决定胸腰椎骨折椎体内植骨组织爬行替代的因素

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.53.003

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (53): 9113-9118.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.53.003

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决定胸腰椎骨折椎体内植骨组织爬行替代的因素

沈军，邹天明，缪烨，王烨峰，胥正泉，王东来

苏州市立医院，南京医科大学附属苏州医院骨科，江苏省苏州市 215002

修回日期:2013-11-26 出版日期:2013-12-31 发布日期:2013-12-31
通讯作者: 王东来，博士。苏州市立医院，南京医科大学附属苏州医院骨科，江苏省苏州市 215002 wdonglai@medmail.com.cn
作者简介:沈军☆，男，1973年生，江苏省盐城市人，汉族，1997年华中科技大学同济医学院毕业，博士。 szshenjun@yeah.net
基金资助:
苏州市科技局资助课题(SZD0899)*

Factors critical for creeping substitution of intracorporeal grafting following thoracolumbar fractures

Shen Jun, Zou Tian-ming, Miao Ye, Wang Ye-feng, Xu Zheng-quan, Wang Dong-lai

Department of Orthopedics, Suzhou Municipal Hospital, Affiliated Suzhou Hospital of Nanjing Medical University, Suzhou 215002, Jiangsu Province, China

Revised:2013-11-26 Online:2013-12-31 Published:2013-12-31
Contact: Wang Dong-lai, M.D., Department of Orthopedics, Suzhou Municipal Hospital, Affiliated Suzhou Hospital of Nanjing Medical University, Suzhou 215002, Jiangsu Province, China wdonglai@medmail.com.cn
About author:Shen Jun☆, M.D., Department of Orthopedics, Suzhou Municipal Hospital, Affiliated Suzhou Hospital of Nanjing Medical University, Suzhou 215002, Jiangsu Province, China szshenjun@yeah.net
Supported by:
the grant from Suzhou Science and Technology Bureau, No. SZD0899*

摘要/Abstract

摘要：

背景：胸腰椎骨折椎弓根螺钉固定复位后常常出现椎体内“蛋壳样”改变，内固定取出后出现矫正丢失甚至后凸畸形。椎体内植骨理论上可以有效恢复前柱支撑提高矫正效果，但临床报道效果差异很大，具体的原因尚不清楚。

目的：了解不同椎体内空腔大小和植骨量对植骨疗效的影响，探讨胸腰椎骨折椎体内植骨疗效的组织学因素。

方法：将12只绵羊制造骨折复位后两组不同大小的椎体内空腔：1 cm³空腔组和2 cm³空腔组的骨缺损模型，每组6只。每只绵羊L₁_，₃_，₅椎体制造模型，并随机植入植骨/空腔体积比为0.5，0.75，1.0的自体髂骨，植骨后4个月处死动物并取出植骨区域，行影像学和组织学分析，了解植骨的演变过程。

结果与结论：植骨/缺损体积比大于0.75的两组椎体均显示良好的小梁骨爬行替代，低于该比例的植骨为纤维组织所替代；两组骨小梁数目，骨小梁面积百分数和平均骨小梁板厚度均显示随着植骨/空腔比例的增加而增加，而骨小梁分离度则减少，植骨/空腔体积比0.75，1.0与植骨比例0.5相比差异有显著性意义(P < 0.01)。结果说明，胸腰椎骨折椎体内植骨的骨量需丰富，植骨/空腔体积比>0.75可达到满意的组织爬行替代效果，植骨疗效较好。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植；肝移植；移植；心脏移植；组织移植；皮肤移植；皮瓣移植；血管移植；器官移植；组织工程

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关键词: 器官移植, 组织移植, 器官移植动物模型, 骨组织构建, 骨折, 胸腰椎, 植骨, 蛋壳椎, 椎弓根, 矫正丢失, 自体骨, 后凸畸形, 骨缺损, 复位

Abstract:

BACKGROUND: The occurrence of “eggshell” change after the pedicular screw reduction

is the main cause of reduction lose and kyphosis. Theoretically intracorporeal grafting in the juried vertebra could enhance the anterior supporting, but the clinical effects vary obviously and the specific cause is unclear.

OBJECTIVE: To understand the effect of defect size and the amount of bone grafting on the osteogenesis and to explore the histological factors concerning osteogenesis of intracorporeal grafting following thoracolumbar fractures.

