關于脊柱生物力學研究中動物模型解剖的研究進展

閻容稷，楊鑫，曹凡，胥江品，舒鈞

(昆明醫科大學第二附屬醫院創傷外科，云南 昆明 650000)

1 Introduction

近幾十年以來，現代醫學發展迅速，各種新興藥物及手術方式不斷出現。對于骨科而言，骨科的發展離不開骨科材 料學的發展，各種內固定物都在不斷的優化。在脊柱外科的發展過程中，各種內固定方式層出不窮，其間出現了Harrington 裝置[1]、Luque 裝置[3]、CD(Cotrel-Dubousset Instrumentation)系統[4]、TSRH、Isola 系統等等，直至近年來常用的椎弓根螺釘系統。這些內固定器械的發展推動了脊柱外科的發展，使我們面對各種脊柱創傷、畸形、疾患時擁有了我們自己的武器。在本篇文章中，我們將對在內固定系統研制過程中建立動物生物力學模型時關于動物種類的選擇及其與人類脊柱的解剖學特點對比的最新研究進展予以綜述。

2 常用動物模型的種類

在各種內固定器械的研制過程中，人體新鮮標本固然是最好的實驗材料。但是由于人體新鮮標本在使用過程中需要顧及其倫理、道德、法律等問題，同時要獲取符合標準的青年新鮮健康脊柱標本也存在一些困難，故在實際使用過程中常使用動物脊柱模型代替人體新鮮標本。因為需要考慮到脊柱椎體大小的相似性，小型動物脊柱一般不適合用于生物力學研究，較為常用的動物模型有豬、牛、山羊、綿羊、鹿[5-9]等體型較大的動物。有一些人認為人類的行動方式為直立行走，應選用與人類行動方式類似的動物更為穩妥，例如猴子、黑猩猩等動物。因為相似的行動方式下，脊柱的受力載荷的大小及方向也是類似的，生物力學特點也會更為相似。而四足動物的行走方式與人類相差較大，故四足動物脊柱載荷與人類脊柱載荷方式不同。但是這種觀點在文獻中并未得到證實，反而與此相反，有幾項研究表明了兩者在解剖學上存在驚人的相似性[10,11]。故對于脊柱的生物力學、解剖學研究而言，大型四足動物脊柱可以作為理想的動物模型供我們進行選擇[6]。

3 常用動物模型的解剖學特點

3.1 豬

豬作為脊柱外科實驗研究中最常用的動物模型，其解剖學結構與人類相似性較高。Hamid Abbasi , Ali Abbasi 等人在研究了豬脊柱的解剖特點及其在X 線照射下成像特點，于人類脊柱特點比較后得出結論：可以將豬脊柱作為微創性脊柱融合術的教學材料，雖然其解剖特點于人類存在一定差別，但是在操作手感、教學效果等方面對比人類尸體模型差別并不大，且在造價、實用型、便利性等方面遠超人類尸體模型[12]。

豬脊柱存在7 個頸椎椎體，15 個胸椎椎體，6 個腰椎椎體。Iris Busscher · Joris J. W. Ploegmakers · Gijsbertus J. Verkerke ·Albert G. Veldhuizen 等人選取了6 具人尸和6 具豬尸的新鮮冷凍脊骨。人類標本取自6具男性尸體(平均死亡年齡72歲，范圍：55 歲-84 歲，平均總身高182cm，范圍：175-192 厘)，豬的脊骨標本選取為4 個月左右大小的家豬，平均體重為40 公斤(范圍：37-44 公斤)。選取其脊柱的C3-L5/6 節段，在CT 下掃描對比后發現：在脊柱長度(C3-L5/6 總長度)方面，人類脊柱長度為569.4mm±17.67mm，豬脊柱569.5mm±16.19mm，對比二者平均長度，差距僅為0.1mm。然而，減去豬脊柱多出的4 個椎體后，其全長大概為471.7mm；其平均椎體高度要小于人體脊柱。在脊柱角度方面，人類脊柱的頸椎前凸較少(20.1°vs 43.8°)，而胸部后凸較多(34.5°vs 15.6°)，腰椎前凸較多(29.2°vs 7.9°)[13]。

