唐小勇 何 斌

遵義醫(yī)科大學(xué)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(guān)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(fù)擔(dān)，病情嚴(yán)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(yīng)用于臨床之前都必須經(jīng)過各種動物模型的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(fù)荷在力學(xué)上非常類似，其中頸3/4 節(jié)段與人類相應(yīng)頸椎節(jié)段相似程度最高，是進(jìn)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(xué)變化，驗(yàn)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(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，直到現(xiàn)在，自體骨移植仍是脊柱椎間融合的金標(biāo)準(zhǔn)[6]。但取骨區(qū)可能會同時(shí)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(guān)的問題[7-8]，而椎間融合器的出現(xiàn)解決了以上相關(guān)問題，并且在手術(shù)時(shí)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(yīng)力遮擋，降低植骨融合率；而前者可減少應(yīng)力遮擋，促進(jìn)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(fù)的驗(yàn)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(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 綿羊

綿羊是脊柱椎間動物模型中應(yīng)用最多的動物。人們利用綿羊脊柱動物模型進(jìn)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(xì)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(jìn)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(dǎo)率和結(jié)合強(qiáng)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(shí)現(xiàn)椎間融合，可避免取骨區(qū)相關(guān)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(dǎo)致沉降率、假關(guān)節(jié)增加。因此有學(xué)者將兩種材料結(jié)合到單個(gè)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(qiáng)的骨性固定[20]。McGilvray 等[21]用綿羊脊柱模型評估PEEK 鈦復(fù)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(dǎo)致更強(qiáng)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(xué)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(shè)計(jì)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(xué)性能提供了一定設(shè)計(jì)的相當(dāng)放大的效果；作者認(rèn)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(xué)等特點(diǎn)。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(jìn)化上最接近，與人具有許多相似的特點(diǎn)，為脊柱融合術(shù)的研究提供獨(dú)特的生物力學(xué)環(huán)境。由于物種進(jìn)化的復(fù)雜性、多樣性以及不確定性，導(dǎo)致在低等動物身上驗(yàn)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(yīng)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(yīng)用于人體之前，都應(yīng)先使用靈長類的動物來檢驗(yàn)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(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，PBIFC在脊柱融合中取得良好的效果，可進(jìn)一步應(yīng)用于臨床試驗(yàn)研究。邵榮學(xué)等[24]在獼猴頸椎椎間融合模型中評價(jià)HA/ZrO2 組織工程骨支架的功效，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可達(dá)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(yīng)用起到非常大的促進(jìn)作用。靈長類動物少且大多為保護(hù)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(jìn)行的研究還處于初步階段，需要研究者不斷地進(jìn)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(gè)非常相似的生物力學(xué)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(qiáng)，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(fù)發(fā)、脊柱融合成功率高和治療后病理轉(zhuǎn)歸佳等相關(guān)特點(diǎn)。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(yīng)椎體參數(shù)制作匹配的融合器是很有必要的，因?yàn)樽甸g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(zhǔn)確測量動物椎體相關(guān)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(yīng)用3D 打印技術(shù)制備個(gè)體化終板匹配椎間融合器進(jìn)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(guān)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(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)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(bào)道較少。但兔髂骨較大，進(jìn)行脊柱椎間融合時(shí)可提供足夠自體移植骨量；兔相關(guān)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(xué)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(shí)BMSCs 可促進(jìn)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(yīng)用于細(xì)胞因子、細(xì)胞和基因等促進(jìn)椎體間融合的生物學(xué)研究方面，對研究兔椎間融合動物模型具有指導(dǎo)性意義。Yang 等[33]用相同模型評價(jià)成骨間充質(zhì)干細(xì)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(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(yīng)用于椎體橫突間融合研究，這與臨床上更多進(jìn)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(gè)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2011 年張兆飛等[35]構(gòu)建了第一個(gè)大鼠椎體間融合模型，該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退扇〉脑炷７椒ň哂胁l(fā)癥少、失敗率低的特點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(jìn)一步驗(yàn)證此動物模型的在重復(fù)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(jìn)一步證明了是骨替代材料等具有成骨性或骨誘導(dǎo)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(guān)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(xué)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(xì)胞類型，以提高脊柱融合率。如今動物模型已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室研究不可或缺的一部分，但動物種類繁多，特點(diǎn)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(xué)情況，獲得的數(shù)據(jù)更加可靠、實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更有價(jià)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(shí)驗(yàn)成功的關(guān)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(biāo)準(zhǔn)的動物椎體間融合模型，是尚需解決的問題。