METHODS: The two-different sizes bone defect models (1 cm³and 2 cm³ defect groups) in the lumbar vertebras of 12 sheep were made, and each group included six sheep. Different amount of autologous iliac bone was randomly grafted into the L_{1, 3, 5}vertebral segments according to grafting/bone defect ratios of 0.5, 0.75, 1.0, respectively. The grafting area of operated vertebra was separated for the imaging and histological analysis to understand the osteogenesis process.

RESULTS AND CONCLUSION: The bone histomorphometry and histological results of different grafting ratio in different size defects demonstrated excellent creeping substitution and osteogenesis in the grafting/cavity ratio larger than 0.75, and the grafting bone was substituted by fibrous tissue if the ratio was less than 0.75. Trabecular number, percent of trabecular area and mean trabecular plate height increased and trabecular separation decreased with the increment of grafting/cavity ratio. There was no significant difference between the grafting ratio 0.75 and 1.0, but they had obvious difference from ratio 0.5 subgroup. The sufficient grafting amount is critical for intracorpereal grafting, and the ratio of grafting/bone defect larger than 0.75 could produce satisfactory osteogenesis.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植；肝移植；移植；心脏移植；组织移植；皮肤移植；皮瓣移植；血管移植；器官移植；组织工程

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Key words: fracture fixation, synostosis, thorax, spine

中图分类号:

R318

沈军，邹天明，缪烨，王烨峰，胥正泉，王东来. 决定胸腰椎骨折椎体内植骨组织爬行替代的因素[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(53): 9113-9118.

Shen Jun, Zou Tian-ming, Miao Ye, Wang Ye-feng, Xu Zheng-quan, Wang Dong-lai . Factors critical for creeping substitution of intracorporeal grafting following thoracolumbar fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(53): 9113-9118.

图/表（结果） 2

2.1 实验动物数量分析 绵羊12只，共死亡3只，2 cm3空腔组死亡2只，1 cm3空腔组死亡1只，后补充3只，均采用与死亡绵羊相同的造模和椎体内植骨方法。最终12只绵羊进入结果分析。
2.2 椎体内植骨区域的组织学分析 植骨后4个月行组织学切片观测，1 cm³和 2 cm³空腔组椎体内缺损使用植骨/空腔缺损体积比为0.5的椎体：植骨区域降解吸收明显，为纤维结缔组织所取代，周围有少量无序的新生骨小梁长入，见图1A。植骨/空腔缺损体积比为0.75的椎体植骨区域有大量新生骨小梁，自周围向中央延伸，小梁塑性改建有序，植骨区域与周围正常骨小梁边界不清，见图1B。植骨/空腔缺损体积比为1.0的椎体植骨区域新生骨小梁排列紧密有序，中央无缺损吸收区，植骨区域与周围正常骨组织无明显界限，见图1C。

1 cm³和2 cm³空腔组骨组织形态计量学静态参数包括骨小梁数目、骨小梁分离度、骨小梁面积百分数和平均骨小梁板厚度。表1结果显示，两组中代表骨量的参数值骨小梁数目，骨小梁面积百分比和平均骨小梁板厚度均显示随着植骨/空腔缺损体积比的增加而增加(P < 0.01)，两组植骨/空腔缺损体积比0.75和1.0与植骨/空腔缺损体积比0.5相比差异有显著性意义(P < 0.01)，但植骨/空腔缺损体积比0.75与1.0两者之间相比差异无显著性意义(P > 0.05)。

采用相同的植骨/空腔缺损体积比进行椎体内植骨(0.5，0.75或1.0)，两种缺损大小(1 cm³，2 cm³)之间进行比较，骨组织形态计量学4个静态参数相比差异无显著性意义(P > 0.05)，说明缺损大小与椎体内植骨的成骨演变结果无相关性。

