引用本文： 李鵬飛, 賈楠, 沈亞欣, 靳憲輝, 申勇, 丁文元, 張為. 纖維環切口方式對椎間盤生物力學強度影響的動物實驗研究. 中國修復重建外科雜志, 2016, 30(2): 202-207. doi: 10.7507/1002-1892.20160041 復制
目前，髓核摘除術為治療腰椎間盤突出癥的主要手術方法[1]。因其操作簡便、創傷小、安全性高，在臨床廣泛開展[2]。但由于摘除髓核同時需部分切除纖維環，破壞了椎間盤的完整性，對椎間盤術后生物力學強度的維持及纖維環的修復產生負面影響[3]，造成椎間盤退變加速、椎間隙高度丟失、椎間盤源性下腰痛出現，甚至椎間盤再次突出而需翻修治療[4]。目前，有關纖維環切口方式對髓核摘除術后椎間盤生物力學強度的影響尚存在爭議。本研究通過動物實驗，旨在探索合適的纖維環切口方式，指導臨床工作。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要儀器
健康成年山羊30只，雌雄各半，體質量18～22?kg，由河北醫科大學動物實驗中心提供；動物實驗過程及處置方法嚴格遵守動物倫理學要求。游標卡尺（精確度0.1 mm；Hexagon公司，瑞士）；MRI（Siemens公司，德國）；GENERAA710多功能監測儀（GENERAL公司，美國）。
1.2 實驗分組及方法
根據處理方法不同，將30只山羊隨機分為A、B、C 3組，每組10只。手術均由同一術者完成。術前常規禁食、禁水24 h，臀部肌肉注射速眠新（0.1?mg/ kg）麻醉。作左側腰背部斜形切口，逐層切開皮膚、皮下及筋膜，于腰背肌外緣進入后鈍性分離腰大肌、髂腰肌間隙。逐層顯露至后腹膜，暴露L3、4及L4、5椎間盤，將游標卡尺垂直上、下終板分別測量不同位置L3、4及L4、5椎間隙高度3次，取L3、4及L4、5椎間隙高度均值，作為標本椎間隙高度。
椎間盤處理方法：A組，暴露椎間盤纖維環，將導絲穿入纖維環后，使用自主設計的二級多孔套筒，以上級套筒逐步擴大通道，直至擴大至直徑5 mm工作套筒后，使用配套的微創咬鉗摘除部分髓核組織。B組，用尖刀作直徑為5 mm的圓形切口，切開纖維環，以髓核鉗摘除部分髓核。C組，用尖刀作大小為 5 mm×5 mm的方形切口，切開纖維環，摘除部分髓核。逐層縫合切口，無菌敷料包扎。術后定期換藥，5 d內每天肌肉注射青霉素320萬U，預防感染。
1.3 觀測指標
1.3.1 一般情況
記錄3組山羊體質量、雌雄比例、年齡、術中出血量以及切口愈合時間；術后觀察各組山羊存活及切口愈合情況，12～14 d后視切口愈合情況拆線。
1.3.2 MRI檢查
術后24周，各組山羊以靜脈注射空氣栓塞處死，即刻行腰椎MRI檢查。在T2加權像上，根據改良Thompson分級法[5]對椎間盤退變程度進行分級：Ⅰ級，正常；Ⅱ級，椎間隙信號強度輕度減弱，并且高信號區域縮小；Ⅲ級，椎間隙信號強度中度減弱；Ⅳ級，椎間隙信號強度重度減弱。
1.3.3 椎間隙高度測量
MRI檢查后，解剖并顯露L3、4及L4、5椎間盤，同1.2方法測量椎間隙高度，計算手術前后椎間隙高度差值，作為椎間隙高度丟失程度。
1.3.4 生物力學測試
椎間隙高度測量后，應用GENERAA710多功能監測儀對L3、4椎間盤進行有創椎間盤測壓，測定誘發椎間盤突出的壓力值以及椎間盤承受的最大壓力值（以纖維環出現明顯撕裂損傷為臨界情況）。
1.3.5 組織學觀察
完整取出L4、5椎體及椎間盤，大體觀察椎間盤纖維環連續性及結構完整性后，置于甲醛浸泡固定；完整分離椎間盤，甲酸脫鈣，乙醇脫水，石蠟包埋，切片。分別行HE及Masson染色，鏡下觀察纖維環連續性及結構完整性。
1.4 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差表示，組間比較采用方差分析，兩兩比較采用SNK檢驗；計數資料組間比較采用χ2檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 一般情況
3組山羊體質量、雌雄比例、年齡、術中出血量、切口愈合時間比較，差異均無統計學意義（P>0.05），具有可比性。見表 1。3組山羊均存活至實驗完成，切口順利愈合后拆線。
表1
3組山羊一般資料比較（n=10）
Table1.
