脊柱内固定对邻近运动节段的影响
作者：辛兵 李永刚 侯筱魁
单位：徐州医学院附属医院骨科? 辛 兵；上海第二医科大学第九人民医院骨科 李永刚 侯筱魁
关键词：脊柱内固定 邻近运动节段 关节突关节 组织学
江苏医药990101 摘要 为研究脊柱内固定对邻近关节突关节的影响，应用成年山羊20只，随机分长节段、短节段固定组和对照组，进行3个月、6个月的光镜、扫描电镜及透射电镜观察。结果发现近头侧2个邻近脊椎的关节突关节都出现了退变。长节段固定后邻近关节突关节早期就出现了较严重的退变，而短节段固定后其退变程度较轻。研究认为内固定后邻近运动节段的高应力环境是其关节突关节退变的主要因素，并有可能导致邻近运动节段的不稳定。
An experimental study of the Biological Degeneration of Facet Articulatures Adjacent to the Spinal Segment Having been Internally Fixed by Implantation
, http://www.100md.com
for Instability of the Spinal Column in Adult Goats
Xin Bing， et al
Department of Orthopedics， Affiliated Hospital，Xuzhou Medical College
Abstract Internal fixation of spinal column by implantation was done in 20 male adult goats， in order to observe the cartilagious changes cephalad to the fused vertebrae due to biological stress upon the mobile adjacent spinal segments for clinical significance and interest. Goats were randomly divided into control， multisegment and short segment groups and they were killed at 3 months and 6 months after operation for examination by light microscopy， transmission and scanning electronic microscopy. Results showed that degenerative changes of facet joint cephalad to multisegment implantation occured most early and serious than that of short segment implantation. It was confirmed that strain and stress on mobile adjacent spine did undergo degenerative changes in facet joint， thereby instability of those adjacent segments of spinal column might occur after internal spinal fixation.
, 百拇医药
Key words Spinal implant Adjacent segment Facet joint Histology
脊柱内固定技术是治疗脊柱不稳定的重要方法之一，目前的研究主要关注于内固定器对脊柱稳定性的影响，内固定植入物也由负荷分载型(load sharing)向负荷承载型(load bearing)发展[1]。虽然有学者的研究表明内固定改变了邻近运动节段的生物力学及运动学，但尚未明确邻近运动节段所产生的生物学影响[2，3]。因此我们设计脊柱内固定的动物模型对邻近运动节段关节突关节的组织学改变进行观察，以阐明内固定对关节突关节的影响并探讨其机理。
材料与方法
一、动物模型设计
