单侧横突拉簧加压脊柱侧凸模型的建立及终板结构变化的实验研究

摘要

研究背景：
　　脊柱侧凸畸形(Scoliosis)通常指X线正位片上Cobb角大于10°的一种脊柱畸形改变。按照病因可将脊柱侧凸畸形分为先天性脊柱侧凸、特发性脊柱侧凸以及退行性脊柱侧凸三种。其中特发性脊柱侧凸(Idiopathic Scoliosis，IS)是最常见的一种脊柱侧凸畸形，其可以发生在胸椎、胸腰段或者腰椎，其发病率大概为1％-3％，而青少年特发性脊柱侧凸(Adolescent Idiopathic Scoliosis，AIS)约占其中的80％。特发性脊柱侧凸的主要特征表现为冠状面上脊柱的一个或数个节段偏离中线而向侧方弯曲，并且还常常伴有矢状面的前凸或后凸畸形和横断面的椎体旋转畸形。对于部分侧凸进行性加重的患者，若没有积极治疗或治疗方法不恰当，将会影响患者的外观，对其心理健康造成一定程度的影响，如果侧凸继续进展而未得到有效的干预，还将会影响患者的心肺发育，导致胸廓发育不良综合征(Thoracic Insufficiency Syndrome，TIS)，从而严重影响其的生活质量，甚至可以威胁到患者的生命。综上所述，研究特发性脊柱侧凸的发生和发展机制，探索防止侧凸形成及进展的治疗方法有着非常重要的意义。
　　目前，特发性脊柱侧凸的病因尚不明了，有研究表明不对称受力是造成侧凸进展的重要因素。根据Hueter-Volkmann定律:骨的生长与骨骺受力情况有关，在骨骺受力增加时，骨的生长就会受到抑制;骨骺受力减小时，则骨的生长就会加速。在脊柱侧凸的患者中，其椎体凹侧和椎间盘凹侧所受的应力较凸侧更大，并且应力主要集中在顶椎凹侧，从而造成了椎体凹侧生长更加迟缓。椎体终板是椎体的上下表面的骨骺骨化停止后形成的一个结构，可分为骨性终板和软骨终板两部分，是由椎体的次级骨化中心发育而来，在椎体的生长发育过程中发挥着重要的作用。除此之外，由于椎间盘在人出生后第四年就无血液供应，因此椎体终板就成为了椎间盘营养供给的主要来源，任何影响终板结构的因素都将会影响到椎间盘。因此不对称力对终板结构的影响势必将影响到终板对椎间盘营养物质的供给，从而也造成了椎间盘营养供给的不平衡，并且进一步加重椎间盘的不对称性改变。至今为止，对于特发性脊柱侧凸病因的研究很多，因此一个合适的脊柱侧凸动物模型则显得尤为重要。
　　建立合适的脊柱侧凸动物模型，是进一步研究脊柱侧凸发生和发展机制及开发新的治疗手段的必要条件。据文献报道，最早发表关于脊柱侧凸动物模型相关研究的学者为Von Lesser，他早在1888年通过对兔单侧膈神经的切除，使得实验兔出现了胸腰段脊柱侧凸。自此之后的一个多世纪，多种脊柱侧凸模型已成功建立，从而极大的推动了脊柱侧凸相关病理学研究以及外科治疗手段的进展。这些建模方法大致可分为对实验动物进行局部组织结构破坏、对实验动物进行系统干预以及物理制动。Von Lesser所采用的单侧膈神经切除法就属于对实验动物局部组织结构进行破坏来建立脊柱侧凸模型。而鸡松果体切除建立脊柱侧凸模型这一方法就是经典的通过对实验动物的神经-内分泌系统进行干预来建立脊柱侧凸模型。1959年，Thrillard对鸡进行松果体切除并成功建立了鸡脊柱侧凸模型，侧弯节段主要发生在胸腰段。在此基础上，Machida通过实验进一步发现鸡松果体分泌的褪黑素(melatonin)及血清素(serotonin)对鸡脊柱侧弯形成起着重要作用，并证明神经-内分泌系统也是特发性脊柱侧凸形成的原因之一。但是，哺乳类动物松果体所处位置较鸡更深，操作起来非常不便，并且之后学者发现，松果体切除法建立脊柱侧凸模型在哺乳动物中的效果并不理想。除了对系统干预建立脊柱侧凸模型的方法之外，通过物理固定也是一种很常用的方法，特别是其中的脊柱不对称栓系模型，因为其造模方法可靠，并且可重复性也较强，目前已成为了侧凸研究常用的模型之一。但是在传统的栓系法中，侧凸的进展主要依靠的是动物的生长潜力，当动物接近成熟不再生长时，则该方法对研究新的侧凸治疗方法的应用价值不大，因此也是存在一定缺陷。于是学者们便对传统的栓系建模方法进行改良，提出了通过弹性栓系来取代原有的刚性栓系，因为弹性物质在被拉伸后，可以产生一定的拉力，较之刚性栓系更为稳定可靠。Braun等人选用6-8周龄的雌性羊作为实验对象，使用人工合成韧带行左侧T5-L1的弹性栓系，并成功建立了侧凸模型，证实了不对称的弹性栓系能够对脊柱生长起到调节作用。Schwab也使用了相似的方法，对11周龄的猪进行了T4-L3的弹性栓系，并且也成功建立了侧凸模型，从而进一步地证实了不对称弹性栓系对脊柱的生长有调节作用。尽管如此，因为椎弓根螺钉的使用会对小关节造成破坏，影响椎体之间连接的稳定性并且对椎体结构造成了破坏，因此此类弹性栓系技术仍然需要得到改进。