Comparison of general data among 3 groups（n=10）
2.2 MRI檢查
術后24周，腰椎MRI顯示3組椎間盤均出現退變現象，信號強度降低。T2加權像顯示，A組纖維環連續性好，外層無明顯瘢痕組織形成，椎間盤內部信號強度較其余2組高且均勻；B、C組纖維環瘢痕組織形成明顯，纖維連接連續性差，椎間盤內部信號強度低。見圖 1。根據改良Thompson分級法，A組Ⅱ級16個、Ⅲ級2個、Ⅳ級2個，B組Ⅱ級6個、Ⅲ級10個、Ⅳ級4個，C組Ⅱ級8個、Ⅲ級8個、Ⅳ級4 個。A組椎間盤退變程度高于B、C組，比較差異有統計學意義（P<0.05）；B、C組間比較差異無統計學意義（P>0.05）。
圖1
術后24周各組MRI矢狀位及水平位觀察 ?A組 ?B組 ?C組
Figure1.
Sagittal and horizontal MRI in each group at 24 weeks after operation ?Group A ?Group B ?Group C
2.3 椎間隙高度測量
3組術前椎間隙高度比較，差異無統計學意義（P>0.05）。術后24周，A組椎間隙高度大于B、C組，其丟失程度小于B、C組，比較差異有統計學意義（P<0.05）；B、C組間比較，差異均無統計學意義（P>0.05）。見表 2。
表2
各組手術前后椎間隙高度及丟失程度比較（n=10，mm，2.4 生物力學測試
A、B、C組誘發椎間盤突出的壓力值分別為（3.04±0.52）、（1.91±0.43）、（1.89±0.45）MPa，椎間盤承受的最大壓力值分別為（3.81±0.61）、（2.25±0.50）、（2.18±0.47）MPa。A組均顯著大于B、C組，差異有統計學意義（P<0.05）；B、C組間比較，差異無統計學意義（P>0.05）。
2.5 組織學觀察
大體觀察見A組為完整纖維環結構，B、C組切開處可見纖維環連續性破壞。見圖 2。HE及Masson染色示：A組纖維環連續性良好，層次較清晰；B、C組切開處可見纖維環連續性破壞，瘢痕組織填充明顯。見圖 3、4。
圖2
術后24周各組椎間盤大體觀察箭頭示瘢痕組織填充纖維環缺損 ?A組 ?B組 ?C組 ? ?圖 3 術后24周各組椎間盤HE染色觀察（×1） 箭頭示瘢痕組織填充纖維環缺損 ?A組 ?B組 ?C組 ? ?圖 4 術后24周各組椎間盤Masson染色觀察（×1） 箭頭示瘢痕組織填充纖維環缺損 ?A組 ?B組 ?C組
Figure2.
