脊柱椎间融合动物模型研究进展

唐小勇 何 斌

遵义医科大学第三附属医院脊柱外科，贵州遵义 563000

近年来随着老龄社会的到来和人们生活方式的改变，脊柱相关的退行性疾病已经逐渐成为越来越多家庭沉重的生活负担，病情严重者通常采用手术治疗。脊柱椎间融合术是治疗此类疾病最常用的手术方式之一，为增加脊柱融合率和稳定性，新的手术方式、融合器及植骨材料也呈现多样性，但是任何一种融合方式在应用于临床之前都必须经过各种动物模型的实验探讨其安全性和有效性。尤其是近几年骨组织工程和基因工程的发展，新的骨移植材料及椎间融合器的不断出现，脊柱椎间融合动物模型的作用也更加重要。

1 山羊

山羊是颈椎间融合动物模型中最理想的动物[1]。主要是山羊安静时颈椎与地面呈垂直的直立状态，与人类颈椎所承受的生理负荷在力学上非常类似，其中颈3/4 节段与人类相应颈椎节段相似程度最高，是进行山羊颈椎间融合动物模型选择的最佳融合节段[2-4]。有研究首次成功构建山羊颈椎间融合动物模型，用于比较植骨融合与不植骨融合生物力学变化，验证了自体骨移植在融合率和抗轴向压缩性能方面均为最佳的结论[5]。为自体骨移植在脊柱融合中的应用提供实验依据，直到现在，自体骨移植仍是脊柱椎间融合的金标准[6]。但取骨区可能会同时出现血肿、疼痛、髂骨骨折及股部肌肉的感觉异常等这些相关的问题[7-8]，而椎间融合器的出现解决了以上相关问题，并且在手术时间、失血量、融合率等方面与自体骨移植骨融合具有相同效果[9-10]。目前常用椎间融合器多分为可吸收型和不可吸收型，后者对植骨形成不同程度的应力遮挡，降低植骨融合率；而前者可减少应力遮挡，促进脊柱融合明显快于不可吸收椎间融合器，融合率更高[11-12]，可吸收椎间融合器可作为不可吸收椎间融合器的一种较为理想的替代品[13]，在山羊颈椎间融合动物模型中得到反复的验证[14]。山羊颈椎间融合动物模型的出现推动了椎间融合器的发展，为研究脊柱融合提供重要实验依据。

2 绵羊

绵羊是脊柱椎间动物模型中应用最多的动物。人们利用绵羊脊柱动物模型进行了许多方面的研究，如比较不同骨移植材料、椎间融合器械、生长因子和细胞在脊柱融合中的安全性及融合作用，均取得了成功[15-16]。研究发现，椎间融合过程中加入MPCs 可使脊柱融合率从33%提高到75%，并未发现明显并发症，是一种促进脊柱融合安全有效的方法[17-18]。Yamada 等[19]用绵羊脊柱动物模型研究多孔钛笼椎间融合器的骨传导率和结合强度，取得非常好的效果，并且多孔钛笼可在无骨移植填充情况下实现椎间融合，可避免取骨区相关并发症的出现。但固体钛笼的射线不透性、高的弹性模量和PEEK 的疏水特性会导致沉降率、假关节增加。因此有学者将两种材料结合到单个椎间融合器中来改善融合率，并使用混合增材制造方法产生更强的骨性固定[20]。McGilvray 等[21]用绵羊脊柱模型评估PEEK 钛复合椎间融合器（PTC）在椎间融合的功效；结果表明PTC 椎可能潜在地导致更强大的椎间融合，为椎间融合器的研究提供思路和方向。绵羊和人类颈椎的几何特征和生物力学方面存在很大的差异[22]。研究[22]发现，绵羊颈椎模型比人类模型压力和ROM更大；此外，绵羊颈椎模型对假体设计的变化非常敏感，而人类模型没有，这意味着绵羊颈椎模型为其生物力学性能提供了一定设计的相当放大的效果；作者认为绵羊颈椎模型不能代表人类模型。而绵羊的腰椎在解剖结构、大小和数目均与人类大致相同，具有操作简单以及能很好模拟人类生物力学等特点。因此，绵羊脊柱动物模型更多是腰椎间融合动物模型。

3 猴

灵长类动物与人在进化上最接近，与人具有许多相似的特点，为脊柱融合术的研究提供独特的生物力学环境。由于物种进化的复杂性、多样性以及不确定性，导致在低等动物身上验证有效的治疗方案、骨移植物及器械等都不一定都能成功地应用于高等动物。因此，在某一新的治疗方案、骨移植材料和器械应用于人体之前，都应先使用灵长类的动物来检验其安全性和有效性。黄帆[23]用恒河猴腰椎融合模型对部分可吸收椎间融合器（PBIFC）的功效进行研究发现，PBIFC在脊柱融合中取得良好的效果，可进一步应用于临床试验研究。邵荣学等[24]在猕猴颈椎椎间融合模型中评价HA/ZrO2 组织工程骨支架的功效，结果发现可达到与自体骨相似的骨代替作用；为自体骨移植找到了一种良好的替代材料，对骨组织工程的发展和临床应用起到非常大的促进作用。灵长类动物少且大多为保护性动物，由于研究数量少、高成本及伦理问题，目前在灵长类椎间融合模型中所进行的研究还处于初步阶段，需要研究者不断地进行探索。