在比較豬椎體與人椎體具體解剖結構時，我們常規測量幾個解剖學參數進行具體對比。(見圖1)

圖1 解剖參數的測量[2]

無論是豬椎體還是人類椎體，其中部椎體高度都要小于前方及后方椎體高度，但是這種差異在人類椎體上更為明顯。這就表明，人類椎體終板大多為凹型，而豬椎體終板更為平整。從C3 到L5 椎體，人類椎體的VBWu 與VBDu 在逐步增大，其中VBWu 從27.7mm 增加到54.0mm，VBDu 從16.5mm 增加至36.7mm，豬 椎 體VBWu 從20.0mm(C3) 增 至28.0mm(L6)，VBDu 從14.4mm(C3)至14.1(L6)，兩者尺寸較為相似的節段主要集中于胸椎。對于椎管寬度來說，人類與豬的椎管最寬的部分均位于頸椎和腰椎區域，其變化大小變化趨勢是類似的，而且椎管形狀也是類似的，在頸椎椎管呈類三角形，胸椎椎管變為類圓形，腰椎椎管再次回歸類三角形。當椎體大小類似時，豬椎管大小較人椎管小，其大小最接近節段也位于胸椎。對于椎弓根大小來說，人與豬的椎弓根高度相似。對于PW 來說，除去在高位胸椎節段，人類PW 與豬PW 大小稍有不同，其余節段在數值方面均極為接近。人類PH 在頸段是幾乎不變的，在胸椎段逐漸增加，直至T12 節段達到最大值，于腰段逐漸減小。豬脊柱也存在類似的現象，但是脊柱大小的顯著增大是從下胸段開始的，故兩者PH 大小在頸段及下胸段、上腰段大小較為相似[13]。

總體上來說，在研究脊柱生物力學的課題中，豬作為最常用的一種動物模型，其具體解剖結構與人類脊柱相似度較高，特別是在脊柱胸段，其解剖在各個方面都與人類脊柱極為相似。且豬脊柱的成本及獲取難度較低，其使用也較為方便，是一種較為理想的選擇。

3.2 牛

在一些實驗設計中，有些人會傾向與使用牛脊柱來作為實驗模型樣本，對于牛脊柱而言，首先我們需要考慮的是其椎體大小問題。成年牛有49-51 節椎骨，不包括尾巴有35 節，其中存在7 節頸椎，13 節胸椎，6 節腰椎及18-21 節尾椎。成年牛脊柱長度平均為2800mm，平均比成年人類脊柱長209cm。若要先擇與人類脊柱長度相似的牛脊柱，我們需要選擇6-8 周大小的牛犢[14]，此年齡段的牛犢脊柱與人類脊柱特點才比較有意義，故我們主要討論此年齡段的牛犢。不同于人類脊柱的頸椎、胸椎、腰椎曲度，牛脊柱沒有明顯的生理曲度，取而代之的是一個貫穿整個脊柱全長的逐漸增大的生理彎曲(見圖2)。牛脊柱整體的活動性較人類低，其主要原因可能是牛脊柱椎間盤較矮(占脊柱全場的10%，而正常成年男性脊柱椎間盤約占其脊柱全場的25%左右)，對其脊柱的活動度存在一定的影響，其脊柱最活動度最佳部位位于胸段T13 附近，Sue-A-Quan 等人曾報道說牛椎間盤的構成與人類椎間盤相似，同樣為一個髓核，其周圍圍繞纖維環。在頸段與腰段其椎間盤形態與人類類似，同為雙凹形，但是在胸段，牛椎間盤變得不同，呈凹凸形(人體與牛胸腰椎比較[6]。故如果想要使用牛胸椎椎間盤進行實驗研究，需要考慮其形態學上的差異。

牛脊柱椎體形態上與人脊柱中的相應椎體差別較大(見圖2、3)，Paul C. Cotterill, J. P. Kostuik 等人選取了牛脊柱中形態最為典型的T6、T12、L3 三個節段與人類椎體進行比較[14](見表1)。