Gross observation of inter vertebral discs at 24 weeks after operation Arrow indicated the defect of fiber ring was filled with scar tissue ?Group?A ?Group B ?Group C ? ?Fig. 3 HE staining of intervertebral discs at 24 weeks after operation (×1) Arrow indicated the defect of fiber ring was filled with scar tissue ?Group A ?Group B ?Group C ? ?Fig. 4 Masson staining of intervertebral discs at 24 weeks after operation (×1) Arrow indicated the defect of fiber ring was filled with scar tissue ?Group A ?Group B ?Group C
3 討論
腰椎間盤突出癥治療多采用髓核摘除術[6]，纖維環不同切口方式對其術后生物力學強度維持及纖維環修復的影響存在爭議[7]。術后椎間盤突出癥復發與切口方式相關[8]，因此合理的纖維環切口方式選擇具有重要意義。本研究對目前臨床常用的3種纖維環切開方法進行比較研究。
纖維環破壞后椎間盤會發生明顯退變，生物力學結構發生變化，椎間隙高度丟失，使功能強度不能恢復至原來狀態。而傳統圓形及方形切口對纖維環連續性破壞更為明顯，椎間盤內部信號低且不均勻，椎間隙高度丟失程度更大[9]。由于人類為雙足站立，脊柱負重大，所以以上改變在人體上表現更明顯[10- 11]。同時，椎間盤內除瘢痕組織，亦可見炎性細胞和血管增生[12]，我們認為這是椎間盤組織損傷后的修復表現。本研究中，A組椎間盤纖維環連續性相對良好，外層無嚴重瘢痕組織形成，椎間盤內部信號強度較B、C組高且均勻。提示與傳統纖維環切開相比，應用工作通道進行穿刺對纖維環結構破壞小，未大量切除原有纖維組織，而新生纖維組織可部分填充纖維環穿刺口，且瘢痕組織增生反應小，椎間盤纖維環連續性相對較好。生物力學檢測結果亦表明A組椎間盤內部承壓強度明顯高于B、C組。
纖維環的修復過程開始于損傷后血液滲出、炎性細胞浸潤和毛細血管增生，此反應普遍出現在機體組織遭受創傷后[13]。但之后炎性反應逐漸消除，炎性細胞逐漸消失伴隨纖維細胞出現，并進行纖維連接[14]。外層纖維環最早進行修復，纖維細胞從切口處邊緣逐漸向心性生長連接[15]。內層修復開始較晚，亦是逐漸發生。其連接修復同樣為纖維細胞向心性生長及連接[16]。位于切口下方的少量髓核細胞分泌出膠原蛋白，使膠原纖維變得致密[17]。但是纖維環損傷較大時，自我修復能力有限[18]。特別是圓形及方形切口，由于切除了部分纖維環，致使纖維不能連接，缺損無法修復[19]。同時，纖維環破壞后會首先修復外部薄層纖維組織[20]。若纖維環缺損較大，切口兩側纖維不能生長至互相連接，中間部分僅依靠瘢痕組織填充[21]，不能滿足纖維組織所需張力。而穿刺技術未對纖維環進行切除，破壞較小，穿刺口纖維環在修復過程中可逐漸閉合并進行纖維連接愈合。結合本研究MRI及組織學觀察進行分析，我們認為纖維環外層的連接亦為其內層修復創造了條件，纖維環各層重新修復才可維持椎間盤的生物力學強度。與之相反，瘢痕填充修復使椎間盤整體存在薄弱處，在壓力驟增時可出現纖維撕裂，亦是復發原因之一。提示纖維蛋白封閉、纖維環縫合等輔助修復技術的必要性，但需要進一步實驗研究證明。
目前有關椎間盤不同切口方式動物模型研究中多應用新西蘭白兔[22]。本研究選擇山羊作為研究對象具有以下優點：①椎間盤體積相對較大，能夠摘取部分髓核；②手術入路明確，顯露清晰，便于準確操作；③椎間盤內髓核結構清晰有利于MRI檢查[23]；④山羊生命力強，耐受性較好，分籠飼養病死率相對低[19]。但購買及飼養費用相對較高是其缺點。考慮檢查時動物微動會對MRI成像的清晰度及T2加權像信號強度測量產生較大影響，我們預實驗結果顯示，纖維環強度主要由物理學構造決定，動物在檢查前數分鐘內致死所產生的細胞死亡、代謝停滯、髓核脫水等病理生理變化對纖維環的物理學強度影響甚小，基本可以忽略，因此本研究選擇將實驗動物處死后進行MRI檢查。
