“椎骨错缝”大鼠模型的影像学研究

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陈博, 林勋, 张旻, 詹红生, 石印玉. “椎骨错缝”大鼠模型的影像学研究[J]. 浙江大学学报(医学版), 2015, 44(2): 117-123 复制到剪切板

CHEN Bo, LIN Xun, ZHANG Min, ZHAN Hong-sheng, SHI Yin-yu. Radiological study on rat lumbar vertebral semidislocation model[J]. Journal of Zhejiang University(Medical Sciences), 2015, 44(2): 117-123. 复制到剪切板

“椎骨错缝”大鼠模型的影像学研究

陈博^{1, 2}, 林勋^{1, 2}, 张旻^{1, 2}, 詹红生^{1, 2}, 石印玉^{1, 2}

1. 上海中医药大学附属曙光医院石氏伤科医学中心上海 201203 2. 上海市中医药研究院骨伤科研究所，上海 201203

收稿日期: 2014-11-09; 接受日期: 2015-02-16

基金项目: “中医骨伤科学”国家重点学科（100508）；国家自然科学基金（81202707、81473702、81001528）；上海领军人才项目（041）；上海市科委重点项目（14401970402、09dZ1973800）；上海高校“中医脊柱病损研究”创新团队建设项目（2009-26）.

第一作者: 陈博(1980-)，男，博士，助理研究员，主要从事中医药防治脊柱病的研究；E-mail: cbm818@126.com

通讯作者: 通讯作者：詹红生（1964-），男，博士，主任医师，教授，博士生导师，主要从事骨和关节退行性疾病的防治研究；E-mail: zhanhongsheng2010@163.com

摘要: 目的：利用腰椎X线摄片技术观察大鼠腰椎部分节段固定对椎间隙前、后径和棘突间距的影响。方法：120只体质量为350～450g的SPF级雄性SD大鼠随机分为单纯固定组、旋转固定组和假手术组。单纯固定组大鼠腰椎L₄-L₆节段植入椎体外部连接固定装置；旋转固定组大鼠则在此基础上于连接钢板和棘突钢板之间放置金属垫片，使L₅棘突向右侧旋转，造成L₅棘突与L₄和L₆棘突不共线；假手术组则只切开皮肤后缝合。造模1周、4周、8周和12周时大鼠腰椎X线摄片，测量各组固定节段椎间隙前、后径和棘突间距的距离。结果：造模4周后，单纯固定组固定节段L₃-L₄、L₄-L₅、L₅-L₆和L₆-S₁椎间隙前径分别为28.11±3.94、25.73±4.70、29.51±6.34和34.97±4.65像素；椎间隙后径分别为7.39±1.63、6.65±1.76、7.02±1.52和9.62±2.50像素；棘突间距分别为39.33±11.74、14.11±5.75、21.32±6.84和77.43±13.69像素，均小于假手术组(P<0.05)。造模8周及12周后，单纯固定组固定节段L₃-L₄、L₄-L₅、L₅-L₆和L₆-S₁椎间隙前、后径和棘突间距与假手术组相比继续减小(P<0.05)。旋转固定组与单纯固定组的测量结果一致，在造模4周、8周和12周后，其固定节段L₃-L₄、L₄-L₅、L₅-L₆和L₆-S₁椎间隙前、后径和棘突间距也均小于假手术组(P<0.05)。造模8周后，单纯固定组和旋转固定组腰椎固定节段出现了较明显的骨赘。结论：腰椎部分节段固定可造成椎间隙减小并导致骨赘形成。

关键词: 骨排列不齐腰椎椎骨骨赘疾病模型动物大鼠 Sprague-Dawley 放射摄影术

Radiological study on rat lumbar vertebral semidislocation model

CHEN Bo^{1, 2}, LIN Xun^{1, 2}, ZHANG Min^{1, 2}, ZHAN Hong-sheng^{1, 2}, SHI Yin-yu^{1, 2}

1.Shi's Center of Orthopedics and Traumatology, Shuguang Hospital Affiliated to Shanghai University of TCM, Shanghai 201203, China; 2.Institute of Traumatology & Orthopedics, Shanghai Academy of TCM, Shanghai 201203, China