2.4 植骨后生物相容性及不良反应评价 由于为绵羊自体松质骨植骨，故植骨后无排斥反应和其他不良反应。

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引言

胸腰椎骨折临床上经常使用后路椎弓根螺钉撑开复位、固定，后外侧植骨融合进行治疗，通过螺钉撑开复位恢复伤椎椎体及椎间隙高度和矫正畸形，并通过后纵韧带的伸展作用使凸入椎管的骨块得到一定程度的间接复位，从而达到椎管减压的目的^[1]。但临床许多患者于植入后出现内固定断裂或矫形丢失，甚至内固定取出后出现后凸畸形加剧等并发症，仍是目前迄待解决的问题。目前普遍认为虽然体位及椎弓根螺钉器械撑开复位能利用前、后纵韧带和椎间盘纤维环的牵拉复位作用使伤椎的高度及外形达到接近正常，但对椎体内部松质骨的复位作用却十分微弱，椎体内骨小梁支架结构的破坏并未得到纠正，形成所谓的“蛋壳”样改变即椎体内空腔^[2]，该空腔在植骨后恢复过程中由纤维结缔组织而非骨性组织所充填，因而椎体前、中柱缺乏有效支撑，导致应力只能通过后方器械传导，从而内固定会因疲劳而断裂，或内固定取出后会出现椎体塌陷及高度的丢失，严重者会出现进行性后凸畸形甚至脊髓损伤^[3-4]。另外，胸腰椎骨折后常常发生终板骨折和塌陷，Oner等^[5]认为椎弓根螺钉复位时韧带的牵拉作用能较好地恢复椎体前、后壁及周围终板的高度，但无法使沉陷的终板中心区域复位，这也是造成植入后椎体高度丢失的另一主要原因。

为了纠正上述骨折复位后出现的椎体内“蛋壳样”改变，许多学者做出了经椎弓根前方椎体内植骨以填充空腔的努力^[6-7]，目前一般认为其优点有^[8-10]：在正常的解剖位置进行愈合；后方不进行植骨，保留运动节段；植入后矫正丢失率低；可结合肌间隙入路进行植骨，对后方背伸装置无破坏等优点，是符合脊柱骨折生物力学的更为理想的治疗方法。虽然优点很多，但临床报道结果却相差较大，有研究认为其可以增强前方支撑，有效减少内固定的断裂和内固定取出后脊柱矫正的丢失，还可以减少融合节段，是一种理想的脊柱骨折治疗方法。但另外许多研究却认为其效果并不确切，植入其中的骨组织转变为纤维肉芽组织，不能起到有效的支撑作用，这种方法并无理论上的填补椎体内空腔的作用^[11-12]。

影响脊柱植骨融合的因素很多，有年龄、患者的基础生理状况、受伤的程度、周围软组织情况、力学因素、植骨区域的血供、植骨的数量、植骨床处理的质量及植骨的材料等各种因素，找出脊柱骨折复位后椎体内植骨独特的影响因素是进一步了解其原因的关键。在对比四肢骨折、脊柱其他疾病的各种植骨方法后，实验使用排除的方法，寻找其中临床操作过程中相关的各种可能因素。实验认为，在使用作为植骨“金标准”的自体松质骨的前提下，椎体内空腔的体积和植骨的数量是决定椎体内植骨疗效的两个关键因素。

为了解椎体内植骨效果差异的原因，根据上述分析，实验设计了在绵羊椎体内制造不同大小的空腔，模拟胸腰椎爆裂性骨折经椎弓根螺钉复位后前方椎体产生的“蛋壳样”改变，通过活体在椎体不同大小的空腔内植入不同数量的自体髂骨松质骨，通过组织学和骨组织形态计量学研究探寻缺损空腔大小和植骨数量与植骨疗效的相关性。

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材料方法

设计：随机对照动物实验。

时间和地点：于2012年5月至2013年5月在苏州大学实验动物中心完成。

材料：

实验动物：成熟两三岁绵羊12只，苏州大学实验动物中心提供，雌雄不限，体质量在22-26 kg之间，动物许可证号：SYXK(苏)2007-0035。实验对动物的处理方法符合中华人民共和国科学技术部颁发的《关于善待实验动物的指导性意见》^[13]。

胸腰椎骨折椎体内植骨实验的主要试剂及仪器：

实验方法：

绵羊椎体内骨缺损模型的制作：绵羊麻醉后暴露L₁_，₃_，₅脊椎的后方结构，一侧椎弓根开口，在C臂机引导下将直径2 mm穿刺导针向头侧中央终板方向穿刺并穿破终板，制造终板中央直径2 mm的圆形缺损，模拟不稳定性脊柱骨折后的上终板破裂；C臂机引导下使用带球囊的穿刺针经椎弓根穿刺，使其针尖到达椎体的前1/3，球囊内注入生理盐水1 cm³或2 cm³制造椎体内相应大小的空腔。随机选择6只绵羊制造1 cm³的椎体内空腔作为1 cm³空腔组，另6只绵羊制造2 cm³的空腔作为2 cm³空腔组。