綜上述，采用工作套筒進行椎間盤髓核摘除手術可有效減小對纖維環結構的破壞，對維持椎間盤生物力學強度及術后纖維環修復起到積極作用，但纖維環修復機制還需要進行進一步的動物實驗、組織學及細胞學研究。
目前，髓核摘除術為治療腰椎間盤突出癥的主要手術方法[1]。因其操作簡便、創傷小、安全性高，在臨床廣泛開展[2]。但由于摘除髓核同時需部分切除纖維環，破壞了椎間盤的完整性，對椎間盤術后生物力學強度的維持及纖維環的修復產生負面影響[3]，造成椎間盤退變加速、椎間隙高度丟失、椎間盤源性下腰痛出現，甚至椎間盤再次突出而需翻修治療[4]。目前，有關纖維環切口方式對髓核摘除術后椎間盤生物力學強度的影響尚存在爭議。本研究通過動物實驗，旨在探索合適的纖維環切口方式，指導臨床工作。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要儀器
健康成年山羊30只，雌雄各半，體質量18～22?kg，由河北醫科大學動物實驗中心提供；動物實驗過程及處置方法嚴格遵守動物倫理學要求。游標卡尺（精確度0.1 mm；Hexagon公司，瑞士）；MRI（Siemens公司，德國）；GENERAA710多功能監測儀（GENERAL公司，美國）。
1.2 實驗分組及方法
根據處理方法不同，將30只山羊隨機分為A、B、C 3組，每組10只。手術均由同一術者完成。術前常規禁食、禁水24 h，臀部肌肉注射速眠新（0.1?mg/ kg）麻醉。作左側腰背部斜形切口，逐層切開皮膚、皮下及筋膜，于腰背肌外緣進入后鈍性分離腰大肌、髂腰肌間隙。逐層顯露至后腹膜，暴露L3、4及L4、5椎間盤，將游標卡尺垂直上、下終板分別測量不同位置L3、4及L4、5椎間隙高度3次，取L3、4及L4、5椎間隙高度均值，作為標本椎間隙高度。
椎間盤處理方法：A組，暴露椎間盤纖維環，將導絲穿入纖維環后，使用自主設計的二級多孔套筒，以上級套筒逐步擴大通道，直至擴大至直徑5 mm工作套筒后，使用配套的微創咬鉗摘除部分髓核組織。B組，用尖刀作直徑為5 mm的圓形切口，切開纖維環，以髓核鉗摘除部分髓核。C組，用尖刀作大小為 5 mm×5 mm的方形切口，切開纖維環，摘除部分髓核。逐層縫合切口，無菌敷料包扎。術后定期換藥，5 d內每天肌肉注射青霉素320萬U，預防感染。
1.3 觀測指標
1.3.1 一般情況
記錄3組山羊體質量、雌雄比例、年齡、術中出血量以及切口愈合時間；術后觀察各組山羊存活及切口愈合情況，12～14 d后視切口愈合情況拆線。
1.3.2 MRI檢查
術后24周，各組山羊以靜脈注射空氣栓塞處死，即刻行腰椎MRI檢查。在T2加權像上，根據改良Thompson分級法[5]對椎間盤退變程度進行分級：Ⅰ級，正常；Ⅱ級，椎間隙信號強度輕度減弱，并且高信號區域縮小；Ⅲ級，椎間隙信號強度中度減弱；Ⅳ級，椎間隙信號強度重度減弱。
1.3.3 椎間隙高度測量
MRI檢查后，解剖并顯露L3、4及L4、5椎間盤，同1.2方法測量椎間隙高度，計算手術前后椎間隙高度差值，作為椎間隙高度丟失程度。
1.3.4 生物力學測試
椎間隙高度測量后，應用GENERAA710多功能監測儀對L3、4椎間盤進行有創椎間盤測壓，測定誘發椎間盤突出的壓力值以及椎間盤承受的最大壓力值（以纖維環出現明顯撕裂損傷為臨界情況）。
1.3.5 組織學觀察
完整取出L4、5椎體及椎間盤，大體觀察椎間盤纖維環連續性及結構完整性后，置于甲醛浸泡固定；完整分離椎間盤，甲酸脫鈣，乙醇脫水，石蠟包埋，切片。分別行HE及Masson染色，鏡下觀察纖維環連續性及結構完整性。
1.4 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差表示，組間比較采用方差分析，兩兩比較采用SNK檢驗；計數資料組間比較采用χ2檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 一般情況
3組山羊體質量、雌雄比例、年齡、術中出血量、切口愈合時間比較，差異均無統計學意義（P>0.05），具有可比性。見表 1。3組山羊均存活至實驗完成，切口順利愈合后拆線。
表1
3組山羊一般資料比較（n=10）
Table1.