选取成年雄性山羊20只，体重20～24kg，随机抽取4只作对照组，其余16只作实验组。对照组仅作脊柱后路皮肤切开，骶棘肌剥离，不作内固定；实验组Ⅰ(长节段固定组)以棘突根部钢丝Luque氏棒固定L2～L6，同时将骨水泥置于椎板及钢丝与棒连接处；实验组Ⅱ(短节段固定组)按上述方法固定L3～L5。术后给以抗生素肌注3天防止感染并允许动物自由活动，各组观察时间为3个月及6个月。分别于固定3个月和6个月后对照组随机处死2只，实验组Ⅰ、Ⅱ随机处死4只动物。取近头侧邻近两个脊椎的下关节突关节进行光镜、扫描电镜及透射电镜观察。其中紧邻固定节段脊椎为第一邻近脊椎，其上称第二邻近脊椎。另外每只实验动物皆取其上胸椎的关节突关节作光镜观察，以排除其自身关节突关节的病变。
, http://www.100md.com
二、观察方法
1.光镜观察：标本在10%中性甲醛固定48小时以后，用Jenkins固定脱钙液脱钙，石蜡纵向包埋切片，作HE染色。
2.扫描电镜观察：在4℃条件下，标本经前固定、后固定、临界点干燥、定向粘附于载物台上，真空喷金。用JSM-840扫描电镜观察。
3.透射电镜观察：在4℃条件下，标本用4.13%EDTA-2Na溶液脱钙，1%四氧化锇后固定2小时，环氧树脂618定向包埋。根据光镜定位制备70nm超薄切片，经醋酸双氧铀及柠檬酸铅双重染色后，用HITACHI-600透射电镜观察。
结 果
一、光镜观察
1.长节段固定组，第一、二邻近关节突关节术后3个月、6个月出现软骨层严重磨损，软骨层变薄。第二邻近关节突关节，术后6个月可见软骨下骨裸露。
, 百拇医药
2.短节段固定组，第一、二邻近关节突关节术后3个月、6个月软骨表面出现较多裂隙，软骨细胞失去正常柱状排列，裂隙边缘多个软骨细胞聚集在一起，软骨细胞周围染色脱失。
二、扫描电镜
1.长节段固定组，术后3个月在2个邻近关节突关节都可见到软骨表面较多裂隙出现。术后6个月可见软骨表面裂隙宽大，并且出现了软骨下骨的裸露。
2.短节段固定组，术后3个月在2个邻近关节突关节软骨表面出现胶原纤维断裂。术后6个月软骨表现出现了软骨下骨的裸露，软骨面出现片状剥离。
三、透射电镜
1.长节段固定组，术后3个月在2个邻近关节突关节可见软骨细胞内出现细胞核固缩，粗面内质网扩张，糖原颗粒较多。术后6个月可见软骨细胞内出现细胞周晕消失。细胞器减少，细胞核固缩并有部分细胞核碎裂。
, 百拇医药
2.短节段固定组，术后3个月在2个邻近关节突关节可见软骨细胞含有较多的糖原颗粒。但细胞核固缩，核内异染色质增多细胞周晕消失。6个月时软骨细胞胞浆内存留糖原分泌的遗迹，细胞器减少。核周有较多微丝及脂滴。
讨 论
动物模型已被广泛地应用于脊柱固定融合的组织学及生物力学研究，其中犬及羊是两种应用最多的动物模型[4]。Ashton等运用有限元分析比较了人体与四足动物的差异，结果发现两者脊柱的力学传导机制有相似性[5]。McAffe的实验表明犬脊柱椎弓根固定器固定后其螺钉的断裂部位与临床随防的结果相似。同时螺钉断裂的力学机制也有相似性，即螺钉通常在屈曲应力或剪切应力下断裂而不是在压缩应力下断裂。我们在实验中发现羊腰椎的关节突关节与人体相似，上关节突呈凹面，下关节突呈凸面。因此我们认为本实验所设计的动物模型具有一定的合理性。
目前不少学者认为脊柱固定融合对邻近运动节段施加了额外的应力，并且邻近节段的关节突关节经常处在高负荷状态下工作[2，3]。本实验发现固定3个月时光镜下软骨表面出现较多裂隙，软骨细胞失去正常柱状排列，裂隙边缘多个软骨细胞聚集在一起，软骨细胞周围染色脱失。扫描电镜显示软骨表面出现了软骨下骨的裸露，软骨面呈片状剥离。而此时透射电镜显示有旺盛分泌功能的软骨细胞，胞浆内出现活跃的糖原合成及分泌，粗面内质网明显扩张。显示出胶原网架遭受破坏，而软骨细胞出现活跃的分泌功能。固定6个月时表现为软骨胶原网架受到严重的破坏，同时较多的软骨细胞出现了严重的退变。目前的研究证实高应力环境下软骨的退变首先表现为软骨基质的丧失，而软骨细胞呈现出活跃的分泌功能。随着软骨基质破坏的加剧，软骨细胞出现了严重的退变。两者相互影响从而加剧软骨的退变[6]。我们的研究结果表明邻近节段关节突关节的退变与其力学环境的变化相一致。
, 百拇医药
我们的结果发现虽然邻近节段处在高应力环境，但由于固定节段的不同，其邻近关节突关节的退变程度是不一致的。短节段固定组虽然出现软骨表面的裂隙，但在裂隙周围多个软骨细胞聚集在一起。透射电镜同时也发现具有旺盛分泌功能的软骨细胞，胞浆内出现活跃的糖原合成及分泌，粗面内质网明显扩张，符合软骨早期退变的表现[7]。而长节段固定组光镜下可见软骨细胞失去正常柱状排列，部分软骨细胞固缩并有空陷窝出现。同时可见较大的软骨缺损区域，软骨下骨裸露。透射电镜下显示细胞周晕消逝，细胞器减少。细胞核周固缩并有碎裂的表现，显示一种晚期退变的征象[7]。因此我们认为无论是长节段固定还是短节段固定都导致了邻近关节突关节的退变，长节段固定后邻近关节突关节早期就出现了较为严重的退变，相比之下短节段固定后邻近关节突关节的退变程度较轻而且出现的时间较晚。
