钩椎关节融合器山羊实验模型的建立及初步研究

刘浩，杨毅，陈林，胡凌云，吴廷奎，马立泰，戎鑫，邓宇骁，孟阳，王贝宇

(四川大学华西医院骨科，四川 成都 610041)

颈椎前路减压融合术(anterior cervical decompression and fusion，ACDF)一直是治疗颈椎退变性疾病的有效、经典的手术方式。颈椎前路钢板、椎间融合器等内植物材料提高了ACDF手术初始稳定性、支撑强度、植骨融合率。椎间融合器设计的基本目的就是在提供良好的初始稳定性、支撑强度的基础上，维持和改善颈椎曲度，为椎间融合提供良好的生物学和生物力学环境来促进植骨融合[1]。目前市面上融合器的种类繁多，但基本设计仍然为中央带植骨腔的圆柱状结构或中央为植骨腔四周有开口的箱形结构，颈椎融合器一般都放置在椎间隙中央，植骨材料都在融合器中央即椎间隙中央区[2]。基于椎间隙中央区域植骨到椎间隙侧方钩椎关节区域植骨融合的理念，研究团队设计并申请了一项国家发明专利：钩椎关节融合器(ZL.2015 1 0541160.1)。钩椎关节融合器设计由体部、两翼、螺钉构成，体部主要为支撑作用，两翼主要防止植骨块向后脱入椎管，植骨区域在钩椎关节融合器两侧钩椎关节区域，2枚螺钉斜向椎体固定。为了验证钩椎关节融合器的安全性和可行性，本实验通过建立钩椎关节融合器山羊实验模型，通过术后X线、CT、Micro-CT等影像学手段评估植骨融合情况，为下一步钩椎关节融合器的改进与进一步研究提供实验基础。

1 资料与方法

1.1 实验动物 选取12只12～18个月龄的体重在35～45 kg之间的山羊(成都麻羊，属于山羊的一种)作为实验动物，所有动物均经过免疫检疫，通过大体观察排除明显畸形、发育不良、毛色不佳、存在皮肤感染脓包等，所有实验动物在术后6个月以放血法处死后取颈椎标本行Micro-CT扫描等检查。

1.2 实验用颈椎钩椎关节融合器的准备 选取10个山羊颈椎标本，在山羊动物手术前对山羊颈椎解剖参数进行测量以评估钩椎关节融合器是否适合山羊颈椎。先用X线检查排除山羊颈椎畸形、肿瘤等异常情况，再行CT三维重建扫描，利用光盘刻录拷贝出DICOM格式原始数据后利用Mimics 19.0软件进行CT三维重建并测量椎间隙的高度、宽度、深度，测量结果显示山羊颈椎间隙高度在5～7 mm、宽度18～24 mm、深度15～18 mm，前期设计的钩椎关节融合器规格范围能满足山羊实验研究需求。

1.3 手术步骤及围手术期处理 所有山羊手术前24 h开始禁食禁饮，手术及静脉置区域剃毛，丙泊酚麻醉诱导后气管插管，异戊巴比妥钠维持麻醉，生理盐水静滴补液，术前半小时静脉滴注头孢唑林钠1.0 g。麻醉满意后取仰卧位，常规消毒铺巾后行右侧纵行手术切口，用电刀仔细分离浅筋膜，沿胸锁乳突肌前缘分离，触摸颈动脉，沿颈血管鞘与气管食管间隙进入椎前。用电刀切开分离椎前肌显露出椎体，切除C3～4节段纤维环及部分髓核组织，用椎体开口器开口后拧入Caspar颈椎前路撑开器螺钉，安置撑开器后将手术间隙撑开2 mm左右方便手术操作。撑开后继续用髓核钳咬去剩余髓核，神经剥离子探查减压范围至后纵韧带，用刮匙缓慢刮去软骨终板，保留骨性终板，注意植骨床的准备侧方要到达钩椎关节区域但不能突破骨性结构，以免损伤侧方椎动脉。用咬骨钳咬除C3椎体前下缘突出部分并用高速磨钻稍微打磨平整以便于融合器的植入。选用合适高度的钩椎关节融合器植入，手术中C3椎体前下缘突出部分切除的碎骨以及椎体侧方横突向前凸起的部分咬除的碎骨作为植骨材料，所有山羊均未取髂骨(见图1～2)。逐层缝合关闭手术切口，用纱布覆盖伤口，手术未安置引流管。手术结束当天再次肌肉注射头孢唑林钠1.0 g，以后每日注射头孢唑林钠1.0 g，连续7 d。