Comparison of general data among 3 groups（n=10）
2.2 MRI檢查
術后24周，腰椎MRI顯示3組椎間盤均出現退變現象，信號強度降低。T2加權像顯示，A組纖維環連續性好，外層無明顯瘢痕組織形成，椎間盤內部信號強度較其余2組高且均勻；B、C組纖維環瘢痕組織形成明顯，纖維連接連續性差，椎間盤內部信號強度低。見圖 1。根據改良Thompson分級法，A組Ⅱ級16個、Ⅲ級2個、Ⅳ級2個，B組Ⅱ級6個、Ⅲ級10個、Ⅳ級4個，C組Ⅱ級8個、Ⅲ級8個、Ⅳ級4 個。A組椎間盤退變程度高于B、C組，比較差異有統計學意義（P<0.05）；B、C組間比較差異無統計學意義（P>0.05）。
圖1
術后24周各組MRI矢狀位及水平位觀察 ?A組 ?B組 ?C組
Figure1.
Sagittal and horizontal MRI in each group at 24 weeks after operation ?Group A ?Group B ?Group C
2.3 椎間隙高度測量
3組術前椎間隙高度比較，差異無統計學意義（P>0.05）。術后24周，A組椎間隙高度大于B、C組，其丟失程度小于B、C組，比較差異有統計學意義（P<0.05）；B、C組間比較，差異均無統計學意義（P>0.05）。見表 2。
表2
各組手術前后椎間隙高度及丟失程度比較（n=10，mm，2.4 生物力學測試
A、B、C組誘發椎間盤突出的壓力值分別為（3.04±0.52）、（1.91±0.43）、（1.89±0.45）MPa，椎間盤承受的最大壓力值分別為（3.81±0.61）、（2.25±0.50）、（2.18±0.47）MPa。A組均顯著大于B、C組，差異有統計學意義（P<0.05）；B、C組間比較，差異無統計學意義（P>0.05）。
2.5 組織學觀察
大體觀察見A組為完整纖維環結構，B、C組切開處可見纖維環連續性破壞。見圖 2。HE及Masson染色示：A組纖維環連續性良好，層次較清晰；B、C組切開處可見纖維環連續性破壞，瘢痕組織填充明顯。見圖 3、4。
圖2
術后24周各組椎間盤大體觀察箭頭示瘢痕組織填充纖維環缺損 ?A組 ?B組 ?C組 ? ?圖 3 術后24周各組椎間盤HE染色觀察（×1） 箭頭示瘢痕組織填充纖維環缺損 ?A組 ?B組 ?C組 ? ?圖 4 術后24周各組椎間盤Masson染色觀察（×1） 箭頭示瘢痕組織填充纖維環缺損 ?A組 ?B組 ?C組
Figure2.
