物身上極其罕見。因此，學者們運用各種方法建立各式IS模型。

根據(jù)其目的性不同可將目前已有的IS模型主要分為以下兩大類：一類由病因學假說入手，模擬IS發(fā)生的病理過程與生理環(huán)境，其建立的初衷是為了證實某一因素在脊柱側凸發(fā)病過程中有促進其發(fā)生發(fā)展的關鍵作用，另一類則是建立模仿特發(fā)性側凸畸形脊柱的動物模型，目的是為了了解IS病理條件下生長失調、骨和椎間盤退變以及涉及機械損傷的相關表現(xiàn)，因此更傾向于中大型動物，此外此類模型還可用于測試IS新型治療方法，包括有前景的新型手術及IS矯正技術。

1　病因學模型

根據(jù)不同病因學假設所建立的IS動物模型大致可分為硬骨魚類模型、松果體切除類模型、生長激素類模型和神經損傷類模型等[1]。

1.1硬骨魚類模型

隨著實驗動物種類的擴展以及飼養(yǎng)水平的提高，水生環(huán)境實驗動物在IS的研究中被逐漸推廣應用。近期文獻[2-4]報道，硬骨魚(包括古比魚、斑馬魚等)可作為非誘導IS的研究模型。Gorman等[5]從分子表型水平到形態(tài)學角度研究發(fā)現(xiàn)，人類和硬骨魚類脊柱存在類似的解剖學表現(xiàn)以及生物力學機制，并證實古比魚與IS患者之間有類似的脊柱曲度，從而將硬骨魚類作為有價值的脊椎研究模型進行推廣研究。Buchan等[6]通過誘發(fā)隱性基因突變篩選出一種名為“skolios”的斑馬魚模型，其能夠產生自發(fā)椎體畸形，從而導致脊柱側凸發(fā)生。硬骨魚類模型作為新興的IS模型有巨大優(yōu)勢：硬骨魚類通常較溫順，且生長周期較短、非誘導出的脊柱畸形可有多種表現(xiàn)、含有豐富的基因組資源，最重要的是因為魚類附肢與脊柱無直接聯(lián)系，可排除四肢的生物力學干擾，從而將脊柱作為一個整體研究，這有助于研究在缺乏重力條件下導致脊柱曲度變化的主要因素，特別適用于需排除環(huán)境干擾的基因組學研究。但此類模型飼養(yǎng)環(huán)境及配套研究設施要求較苛刻、需大型水產養(yǎng)殖基地及良好的水生環(huán)境、魚類為非常規(guī)使用的動物模型等，均限制了硬骨魚類IS模型的應用推廣。

1.2松果體切除類模型

松果體切除雞作為IS模型最早于1959年由Thillard[7]建立，之后眾多學者[8]對松果體切除雞模型進行了進一步研究和完善，并認為導致IS的最重要病因為褪黑素水平下降，松果體切除類模型的理論依據(jù)也由此建立。隨后，該技術被逐漸推廣應用于其他物種，如成功在雙足直立鼠和大西洋鮭魚等低等級動物中建立IS模型[9], 但對靈長類等高級哺乳動物一系列去松果體建模并不成功[10]。由于雞松果體相對其他動物更為表淺和易于獲取，且雞去松果體誘發(fā)的脊柱側凸穩(wěn)定高發(fā)，因此相當長的一段時間內松果體切除雞被作為最常用的IS動物模型。

雖然松果體切除雞是最常用的IS模型，但仍存在較大爭議[11]。Fagan等[12]研究發(fā)現(xiàn)，假手術(開顱手術不切除松果體)后部分雞能自發(fā)發(fā)生脊柱側凸，但其發(fā)生于短節(jié)段的小角度脊柱側凸與人類脊柱側凸曲度不同。不僅如此，鳥類與哺乳類種系之間存在明顯的骨骼結構差異。雞胸椎椎間關節(jié)更像人類滑膜關節(jié)而非椎間盤，而雞腰椎除L6～7、L7～8椎體含有椎間盤外，其余腰椎皆融合。盡管雞是雙足直立，但其胸椎和腰椎大部分水平方向排列，與人類豎直脊柱生物力學負荷有所不同。這些實驗結果表明，松果體切除雞作為IS模型有待商榷。