我们的实验表明脊柱内固定导致了邻近关节突关节的退变，有学者在退变的关节突关节发现了与疼痛有关的神经递质―p物质[8]。因此我们认为这是内固定后腰背疼痛可能的原因之一。是否由于关节突关节的退变而出现邻近运动节段的临床不稳定，尚需研究证实。
, 百拇医药
邮政编码：221002
参考文献
[1] Krag MH. Spine 1991；16(23)：84.
[2] Luk KD， et al. Spine 1995；20：813.
[3] Chow DHK， et al. Spine 1996；21：549.
[4] Schimandle JH. Spine 1994；19：1998.
[5] Ashton-Miller JA， et al. Orthop Trans 1989；13：106.
[6] 顾延，等.中华外科杂志1995；33：597.
[7] 毕五蝉，等.中华外科杂志1988；26：429.
[8] Beaman DN， et al. Spine 1993；18：1044.
(1997年11月27日收稿 1998年5月23日修回), 百拇医药
单位：徐州医学院附属医院骨科? 辛 兵；上海第二医科大学第九人民医院骨科 李永刚 侯筱魁
关键词：脊柱内固定 邻近运动节段 关节突关节 组织学
江苏医药990101 摘要 为研究脊柱内固定对邻近关节突关节的影响，应用成年山羊20只，随机分长节段、短节段固定组和对照组，进行3个月、6个月的光镜、扫描电镜及透射电镜观察。结果发现近头侧2个邻近脊椎的关节突关节都出现了退变。长节段固定后邻近关节突关节早期就出现了较严重的退变，而短节段固定后其退变程度较轻。研究认为内固定后邻近运动节段的高应力环境是其关节突关节退变的主要因素，并有可能导致邻近运动节段的不稳定。
An experimental study of the Biological Degeneration of Facet Articulatures Adjacent to the Spinal Segment Having been Internally Fixed by Implantation
, http://www.100md.com
for Instability of the Spinal Column in Adult Goats
Xin Bing， et al
Department of Orthopedics， Affiliated Hospital，Xuzhou Medical College
Abstract Internal fixation of spinal column by implantation was done in 20 male adult goats， in order to observe the cartilagious changes cephalad to the fused vertebrae due to biological stress upon the mobile adjacent spinal segments for clinical significance and interest. Goats were randomly divided into control， multisegment and short segment groups and they were killed at 3 months and 6 months after operation for examination by light microscopy， transmission and scanning electronic microscopy. Results showed that degenerative changes of facet joint cephalad to multisegment implantation occured most early and serious than that of short segment implantation. It was confirmed that strain and stress on mobile adjacent spine did undergo degenerative changes in facet joint， thereby instability of those adjacent segments of spinal column might occur after internal spinal fixation.