1 cm³空腔组L_{1, 3, 5}椎体随机选择充填0.5 cm³ (植骨/空腔比=1/2)，0.75 cm³(植骨/空腔比=3/4)和1 cm³(植骨/空腔比=1.0)的自体髂骨松质骨。

2 cm³空腔组L_{1, 3, 5}椎体随机选择充填1 cm³(植骨/空腔比=1/2)，1.5 cm³(植骨/空腔比=3/4)和2 cm³(植骨/空腔比=1)的自体髂骨松质骨。

每组分别于植入后4个月处死并取出植骨椎体，分离植骨区域及其部分邻近正常骨组织进行分析。

植骨效果分析：

组织学分析：利用CT扫描确定植骨区域的位置,根据CT测量的结果将该植骨区域连同周围部分正常骨组织分离，体积分数10%中性甲醛溶液固定，梯度乙醇脱水，不脱钙骨包埋，金刚石切片机作4 μm薄片切片，Giemsa染色作组织学观测；35 μm厚度切片直接封固作骨形态计量学测量。

骨组织形态计量学分析：在普通光学显微镜下，采用Option Contron半自动图像分析仪进行采集和数据分析。测量骨小梁数目(trabecular number，Tb.N)，骨小梁分离度(trabecular seperatiopn，Tb.Sp)，骨小梁面积百分数(% trabecular area，%Tb.Ar)，平均骨小梁板厚度(mean trabecular plate height，MTPH)等参数。

主要观测指标：脱钙后切片，苏木精-伊红染色组织学观测骨和类骨质爬行替代情况，观察骨组织形态计量学度参数(骨小梁数目，骨小梁分离度，骨小梁面积百分数，平均骨小梁板厚度)。

统计学分析：计量资料用x(_)±s表示，采用统计学软件SPSS 13.0软件进行分析，组间均数差异的比较采用两样本t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

3.1 胸腰椎骨折复位后椎体内空腔对疗效的影响 胸腰椎爆裂性骨折使用后路短节段椎弓根内固定是脊柱内固定史上里程碑式的进步，具有融合节段少，固定确切等优点。目前临床上该类型骨折常常通过后路椎弓根螺钉撑开复位、后外侧植骨融合进行治疗，该术式通过体位复位和椎弓根螺钉的器械复位使伤椎的椎体高度得以恢复，矫正后凸畸形并通过后纵韧带的伸展作用使凸入椎管的骨块得到一定程度的间接复位(伴有神经压迫症状者需另行减压)，但临床随访经常发现手植入后内固定断裂及矫正丢失，内固定取出后严重者甚至出现进行性后凸畸形等并发症。虽然使用体位和后方椎弓根螺钉对椎体进行了复位，但仅仅是利用后纵韧带和纤维环的张力使椎体的周壁和外型复位，而椎体的内部仍呈空壳状态，形成所谓的“蛋壳椎”样改变，内部以纤维组织充填，抗压性差而不具备支撑或承载能力^[9^，^14]，使脊柱的压应力相对集中在钉棒之间，使之容易产生疲劳而发生折弯或折断，椎体再次塌陷^[8]，高度丢失形成后凸畸形。因而大部分学者认为胸腰椎骨折复位内固定后需对“空壳”进行植骨^[7^，^15]，促进骨折椎不仅是外型，主要是内部结构恢复至正常力学承载和解剖状态。

3.2 经椎弓根椎体内植骨的演变和存在的争议 Daniaux等^[16]于1986年首次报告了在后路椎弓根内固定的基础上附加经椎弓根摘除上方损伤的椎间盘，椎体间植骨融合治疗胸腰椎骨折，可以有效恢复前方高度，减少矫正丢失。但对于该方法的疗效争议较大，许多学者认为该术式植骨融合率低，植骨块转变成硬化骨或被吸收，进而被化生的软骨样组织所替代^[12^，^17]；Knop等^[11]研究发现该术式平均后凸矫正丢失10.1°，只有33.3%的患者达到稳定的椎间融合。在此基础上，不同于经典的Daniaux手术，采用保留伤椎上方椎间盘，单纯行伤椎椎体内植骨被许多学者开展^[18-22]，但报告结果亦有不同。Alanay等^[19]认为后路短节段内固定，前方有无椎体内植骨两者内固定的失败率相似。Liao等^[22-23]认为椎体内植骨(自体骨或硫酸钙)可以有效矫正后凸畸形，防止内固定失败，并且认为伤椎内空腔的大小和植骨的数量是否充分是决定疗效的两个关键因素。