Gross observation of inter vertebral discs at 24 weeks after operation Arrow indicated the defect of fiber ring was filled with scar tissue ?Group?A ?Group B ?Group C ? ?Fig. 3 HE staining of intervertebral discs at 24 weeks after operation (×1) Arrow indicated the defect of fiber ring was filled with scar tissue ?Group A ?Group B ?Group C ? ?Fig. 4 Masson staining of intervertebral discs at 24 weeks after operation (×1) Arrow indicated the defect of fiber ring was filled with scar tissue ?Group A ?Group B ?Group C
3 討論
腰椎間盤突出癥治療多采用髓核摘除術[6]，纖維環不同切口方式對其術后生物力學強度維持及纖維環修復的影響存在爭議[7]。術后椎間盤突出癥復發與切口方式相關[8]，因此合理的纖維環切口方式選擇具有重要意義。本研究對目前臨床常用的3種纖維環切開方法進行比較研究。
纖維環破壞后椎間盤會發生明顯退變，生物力學結構發生變化，椎間隙高度丟失，使功能強度不能恢復至原來狀態。而傳統圓形及方形切口對纖維環連續性破壞更為明顯，椎間盤內部信號低且不均勻，椎間隙高度丟失程度更大[9]。由于人類為雙足站立，脊柱負重大，所以以上改變在人體上表現更明顯[10- 11]。同時，椎間盤內除瘢痕組織，亦可見炎性細胞和血管增生[12]，我們認為這是椎間盤組織損傷后的修復表現。本研究中，A組椎間盤纖維環連續性相對良好，外層無嚴重瘢痕組織形成，椎間盤內部信號強度較B、C組高且均勻。提示與傳統纖維環切開相比，應用工作通道進行穿刺對纖維環結構破壞小，未大量切除原有纖維組織，而新生纖維組織可部分填充纖維環穿刺口，且瘢痕組織增生反應小，椎間盤纖維環連續性相對較好。生物力學檢測結果亦表明A組椎間盤內部承壓強度明顯高于B、C組。
纖維環的修復過程開始于損傷后血液滲出、炎性細胞浸潤和毛細血管增生，此反應普遍出現在機體組織遭受創傷后[13]。但之后炎性反應逐漸消除，炎性細胞逐漸消失伴隨纖維細胞出現，并進行纖維連接[14]。外層纖維環最早進行修復，纖維細胞從切口處邊緣逐漸向心性生長連接[15]。內層修復開始較晚，亦是逐漸發生。其連接修復同樣為纖維細胞向心性生長及連接[16]。位于切口下方的少量髓核細胞分泌出膠原蛋白，使膠原纖維變得致密[17]。但是纖維環損傷較大時，自我修復能力有限[18]。特別是圓形及方形切口，由于切除了部分纖維環，致使纖維不能連接，缺損無法修復[19]。同時，纖維環破壞后會首先修復外部薄層纖維組織[20]。若纖維環缺損較大，切口兩側纖維不能生長至互相連接，中間部分僅依靠瘢痕組織填充[21]，不能滿足纖維組織所需張力。而穿刺技術未對纖維環進行切除，破壞較小，穿刺口纖維環在修復過程中可逐漸閉合并進行纖維連接愈合。結合本研究MRI及組織學觀察進行分析，我們認為纖維環外層的連接亦為其內層修復創造了條件，纖維環各層重新修復才可維持椎間盤的生物力學強度。與之相反，瘢痕填充修復使椎間盤整體存在薄弱處，在壓力驟增時可出現纖維撕裂，亦是復發原因之一。提示纖維蛋白封閉、纖維環縫合等輔助修復技術的必要性，但需要進一步實驗研究證明。
目前有關椎間盤不同切口方式動物模型研究中多應用新西蘭白兔[22]。本研究選擇山羊作為研究對象具有以下優點：①椎間盤體積相對較大，能夠摘取部分髓核；②手術入路明確，顯露清晰，便于準確操作；③椎間盤內髓核結構清晰有利于MRI檢查[23]；④山羊生命力強，耐受性較好，分籠飼養病死率相對低[19]。但購買及飼養費用相對較高是其缺點。考慮檢查時動物微動會對MRI成像的清晰度及T2加權像信號強度測量產生較大影響，我們預實驗結果顯示，纖維環強度主要由物理學構造決定，動物在檢查前數分鐘內致死所產生的細胞死亡、代謝停滯、髓核脫水等病理生理變化對纖維環的物理學強度影響甚小，基本可以忽略，因此本研究選擇將實驗動物處死后進行MRI檢查。
綜上述，采用工作套筒進行椎間盤髓核摘除手術可有效減小對纖維環結構的破壞，對維持椎間盤生物力學強度及術后纖維環修復起到積極作用，但纖維環修復機制還需要進行進一步的動物實驗、組織學及細胞學研究。