, 百拇医药
Key words Spinal implant Adjacent segment Facet joint Histology
脊柱内固定技术是治疗脊柱不稳定的重要方法之一，目前的研究主要关注于内固定器对脊柱稳定性的影响，内固定植入物也由负荷分载型(load sharing)向负荷承载型(load bearing)发展[1]。虽然有学者的研究表明内固定改变了邻近运动节段的生物力学及运动学，但尚未明确邻近运动节段所产生的生物学影响[2，3]。因此我们设计脊柱内固定的动物模型对邻近运动节段关节突关节的组织学改变进行观察，以阐明内固定对关节突关节的影响并探讨其机理。
材料与方法
一、动物模型设计
选取成年雄性山羊20只，体重20～24kg，随机抽取4只作对照组，其余16只作实验组。对照组仅作脊柱后路皮肤切开，骶棘肌剥离，不作内固定；实验组Ⅰ(长节段固定组)以棘突根部钢丝Luque氏棒固定L2～L6，同时将骨水泥置于椎板及钢丝与棒连接处；实验组Ⅱ(短节段固定组)按上述方法固定L3～L5。术后给以抗生素肌注3天防止感染并允许动物自由活动，各组观察时间为3个月及6个月。分别于固定3个月和6个月后对照组随机处死2只，实验组Ⅰ、Ⅱ随机处死4只动物。取近头侧邻近两个脊椎的下关节突关节进行光镜、扫描电镜及透射电镜观察。其中紧邻固定节段脊椎为第一邻近脊椎，其上称第二邻近脊椎。另外每只实验动物皆取其上胸椎的关节突关节作光镜观察，以排除其自身关节突关节的病变。
, http://www.100md.com
二、观察方法
1.光镜观察：标本在10%中性甲醛固定48小时以后，用Jenkins固定脱钙液脱钙，石蜡纵向包埋切片，作HE染色。
2.扫描电镜观察：在4℃条件下，标本经前固定、后固定、临界点干燥、定向粘附于载物台上，真空喷金。用JSM-840扫描电镜观察。
3.透射电镜观察：在4℃条件下，标本用4.13%EDTA-2Na溶液脱钙，1%四氧化锇后固定2小时，环氧树脂618定向包埋。根据光镜定位制备70nm超薄切片，经醋酸双氧铀及柠檬酸铅双重染色后，用HITACHI-600透射电镜观察。
结 果
一、光镜观察
1.长节段固定组，第一、二邻近关节突关节术后3个月、6个月出现软骨层严重磨损，软骨层变薄。第二邻近关节突关节，术后6个月可见软骨下骨裸露。
, 百拇医药
2.短节段固定组，第一、二邻近关节突关节术后3个月、6个月软骨表面出现较多裂隙，软骨细胞失去正常柱状排列，裂隙边缘多个软骨细胞聚集在一起，软骨细胞周围染色脱失。
二、扫描电镜
1.长节段固定组，术后3个月在2个邻近关节突关节都可见到软骨表面较多裂隙出现。术后6个月可见软骨表面裂隙宽大，并且出现了软骨下骨的裸露。
2.短节段固定组，术后3个月在2个邻近关节突关节软骨表面出现胶原纤维断裂。术后6个月软骨表现出现了软骨下骨的裸露，软骨面出现片状剥离。
三、透射电镜
1.长节段固定组，术后3个月在2个邻近关节突关节可见软骨细胞内出现细胞核固缩，粗面内质网扩张，糖原颗粒较多。术后6个月可见软骨细胞内出现细胞周晕消失。细胞器减少，细胞核固缩并有部分细胞核碎裂。
, 百拇医药
2.短节段固定组，术后3个月在2个邻近关节突关节可见软骨细胞含有较多的糖原颗粒。但细胞核固缩，核内异染色质增多细胞周晕消失。6个月时软骨细胞胞浆内存留糖原分泌的遗迹，细胞器减少。核周有较多微丝及脂滴。
讨 论