目前关于胸腰椎骨折植骨治疗效果的研究如下(CNKI：按主题排序)：

Tomoaki等^[21]利用椎弓根螺钉撑开复位、经椎弓根椎体内植入羟基磷灰石条治疗胸腰椎爆裂性骨折，矫正效果满意，随访无矫正丢失。李利等^[10]认为椎体内植骨可以对骨折终板塌陷区域进行直接“撑起”复位，增加椎体前柱高度，使伤椎形态更加接近于正常；同时，植入骨填充骨折腔隙，与周围正常组织有效融合，可防止或减少因椎体内空虚造成的椎体塌陷和内固定失败的发生。

3.3 决定椎体内植骨疗效的因素 椎体内植骨后许多学者认为植骨块不能成骨，甚至认为最终演变为纤维结缔组织，原因更多。有人认为椎体内植骨是在使用椎弓根螺钉的基础上，而脊柱的应力传递从上位螺钉经连接棒传导至下位螺钉，进而传导至下方正常的椎体，处于中央的伤椎在椎弓根螺钉的“保护”之下，无应力刺激，骨折愈合较为困难。与四肢骨折成骨的原理类似，脊柱骨折愈合是一个极其复杂的生物学修复过程，受到各种内在和外在因素的影响。研究表明，骨组织能够对应力刺激产生良好的应答反馈,骨折处各种力学环境能够引起局部成骨效应细胞的增殖、分化，增加细胞外基质的合成、分泌，因而，骨折愈合的好坏与其力学环境密切相关，不同的力学环境对骨折愈合的影响亦不相同。虽然对应力刺激骨折愈合的机制进行了大量研究，但详细的生物学机制尚不清楚^[24-33]。

力学环境是除患者年龄、激素、骨折端血运、损伤程度等体内外诸多因素之外的另一重要因素，由于骨组织对应力刺激具有良好的适应性，生物力学研究已表明骨折端局部的力学环境在骨折愈合过程中起着重要的调控作用^[34]。使用椎弓根螺钉固定后中央伤椎，尽管椎体内进行了植骨，但由于无上述重要的应力刺激，成骨过程不可避免受到影响。另外，椎体内部血供有其自身的特点，自椎体周围向中央，椎体骨折后，这些终末支血管极易受到损伤而断裂^[35]，加以椎体内植骨，更加破坏了这些血管，对植骨块的愈合亦产生影响。

影响脊柱各种植骨方法融合率的原因很多，另外，不同的疾病类型有其自身的特点，因此，影响其融合率的因素亦不尽相同^[36-40]。但植骨的数量，是影响植骨疗效的共同因素，不仅周围四肢骨折，脊柱各种类型的植骨均如此。

针对椎体内植骨，在现有的内固定器材原理下，伤椎所处的力学环境基本相似，血供因素亦难以控制，因而部分学者提出的椎体内缺损空腔的大小和植骨的数量是否充分是实验能够控制的决定椎体内植骨疗效的两个关键因素，实验设计了1 cm³和2 cm³椎体内空腔组，通过植入与缺损体积不同比例的自体松质骨，分析成骨演变的过程，了解上述两种因素的影响和作用。而本实验的结果提示空腔的大小对植骨的效果并无直接相关，植骨的数量是决定疗效的关键，只要相对空腔的大小植入足够数量的骨量，通过骨的爬行替代就能够达到足够的力学支撑。因此在临床上，为保证疗效，充分的植骨是必不可少的前提条件。

根据作者这次实验的结果，针对目前在临床上采用椎体内植骨的方法治疗胸腰椎骨折，即使伤椎外型接近正常，许多随访结果仍不满意的现状，结合此次实验的结果，分析其可能的原因，包括植骨中体位复位和器械复位不充分，椎体外型未恢复至接近正常；植骨没有达到或医生不敢做到丰富的椎体内支撑植骨；对伤椎复位后残留的椎体内空腔大小估计不足等。

决定胸腰椎骨折椎体内植骨组织爬行替代的因素

Factors critical for creeping substitution of intracorporeal grafting following thoracolumbar fractures

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