而松果體切除類模型建立的基礎，即褪黑素假說也備受質疑。Nette等[13]通過光照抑制雞褪黑素分泌，對松果體切除雞進行光照，發(fā)現(xiàn)脊柱側凸發(fā)生率明顯上升，提示單純褪黑素并不能作為獨立病因促使脊柱側凸發(fā)生。Amstrup等[14]研究認為，褪黑素信號轉導通路功能障礙可能參與IS發(fā)生發(fā)展，目前褪黑素類模型的研究更多關注于褪黑素受體及下游因子。

在松果體切除類模型研究過程中，直立體位也被證實為誘發(fā)脊柱側凸的條件之一。Machida等[15]實驗證實，IS只發(fā)生在松果體切除雙足直立鼠而非松果體切除四足鼠中，直立姿態(tài)加重脊柱側凸發(fā)生率，改變脊柱側凸的進展模式，頸胸椎前凸可在未切除松果體的雙足直立鼠中發(fā)生，但IS發(fā)生則需切除松果體。一般認為，在雙足直立條件下，繼發(fā)于褪黑素缺乏的平衡姿勢被破壞等機制可通過椎體旋轉推動脊柱前凸、側凸的發(fā)展，直立姿態(tài)的重要性在眾多動物模型中逐漸受到重視。目前松果體切除類模型在先天性低褪黑素的C57BL/6小鼠上應用較為廣泛，此類小鼠能夠使建模過程免去松果體切除這一步驟，從而建立雙足直立小鼠模型。

1.3生長激素類模型

IS作為脊柱生長發(fā)育類畸形，受多種生長激素調節(jié)，在松果體切除類模型受到質疑的同時，部分學者[16-19]研究發(fā)現(xiàn)通過改變動物體內某一生長激素水平可使脊柱發(fā)生側凸的敏感性及風險均增加。

近年來，骨橋蛋白(OPN)及瘦素(LP)失調作為參與IS病理生理過程的假設逐漸受到重視。通過中樞慢病毒成功表達建立的中樞高LP雙足鼠IS模型及通過腹腔注射建立的高OPN水平雙足直立鼠IS模型均已成功誘導出穩(wěn)定的脊柱側凸[16]，此類模型的建立有助于明確IS進展中體內激素水平變化對其影響，完善相關病因學體系，并且將雙足直立鼠這一能模擬人類直立體態(tài)的動物模型進行了合理運用，具有廣泛應用前景[17]。

雌激素及其受體已被證實在IS發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用。Iwamuro等[18]將非洲爪蟾、Boudreau等[19]將底鳉(克鯉魚)暴露于雌激素藥物，發(fā)現(xiàn)均產生不同程度的脊柱側凸。由于雌激素抑制劑他莫昔芬及雌激素受體調節(jié)劑雷洛昔芬能抑制C57BL6小鼠模型脊柱側凸發(fā)展，進一步證實了雌激素在脊柱側凸發(fā)生過程中的重要作用[20]。盡管雌激素作用明確，但由于作用靶點較多，影響全身代謝，作用范圍較廣，單純雌激素建立的IS模型多伴有其他器官組織異常，如頭部畸形、肛門紅腫等軟組織異常，因此不宜作為單病因學研究使用。

1.4神經損傷類模型

神經肌肉功能失調導致IS假說最早源于對嗜神經病毒的動物試驗，由于嗜神經病毒常見的損傷部位為淺感覺和深感覺(本體感覺)傳入的脊髓后角和背核區(qū)，不對稱的本體感覺傳入引起維持姿勢的肌肉肌張力異常，從而導致脊柱側凸，與病毒本身無關。這提供了1個建立脊柱側凸模型的思路，破壞或異常激活動物反射弧中任何通路，即可建立肌張力異常導致的脊柱側凸模型。

Lambert等[21-22]對非洲爪蟾進行內耳前庭系統(tǒng)不對稱損傷實驗，發(fā)現(xiàn)前庭功能不對稱損傷可引起肌張力異常致其失衡，其運動(姿態(tài))控制能力下降，脊柱三軸曲度均發(fā)生相應變化(包括沿身體長軸的旋轉)，與IS相類似。值得注意的是，陸生脊椎動物單側迷路切除后肌張力異常導致的失衡經過一段時間就能通過身體與四肢本體感覺的信息反饋得到緩解和糾正，而在水生環(huán)境中這種反饋信息不存在，人類懷孕子宮內環(huán)境與水生環(huán)境類似，因此人類先天即有對脊柱側凸的易感性。