动物模型已被广泛地应用于脊柱固定融合的组织学及生物力学研究，其中犬及羊是两种应用最多的动物模型[4]。Ashton等运用有限元分析比较了人体与四足动物的差异，结果发现两者脊柱的力学传导机制有相似性[5]。McAffe的实验表明犬脊柱椎弓根固定器固定后其螺钉的断裂部位与临床随防的结果相似。同时螺钉断裂的力学机制也有相似性，即螺钉通常在屈曲应力或剪切应力下断裂而不是在压缩应力下断裂。我们在实验中发现羊腰椎的关节突关节与人体相似，上关节突呈凹面，下关节突呈凸面。因此我们认为本实验所设计的动物模型具有一定的合理性。
目前不少学者认为脊柱固定融合对邻近运动节段施加了额外的应力，并且邻近节段的关节突关节经常处在高负荷状态下工作[2，3]。本实验发现固定3个月时光镜下软骨表面出现较多裂隙，软骨细胞失去正常柱状排列，裂隙边缘多个软骨细胞聚集在一起，软骨细胞周围染色脱失。扫描电镜显示软骨表面出现了软骨下骨的裸露，软骨面呈片状剥离。而此时透射电镜显示有旺盛分泌功能的软骨细胞，胞浆内出现活跃的糖原合成及分泌，粗面内质网明显扩张。显示出胶原网架遭受破坏，而软骨细胞出现活跃的分泌功能。固定6个月时表现为软骨胶原网架受到严重的破坏，同时较多的软骨细胞出现了严重的退变。目前的研究证实高应力环境下软骨的退变首先表现为软骨基质的丧失，而软骨细胞呈现出活跃的分泌功能。随着软骨基质破坏的加剧，软骨细胞出现了严重的退变。两者相互影响从而加剧软骨的退变[6]。我们的研究结果表明邻近节段关节突关节的退变与其力学环境的变化相一致。
, 百拇医药
我们的结果发现虽然邻近节段处在高应力环境，但由于固定节段的不同，其邻近关节突关节的退变程度是不一致的。短节段固定组虽然出现软骨表面的裂隙，但在裂隙周围多个软骨细胞聚集在一起。透射电镜同时也发现具有旺盛分泌功能的软骨细胞，胞浆内出现活跃的糖原合成及分泌，粗面内质网明显扩张，符合软骨早期退变的表现[7]。而长节段固定组光镜下可见软骨细胞失去正常柱状排列，部分软骨细胞固缩并有空陷窝出现。同时可见较大的软骨缺损区域，软骨下骨裸露。透射电镜下显示细胞周晕消逝，细胞器减少。细胞核周固缩并有碎裂的表现，显示一种晚期退变的征象[7]。因此我们认为无论是长节段固定还是短节段固定都导致了邻近关节突关节的退变，长节段固定后邻近关节突关节早期就出现了较为严重的退变，相比之下短节段固定后邻近关节突关节的退变程度较轻而且出现的时间较晚。
我们的实验表明脊柱内固定导致了邻近关节突关节的退变，有学者在退变的关节突关节发现了与疼痛有关的神经递质―p物质[8]。因此我们认为这是内固定后腰背疼痛可能的原因之一。是否由于关节突关节的退变而出现邻近运动节段的临床不稳定，尚需研究证实。
, 百拇医药
邮政编码：221002
参考文献
[1] Krag MH. Spine 1991；16(23)：84.
[2] Luk KD， et al. Spine 1995；20：813.
[3] Chow DHK， et al. Spine 1996；21：549.
[4] Schimandle JH. Spine 1994；19：1998.
[5] Ashton-Miller JA， et al. Orthop Trans 1989；13：106.
[6] 顾延，等.中华外科杂志1995；33：597.
[7] 毕五蝉，等.中华外科杂志1988；26：429.
[8] Beaman DN， et al. Spine 1993；18：1044.
(1997年11月27日收稿 1998年5月23日修回), 百拇医药