從這些數據中我們可以看出，6-8 周大小的牛犢較成人脊柱椎體高度更高，但是終板面積更小。而對于終板面積而言，牛高位胸段椎體終板面積與人更為相近。其中高度與人類脊柱最為相似的是T12 椎體，寬度與長度人脊柱最為相似的是T6椎體。牛的椎管大小及形態整體與人類椎管相似。牛椎弓根整體較人椎弓根更粗。對于椎弓根寬度來說牛T6 椎體椎弓根寬度要遠大于人類，但是T12 與L3 椎體椎弓根寬度與人類類似。且牛的生長速度較快，所以一些體內實驗研究也不適合用牛來作為實驗模型。我們在考慮使用牛脊柱作為實驗材料時，首先需要仔細選取年齡合適的牛犢，此外還需要選取實驗所需要的合適的節段及區域，這樣才能保證實驗結果在人脊柱上也存在一定的意義。

圖2 整體人脊柱與牛脊柱側面觀

圖3 整體人脊柱與牛脊柱正面觀

表1 牛脊柱T6、T12、L3 椎體與人脊柱的各項參數對比[12]

3.3 綿羊

許多實驗者選擇使用綿羊脊柱來建立動物模型，用于研究一些例如椎間盤退變模型[15]、新型內固定系統[16]等課題。在某些節段，綿羊脊柱存在其獨特的特點，所以在某些課題研究中，綿羊脊柱可作為人類脊柱最好的替代物進行動物實驗研究。

綿羊的脊椎通常由7 個頸椎，12-14 個胸椎和6-7 個腰椎組成。HANS-JOACHIM WILKE 等人[11]選用5 只3-4 歲的雌性merion 綿羊，體重從57-81kg 不等(平均72±7.0kg)，仔細測量其各項椎弓根參數后發現，綿羊椎體最大的特點是其椎體高度較高，這一點在頸椎段體現的尤為明顯。在胸椎及腰椎段，綿羊椎體與人類相似度較高。

綿羊的椎體最大特點是其椎體高度的存在較大變化。從具體數值上看，綿羊頸椎后方VBHp 從C2 椎體(46.8±1.9)mm逐漸減小，至C7 椎體(27.0±1.1)mm，在高位胸段椎體VBHp 幾乎一直保持為26mm 左右，直至中段胸椎開始，VBHp 開始緩慢增加，直至L6 椎體VBHp 達到(41.6±1.1)mm，而L7 椎體較L6 椎體小5.4mm 左右。VBHa 的變化趨勢類似VBHp，在C2椎體為(56.3±3.1)mm，逐漸減小至C7 為(26.6±1.4)mm，隨后開始逐漸增加，在T6(39.4±1.7)mm 椎體最大值。在腰椎節段，VBHp 平均較VBHa 大3.5mm(9.3%)。胸椎節段VBHp 同樣要大于VBHa，但是這種現象沒有腰椎明顯。但是在頸椎區域卻相反，VBHa 要顯著大于VBHp，其差距最大的是C2 椎體，平均達到9.5mm(20.3%)。在高位頸椎中，VBWu 一般為25mm，從頸椎下端開始逐漸降低，到T3 節段到達最小，隨后開始緩慢增大，直至L7 節段達到(32.7±0.6)mm。C2 節段為特殊節段，VBWu達到了(52.6±1.3)mm。除了C2 節段以外，每個椎體VBWl 均大于VBWu，在頸椎節段及腰椎末端這種差異最大，在L7 節段VBWl 比EPWu 大7.7mm(23.6%)。在三種參數中，VBD 是最小的。綿羊的VBD 在整個脊柱中較為穩定，其中最小為 L7椎體(17.7±0.9)mm，其最大值位于C4(26.5±1.2)mm，其余椎體VBD 大小均處于20mm 左右。從以上數據中我們可以得知，綿羊椎體整體呈扁圓柱形，同時羊椎體上終板線外凸起而下終板向內凹陷，這種形態增加了脊柱的抗剪切力作用，這種形態的產生也許與羊的四足行走方式有關[17]。這些形態學上的差異是嘗試使用山羊進行動物模型進行研究的研究者需要重視的。