4 犬

犬是一种最古老的动物模型之一[25]。虽为爬行类动物，但喜蹲坐位，使犬腰椎与人类腰椎处于一个非常相似的生物力学环境之中，而且犬脊柱椎体间隙较宽、操作简单和对手术创伤耐受能力强，是一种简单、方便的研究腰椎椎间融合手术的动物模型[26]。刘振华等[27]探讨用前路腰椎间融合术治疗犬腰椎间隙感染的效果，结果表明前路腰椎间融合术式可用于彻底清除犬腰椎间隙感染的病灶，并且该术式具有无感染复发、脊柱融合成功率高和治疗后病理转归佳等相关特点。此外，有研究者用此模型比较正常密度与高密度两种同种异体骨移植在脊柱融合中的影响，结果提示增加骨密度并不能有效提高脊柱的融合率[28]。为了提高构建动物模型成功率，根据动物相应椎体参数制作匹配的融合器是很有必要的，因为椎间融合器与椎间隙的不匹配性使脊柱不稳定，降低脊柱融合率。近年来3D 打印技术发展十分迅速，可准确测量动物椎体相关参数，从而制作与椎间隙匹配的椎间融合器，提高脊柱融合率[29]。2015 年张帆等[30]应用3D 打印技术制备个体化终板匹配椎间融合器进行初步尝试，取得非常好的效果。Joffe 等[31]在患有DACSM 的犬椎间融合模型中评估3D 打印融合器的功效，作者发现脊柱稳定性好，未见融合器移位和下沉，犬相关临床神经症状得到极大的缓解；为3D 打印技术在动物实验中广泛应用提供实验依据。

5 兔

兔是脊柱解剖结构与人类相似最小的动物之一。原因是兔椎间隙狭窄、操作困难和植入移植物后难以维持脊柱稳定性。因此，兔椎间融合动物模型报道较少。但兔髂骨较大，进行脊柱椎间融合时可提供足够自体移植骨量；兔相关的研究成本通常比羊、犬或灵长类动物研究的成本要低，另外与大鼠、小鼠等小型动物相比具有较大的椎体和椎间隙方便操作且更能模拟人体生物力学环境，有必要建立一套完整兔椎间融合动物模型供研究者选用[25]。2015 年杨文成[32]首次构建一种新型兔前路椎间融合模型，并用此模型证实BMSCs 可促进脊柱的融合，有望成为自体骨移植的替代产品；此方法操作简单，解决了椎间隙窄和脊柱不稳，可用于兔前路椎体间融合的研究，尤其是应用于细胞因子、细胞和基因等促进椎体间融合的生物学研究方面，对研究兔椎间融合动物模型具有指导性意义。Yang 等[33]用相同模型评价成骨间充质干细胞在脊柱融合中的作用，取得很好的结果。以上研究为兔椎间融合动物模型的广泛应用提供实验依据，目前兔椎间融合动物模型还在初步阶段，需要研究者不断地进行探索。

6 大鼠

大鼠的脊柱和椎体较小，椎体之间难以使用内固定，而且切除椎间盘的椎间隙有自发融合的倾向[34]。更多应用于椎体横突间融合研究，这与临床上更多进行的是脊柱椎体间融合有着较大差异；但大鼠与人类在遗传和生理上有非常密切的相似性，是一种非常耐药的动物；因此有必要建立一个完善并与临床相符的大鼠椎间融合模型，为以后动物椎间融合模型研究提供实验基础。2011 年张兆飞等[35]构建了第一个大鼠椎体间融合模型，该实验模型所采取的造模方法具有并发症少、失败率低的特点，并且与临床工作中更多使用的是脊柱椎间融合手术方式相符合，是一种在实验室适合于研究药物或材料能否有效提高脊柱融合率的大鼠脊柱椎间融合动物模型。为进一步验证此动物模型的在重复研究中的可行性，2016 年张兆飞等[36]用同样模型比较大鼠3 种不同脊柱融合模型的优越性及融合率，结果表明，椎体间（有内固定）及横突间与椎体间（无内固定）相比具有更好的融合率和良好的植骨床，局部相对稳定，手术相对简单易行，且术后并发症少，进一步证明了是骨替代材料等具有成骨性或骨诱导性的移植物或药物能否有效提高脊柱融合率适用的一种动物脊柱椎间融合模型。以上相关研究对大鼠椎间融合动物模型发展起着极大推动作用。

7 总结与展望

随着再生、基因工程和材料科学的发展，大量的研究利用动物脊柱椎间融合模型来测试各种材料和细胞类型，以提高脊柱融合率。如今动物模型已经成为实验室研究不可或缺的一部分，但动物种类繁多，特点各异。较大动物脊柱的解剖结构与人类相似，更能模拟骨移植材料或者脊柱器械在人体的生物力学情况，获得的数据更加可靠、实用。较小型动物多用于概念策略方面的研究，用较多数量获得大量的数据，比用较少数量的较大动物所获得的较少实验数据更有价值。因此，根据研究内容、要治疗的动物数量、可利用的遗传信息等方面选择合适的动物模型是实验成功的关键。虽然动物脊柱椎间融合模型被广泛使用，但不同研究者所采用的椎间融合方式不尽相同，使获得的结果缺乏有效的对比。因此，建立一套标准的动物椎体间融合模型，是尚需解决的问题。