Turhan等[23]為研究視覺傳入不對等是否參與IS，建立單側視力受損的松果體切除雞模型，發(fā)現(xiàn)單側視力障礙不會對IS的總發(fā)病率和脊柱側凸幅度有顯著影響，但對脊柱側凸方向有影響，發(fā)生胸椎左側凸可能性顯著增高。人類IS患者中存在類似現(xiàn)象，同樣證實了此類模型對IS病因學研究有意義。

Domenech等[24]通過燒蝕局部大鼠大腦感覺皮層致其發(fā)生感覺整合功能障礙，成功建立IS模型，進一步說明中樞感覺整合障礙可在無明顯運動功能障礙的情況下參與脊柱側凸的病理生理過程。

神經損傷類模型的建立證實了神經肌肉失衡對脊柱側凸發(fā)生發(fā)展的重要作用，但建立此類模型需較高的手術操作技術，特別是內耳、視覺神經及腦部手術相對難度較大，且手術風險較高，術后動物死亡、失能較多，無法大規(guī)模應用。

2　機械方法模型

機械方法模型大多依靠固定器械直接或間接對脊柱施加不對稱的作用力，其原理主要遵從Hueter-Volkmann法則，直接或間接破壞脊柱穩(wěn)定性，導致脊柱側凸發(fā)生。應力不對稱在IS的發(fā)展和加重過程中起著重要推動作用。根據(jù)施力方法不同分為外固定模型和內固定模型。

2.1外固定模型

外固定模型最主要的優(yōu)點是其非侵入性和脊柱周圍組織創(chuàng)傷較小。Silva等[25]設計了用于大鼠肩胛和骨盆的聚乙烯背心以建立IS模型，發(fā)現(xiàn)其誘導的脊柱側凸角度在固定30 d后還可維持在28°±5°。Aronsson等[26]為了證實IS椎體楔形變涉及不對稱生長(遵循Hueter-Volkmann法則)和骨干重塑(遵循Wolff法則)，對大鼠尾部采用不同壓力的外固定器，結果形成相同側凸角度，認為這種非侵入性椎體負荷也是人類脊柱側凸支架治療的理論基礎。除了直接對脊柱進行固定限制之外，胸廓的發(fā)育異常也參與IS的發(fā)展。Kubota等[27]設計了一種漸進式大鼠IS模型，發(fā)現(xiàn)使用限制胸廓前后發(fā)育的塑料限制器可導致大部分大鼠發(fā)生漸進式脊柱側凸。應用外固定器建立動物IS模型最大的問題是誘發(fā)脊柱側凸效果不穩(wěn)定、可重復性差以及外固定器大部分需定制，增大了建模難度。

2.2內固定模型

隨著脊柱側凸非融合技術的發(fā)展，相關動物IS模型內固定技術主要分為椎體釘固定術和椎體栓固術兩類[28]。

2.2.1椎體釘固定術模型

椎體釘固定術常需結合單側骨骺阻滯術。有研究[29]表明，僅破壞椎體骺板會調整脊柱生長，但尚得不到真正的脊柱側凸畸形，只有椎體軟骨損傷才能導致溫和漸進的脊柱側凸。Zhang等[30]對豬脊柱側凸模型實施經椎弓軟骨結合處椎弓根釘骨骺阻滯術，形成螺釘固定脊柱側凸，結果發(fā)現(xiàn)雙重螺釘固定效果更好，形成的脊柱側凸也更明顯。椎體騎縫釘固定術逐漸發(fā)展為一種用于加強固定效果、限制椎間活動的椎體釘固定術。Wall等[31]研究證實，IS模型脊柱曲度可通過基于解剖學基礎的椎體釘固定術和胸腔鏡下單側骨骺阻滯術重復創(chuàng)建，利用這項技術可獲得緩慢漸進式豬脊柱側凸模型。通過椎體釘固定術建立模型的優(yōu)點是脊柱側凸效果明顯、角度可控、操作性好，但有脫釘及斷釘?shù)娘L險。隨著非融合技術的發(fā)展，椎體釘固定術建模正逐漸向單純骨骺阻滯術[32]、椎體栓固術等建模發(fā)展。