綿羊椎弓根高度(PD)在頸椎段逐漸減小，從C2 (38.9±1.6)mm減小至T1(15.3±1.6)mm，然后開始逐漸增大至L5(36.8±1.4)mm，L6、L7 椎體PD 又開始逐漸減小。而就椎弓根寬度(PW)來說，在C2 至C6 椎體PW 都較小，平均位于(4.7±0.7)mm 至(6.3±0.8)mm之間。在C7 椎體PW 突然增大，為14.4±0.8mm，然后開始逐漸減小，直至T13 椎體(7.6±0.8mm)，然后開始逐漸減小，到L7 節段減小至(13.4±1.1)mm。就整體來說，PH 一直是大于PW 的，故綿羊椎弓根呈豎狀橢圓形。

綿羊SCW 在頸段時最大，在C7 節段達到可(17.9±0.8)mm，然后開始逐漸減小，至T10 節段達到10.9±0.8，然后在腰段緩慢增加，在L7 節段達到(17.5±1.2)mm。SCD 同樣也是在頸段最大，在頸椎節段中C2 椎體最大，達到(15.2±1.0)mm，然后開始逐漸減小至T13 椎體(8.6±0.7)mm，隨后開始增加，到T7 椎體時達到(10.9±1.2)mm。

綜上所述，綿羊椎體最大的特點是其椎體高度較高，一般椎體高度大于其終板的寬度及深度，且綿羊終板形態與人類差別較大，抗剪切力能力較強。綿羊的胸椎及腰椎形態及大小更接近于人類椎體。綿羊腰椎也廣泛用于一些生物力學實驗中[16]，但是頸椎與人體差別較大，雖然有一些文獻報道綿羊頸椎可以用于生物力學研究[18]，但仍需謹慎選擇。

4 討論

以上三種動物為目前脊柱實驗中較為常用的三種試驗動物模型，均廣泛使用于脊柱的生物力學實驗、新器械研究、椎間盤等實驗之中。各種動物脊柱存在不同的特點，例如牛脊柱，6-8 周大小牛犢與人類脊柱長度相似，其胸椎及腰椎各項椎體數據也與人類椎體類似，是一種較好的人類脊柱模擬模型，但是因為牛生長發育較快，故對牛的年齡大小要求較高，獲取難度較大。綿羊體型較小，對其年齡要求不大，椎體在胸椎與腰椎節段與人類椎體大小相似，但是綿羊椎體存在其特有特點，其一是綿羊椎體高度較高，其VBH＞VBW＞VBD，整體呈扁圓柱形；其二是綿羊椎體上終板呈凸形，而下終板呈凹陷形，因為這種結構的存在，使其整體抗橫向剪切力能力較強。若使用綿羊椎體作為動物模型模擬人類脊柱進行實驗研究，需仔細考慮其特點，進行適當的調整。豬脊柱整體來說最適合作為人類脊柱的實驗替代品，其胸椎各項數值與人類脊柱較為接近，形態差異不大。因為人類為兩足行走動物，脊柱受力主要存在于胸腰段及腰椎，故腰椎椎體類比胸椎，存在明顯的增大，而豬為四足動物，腰椎不是主要承重椎體，故其腰椎與胸椎相比變化不大。這種差異的存在導致豬腰椎體大小整體小于人類腰椎，而更類似于人類胸椎椎體。

本文中我們總結對比了豬、牛、綿羊三種動物脊柱與人類脊柱的解剖學差異，發現單從解剖學上來看，豬脊柱的胸段、腰段與人類脊柱較為相似。其獲取難度及使用要求均不高，是一種良好的實驗動物選擇。對于牛、綿羊來說，其使用存在一定的限制條件，在仔細把控其解剖學特點后，在某些情況下也是一種不錯的選擇。但是本文只是在解剖學層面上對比了其差異，并未考慮其骨密度、椎間盤結構、椎間盤細胞生物學結構等特點，在某些實驗，特別是體內實驗中，存在一定的局限性。隨著信息技術的發展，目前出現了一些使用計算機模擬進行生物力學分析的方法，例如有限元分析等，其使用方便、快捷，廣泛用于許多生物力學研究之中，有望在未來取代動物實驗這種研究方法。但是在現狀下，動物實驗還存在一定的意義，希望研究者能夠根據自己的需要，選擇合適的動物模型，才能事半功倍。