1.4 影像学评估 所有山羊术后10 d左右行X线检查观察钩椎关节融合器、螺钉位置、椎间隙高度等指标。术后3个月行X线及CT三维重建检查，术后6个月行X线及CT三维重建检查后以放血法处死山羊取颈椎标本，取出颈椎标本后先大体观察融合器有无脱出移位、手术节段是否存在活动，然后行Micro-CT检查。正侧位X线检查观察融合器及螺钉位置、椎间隙高度等指标。CT三维重建用于观察融合器位置、椎间隙高度以及手术节段植骨融合情况。融合观察区域为钩椎关节区域、融合器前方及后方区域，任何一个区域有骨桥连接则判断为CT三维重建融合，有骨桥连接评分2分，若部分成骨则CT三维重建评分1分，无骨痂形成则判定为CT三维重建不融合评分为0分[3-4]。Micro-CT扫描后用三维分析软件Amira 6.0.1 for Windows(澳大利亚Visage Imaging公司)对Micro-CT扫描DICOM格式数据进行重建和融合评估[5]。

注：红色方框所示区域为钩椎关节融合器植骨区域，而红色圆形区域为钩椎关节融合器的支撑体部，传统融合器在此区域为植骨区域

图1 钩椎关节融合器实物图

注：箭头所指为双侧钩椎关节区域植骨

1.5 统计学分析 使用统计学分析软件SPSS Statistics 22.0 forWindows(IBM公司)进行数据处理和分析。P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结 果

2.1 手术结果及术后观察 实验山羊手术均顺利完成，术中未发生椎动脉损伤。术后未见山羊切口感染，未见精神及行为异常。1只山羊在术后3个月发生感染，随即行头孢唑林钠肌肉注射，1次1.0 g，1日2次，连续7 d后感染控制。实验山羊均完成6个月饲养，饲养过程中未出现手术相关并发症。

2.2 X线检查结果 所有山羊X线检查观察融合器及螺钉位置均良好，融合器无松动、脱落、移位，螺钉无退钉。对C3～4节段椎间隙高度进行测量比较，在术后10 d、术后3个月、术后6个月椎间隙高度有轻度下降，但未见融合器下沉突破终板进入椎体。

2.3 CT检查结果 术后3个月CT三维重建检查结果显示有9例在钩椎关节区域、融合器前方、融合器后方的区域内至少有1处骨桥形成，植骨融合率为75.0%，只有1例在椎间隙未见明显成骨，其余2例有明显成骨但有缝隙存在未形成连续性的骨桥。术后6个月CT三维重建显示在钩椎关节区域或融合器前方、后方有骨桥连接者有10例，融合率为83.3%，有2例有成骨但未形成连续的骨桥(见图3)。

2.4 大体标本观察及Micro-CT检查结果 术后6个月处死山羊取标本，对大体标本观察和触摸，未见手术节段松动、融合器脱出或螺钉松动。对标本进行修剪行Micro-CT扫描，可见在钩椎关节区域明显的骨小梁结构、部分山羊在2侧钩椎关节区域、融合器前方及后方均可见明显的连续的骨小梁结构(见图4)。