　　本实验中，我们通过脊柱后路手术，使用316L医用不锈钢拉簧建立新西兰兔单侧横突拉簧加压脊柱侧凸模型，并且通过定期的X线检查，测量施加了不对称力后实验新西兰兔侧凸Cobb角及后凸角的大小。在不对称力施加一段时间后，通过撤除不对称力并通过X线观察Cobb角及后凸角的变化，来进一步证明持续性的不对称力对脊柱侧凸发生发展的重要作用。本实验还通过MicroCT对新西兰兔不对称力侧凸模型椎体终板的骨体积分数进行测量，以期进一步阐明不对称力对椎体的影响。
　　研究目的：
　　1、使用316L医用不锈钢拉簧建立新型新西兰兔不对称力脊柱侧凸模型。
　　2、使用MicroCT对新西兰兔不对称力脊柱侧凸模型的椎体终板的骨体积分数进行分析，以期进一步阐明不对称力对椎体的影响。
　　研究方法：
　　1、两月龄新西兰白兔10只，通过脊柱后路手术予L2和L5右侧横突挂载316L医用不锈钢拉簧。术前、术后1周、4周及8周摄X线正侧位片，测量Cobb角、后凸角及拉簧长度，术后8周摄片后，随机将10只新西兰白兔分为两组:取拉簧(Spring Removal，SR)组和保留拉簧组(Spring Keeping，SK)各5只，取出SR组兔子体内拉簧，继续于术后9周和术后12周摄X线正侧位片，测量Cobb角及后凸角。
　　2、12周后，通过空气栓塞法处死所有实验新西兰兔，完整取下所有兔顶椎及其上下各一椎体行MicroCT扫描，分别记录顶椎上下终板凹侧和凸侧的骨体积分数(BV/TV)。
　　3、用SPSS13.0软件包对结果进行统计学分析。计量数据采用(X)±SD表示，两组间的比较，计量资料采用独立样本t检验，比较椎体终板凹侧和凸侧骨体积分数时，采用配对t检验，等级资料及计数资料采用Mann-Whitney法，多组间比较采用完全随机分组的方差分析（One-way ANOVA），多重比较用LSD法。检查水准α=0.05。
　　研究结果：
　　1、至实验结束时，所有实验新西兰兔全部存活，Cobb角均大于10°。术后1周、4周、8周不同时间点Cobb角及后凸角都大于术前(p＜0.05)。术后8周，SR组与SK组的Cobb角、后凸角以及拉簧长度均无明显差异(p＞0.05)，取出拉簧后至12周，SK组的Cobb角及后凸角都较SR组要大(p＜0.05)，期间SR组的Cobb角及后凸角较8周时都逐渐减小。
　　2、MicroCT结果示顶椎凹侧终板骨体积分数(BV/TV)要大于凸侧(0.76±0.09vs0.73±0.10，配对t检验，t=2.627，p=0.017)。
　　3、整个实验过程中，拉簧形变量(△L)均无统计学差异(p＞0.05)。
　　研究结论：
　　1、本实验成功建立了一种新型的不对称力新西兰兔脊柱侧凸模型，该方法能在较短的时间内形成脊柱侧凸畸形，并证明了持续性不对称力对脊柱侧凸的进展是一个重要的因素，进一步验证了不对称力能够影响脊柱的生长，进而引起脊柱侧凸的发生。
　　2、本实验通过对不对称力新西兰兔脊柱侧凸模型椎体终板的MicroCT检查结果阐明，不对称力导致椎体凹侧终板趋向于形成一致密的薄骨板，而这种病理学的改变将可能对椎体凹侧的生长和椎间盘凹侧的营养供给产生不良的影响。

目录

摘要

第一章 前言

第二章 单侧横突拉簧加压建立兔脊柱侧凸模型及其终板结构改变的实验研究

2．1 实验方法

2．1．1 实验动物

2．1．2 弹性栓系系统

2．1．3 动物手术

2．1．4 术后X线检查及MicroCT测量

2．1．5 统计分析

2．2 实验结果

2．2．1 X线摄片结果的比较

2．2．2 MicroCT扫描结果的比较

2．2．3 实验过程中不同时间点拉簧长度的比较

2．3 讨论

2．4 结论

第三章 椎体终板的生理结构、功能及退变

3．1 椎体终板的生理结构

3．2 椎体终板的生理功能

3．3 椎体终板的生理性退变

3．4 总结

参考文献

攻读硕士期间科研成果

致谢

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