2.2.2椎體栓固術模型

椎體栓固術固定強度沒有椎體釘強，但通過線纜、鋼絲等材料經錨定釘栓系固定于椎間或椎體-肋骨栓系可保留椎間部分活動性，減少脫釘率。不對稱栓固術被認為是最有效的建立和矯正IS曲度的方法，其建立的脊柱側凸能向三維方向進展[33]。Patel等[34]對栓系固定的單側脊柱和凹側肋骨的豬脊柱側凸模型進行評估，發(fā)現(xiàn)其可靠性和可重復性均較高，并認為與人類脊柱側凸特征類似。進一步研究[35]還發(fā)現(xiàn)，系繩釋放后一段時間內Cobb角短暫減小，之后脊柱側凸繼續(xù)進展。Burke等[36]在綿羊脊柱側凸模型中通過栓系手術建立了可復制的側凸曲度，證實了椎體栓固術建立動物模型側凸可重復性較好。研究[37]證實，通過栓系建立的IS模型具有充分的生長潛能，從而能夠模擬人類10歲之前各種病因導致的脊柱側凸畸形。比起剛性固定，栓系動物模型中的椎間盤及終板并未表現(xiàn)出總形態(tài)退化跡象[38]。以上結果表明，椎體栓固術更適用于構建研究脊柱側凸進展和各種非融合性IS模型。

而對于中小型動物，內固定物大小受到限制，椎體栓固術的形式得到改良，現(xiàn)多采用肩胛骨-骨盆栓系、肋骨栓系等固定形式[39-40]。研究[41]證實，對大鼠肩胛-對側骨盆栓系并使其雙足直立模擬人類IS模型最為成功。此外，一些新型工具及手術也為小動物非融合IS模型建立提供了思路，如在新西蘭兔的椎體橫突間放置彈簧造成腰椎負重不平衡誘發(fā)脊柱側凸[42]。以上研究都是通過椎體栓固術或鎳鈦彈簧在小動物中應用，使得實驗成本、樣本量等都得到良好的控制。

椎體釘固定術及椎體栓固術這兩種方法有時會同時應用，成為非融合方法研究IS手術治療的新途徑[43-44]。采用椎體栓固術建立動物IS模型時，運用前路椎體釘固定術可控制頂椎位置和脊柱側凸曲度，而運用糾正性椎體栓固術可三維校正脊柱側凸曲線，此類模型的建立是機械作用與生長調制的共同作用。

3　結語

隨著對IS病因和病理過程、生理變化不斷地認識與總結，不斷出現(xiàn)新的脊柱側凸模型，如硬骨魚類脊柱側凸模型、雙足直立鼠脊柱側凸模型等逐漸受到重視，而在研究IS發(fā)展、轉歸、病理過程與生理變化的過程中，大動物模型有其獨特的優(yōu)勢，體型接近人類的哺乳動物具有與人類類似的解剖結構、操作方便、手術視野大及精度高等優(yōu)點，其中豬生長潛能較大、成熟較快，最合適建立脊柱側凸模型[45]。中、小動物有其管理成本低、基數(shù)較大、建模方便等優(yōu)點。這些動物模型在一定程度上反映了IS病理過程、生理變化與可能病因，并對其假設進行驗證，許多模型設計理論缺乏足夠證據(jù)支持，其適用性已受到質疑，最為明顯的為松果體切除雞模型。近10年的動物IS模型更加趨向于模擬臨床IS的發(fā)病模式，包括青少年發(fā)病、長病程、漸進式、椎體旋轉和類似脊柱曲度等，但尚無一種完美的IS模型可完全替代人類IS的表現(xiàn)。應根據(jù)目的的不同，選取合適方法誘導IS模型，病因學研究及探索性研究以小動物模型為主，而生物力學研究及治療方面研究則使用大動物模型更具優(yōu)勢。

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(收稿：2016-03-31；修回：2016-06-19)

(本文編輯：李昱霏)

200003，上海長征醫(yī)院脊柱外科

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10.3969/j.issn.1673-7083.2016.05.010