a 冠状位重建图像 b 偏左侧矢状位重建图像 c 中央矢状位重建图像 d 偏右侧矢状位重建图像

图3 钩椎关节融合器植入山羊C3～4节段术后6个月CT三维重建图像

a 冠状面图像 b 矢状面图像

图4 钩椎关节融合器植入山羊C3～4节段术后6个月Micro-CT扫描图像

3 讨 论

理想的动物模型不仅要考虑与人体解剖生理的相近性、基因的同源性还要考虑是否容易获取、易于饲养等。文献已经报道的脊柱融合的动物模型有山羊、绵羊、猪、小牛、兔、鹿、狒狒、猕猴等。灵长类动物与人具有较大的基因同源性，但获取和饲养困难，兔等小动物只适合于非内固定的脊柱融合模型[6]。山羊或绵羊非常容易获取和饲养，不仅羊的颈椎的解剖参数与人类较为接近，而且羊的颈椎接近直立，其活动度、椎间盘应力等生物力学测试结果和人体颈椎非常类似，因此山羊或绵羊已经成为常用的颈椎疾病、融合以及非融合动物模型[7-9]。有研究对羊的颈椎椎体、终板、椎间盘等解剖参数进行测量并发现同人体颈椎参数非常接近[10]。Wilke等[11]对绵羊脊柱与人体脊柱进行对比研究后发现绵羊过伸/过屈、左右旋转、左右侧屈活动范围与人体脊柱非常类似。黄师等[7]对山羊颈椎与人体颈椎进行类似的运动范围测量和中性区测量，其研究结果也支持山羊是人体颈椎的一种理想动物模型。Kandziora等[12]对新鲜绵羊颈椎标本与新鲜人体颈椎标本进行解剖学、X线与CT以及生物力学对照研究后也支持绵羊可以作为人体颈椎模型，尤其是绵羊C3～4节段。因此，山羊或绵羊已经成为颈椎融合最常用的动物模型。钩椎关节融合器的植骨床准备、置入方式以及植骨方式与传统的ACDF手术有所不同。传统的ACDF手术中，植骨床的准备重点是在椎间隙中央区域，尽量刮除软骨终板和保留骨性终板，对于侧方钩椎关节区域除了进行椎间孔减压以外不进行其他操作，而钩椎关节融合器植骨融合手术中植骨床的准备则重点在侧方钩椎关节区域。传统的ACDF手术中再减压和植骨床准备充分后需要将融合器中填满植骨材料后再进行融合器植入和固定，而钩椎关节融合器植骨融合手术是在减压和植骨床准备充分后先进行融合器的植入和固定，随后在双侧钩椎关节区域进行植骨材料的填充。

尽管有研究指出钩突是鸟类与爬行动物的肋脊关节发育上的残留[13]，在文献复习中未发现有钩椎关节的动物模型报道。通过扩大文献检索范围以争取获得多种动物的颈椎干骨标本图片以及颈椎X线、CT三维重建影像，凌泽莎[14]一张猕猴颈椎CT冠状面重建图像可见到与人体类似位于椎体侧方向上突起的“钩突结构”，但猕猴获取困难且为国家保护动物，不适合作为最终需要处死取颈椎标本的动物模型。随后我们对山羊颈椎行CT三维重建扫描后发现，与人体颈椎钩突位于下位椎体侧方相反，山羊颈椎上位椎体侧面下方有很大的凸起，造成山羊颈椎的椎间隙侧方间隙高度低于中央区域高度，这种结构在解剖和功能上可能都与人体颈椎钩椎关节非常类似，前期的生物力学研究也报道山羊在侧屈和旋转方面与人体颈椎活动范围类似[7]，因此本次研究最终选用山羊(成都麻羊)作为钩椎关节融合器实验动物模型并且选用与人体颈椎接近的C3～4作为手术节段。

脊柱融合是2个或多个椎体的骨性连接形成，首先被报道用于治疗脊柱结核病[15]。脊柱融合同其他骨愈合一样，需要以下4个基本条件：a)充足数量的成骨细胞；b)局部存在新骨形成所需的骨传导基质，植骨部位内存在骨诱导信号；c)局部存在良好的血供以支持骨愈合；d)能为新骨形成提供良好的生物力学环境[16]。骨愈合可以分为膜内成骨与软骨内成骨，椎间融合主要为软骨内成骨，主要包含炎症反应期、软骨形成期、编织骨形成及骨改建期。钩椎关节融合理论上存在以下优势：a)钩椎关节间隙距离较近，约为椎间隙中央高度1/3，距离更短，骨愈合相对更快[17]；b)钩椎关节区域与四周软组织接触，血供更为丰富，更易形成局部血肿，促进成骨[18-19]；c)钩椎关节区域接受了更大的应力刺激，促进成骨[20]。

综上所述，山羊可以作为钩椎关节融合器一种较为理想的实验动物模型，以C3～4节段为佳。手术操作中应注重钩椎关节区域植骨床的准备，山羊椎动脉与椎体距离较小，手术操作应该避免突破侧方骨性结构以避免损伤椎动脉。本实验结果初步显示钩椎关节融合器是一种安全可行的新型椎间融合器，值得进一步深入研究。