Abstract:Objective： To investigate the impact of fixation in part lumbar segment on rat model with radiography. Methods： One hundred and twenty SPF male SD rats (350～450g) were randomly divided into simple fixation group (SF group), rotary fixation group (RF group) and sham-operation group (Sham group). The external link fixation system was implanted into the L₄-L₆ of SF group and RF group rats. In RF group, L₅ spinous process of rats was rotated to the right side, making the L₄, L₆ and L₅ spinous process not in a straight line. In SF group, the external link fixation system was implanted simply and not rotated. The anterior and posterior diameter in the intervertebral space and the distance between spinous processes were examined 1, 4, 8 and 12 weeks after fixation. Results： The anterior diameter in the intervertebral space between L₃-L₄, L₄-L₅, L₅-L₆, and L₆-S₁ of SF groups 4 weeks after fixation were 28.11±3.94, 25.73±4.70, 29.51±6.34 and 34.97±4.65 pixels; the posterior diameter were 7.39±1.63, 6.65±1.76, 7.02±1.52 and 9.62±2.50 pixels; the distance between spinous process were 39.33±11.74, 14.11±5.75, 21.32±6.84 and 77.43±13.69 pixels, the values were less than those in Sham groups (P<0.05). The anterior and posterior diameter in the intervertebral space and the distance between spinous process of SF groups 8 and 12 weeks after fixation continuously decreased compared with Sham group rats (P<0.05). The results of RF groups were consistent with the measurement of SF groups, the anterior and posterior diameter in the intervertebral space and the distance between spinous process of RF group rats were less than those in Sham groups 4, 8 and 12 weeks after fixation (P<0.05). Osteophyte formation was observed in SF and RF groups 8 weeks after fixation. Conclusion： The fixation in part lumbar segment can result in the decrease of intervertebral space and the formation of osteophytes.

Key words: Bone malalignment Lumbar vertebrae Spine Osteophyte Disease models, animal Rats, Sprague-Dawley Radiography

腰背痛是临床上的常见病和多发病，有近80%的人在其一生中会罹患此病^[1]。该病不仅给患者带来了痛苦，也会给社会造成极大的经济负担。WHO世界疾病负担研究报告显示，腰背痛是导致人们丧失工作能力的首要因素^[2]。由于其影响因素和临床表现的多样性及预后的不确定性，该病的生理病理学机制目前仍不清楚，学术界对此病缺乏统一的观点和认识^[3]，这就给该病的诊疗和研究带来极大的困扰。临床上我们常常能发现患者长期固定一个姿势工作，如久坐、久站以及长期低头看书看电脑，最终导致了颈椎病或腰背痛的发病。石氏伤科经过多年的临床实践发现，腰背痛与椎骨关节出现的固定及“椎骨错缝”现象密切相关^[4]；通过中医整复手法纠正椎骨关节的固定及“椎骨错缝”后，患者腰背部及下肢的放射性疼痛往往能得到一定程度的缓解。本实验建立腰椎“椎骨错缝”大鼠模型，观察并测量大鼠腰椎椎体固定后椎间关节的影像学变化，为进一步深入研究腰背痛的生理病理学机制打下基础。

1 材料与方法 1.1 实验动物、仪器及试剂

SPF级雄性SD大鼠120只，体质量350～450g，由上海中医药大学实验动物中心提供，许可证号：SCXK(沪)2008-0016。大鼠饲养室温度为22～26℃，每只单笼常规饲料饲养，自由进水。

Faxitron X-ray Model MX-20型X光机(美国Faxitron公司)；Specimen DR Radiography System V 3.0.0软件(美国Faxitron公司)；Adobe Photoshop CS₄软件(美国Adobe公司)；游标卡尺(上海精密仪器仪表有限公司)；椎体外部连接固定装置(上海浦卫医疗器械厂)；戊巴比妥钠(国药集团化学试剂有限公司，批号 WS_20051129)；硫酸庆大霉素注射液(上海中西制药有限公司，批号080303)；复方对乙酰氨基酚片(拜耳医药保健有限公司，批号1008013)。

1.2 大鼠 “椎骨错缝”模型的建立及分组

SD大鼠随机分为单纯固定组、旋转固定组和假手术组，每组各40只。单纯固定组和旋转固定组大鼠在其腰椎L₄～L₆节段植入椎体外部连接固定装置。在此基础上旋转固定组大鼠于连接钢板和棘突钢板之间放置金属垫片，以使L₅棘突向右侧旋转，造成L₅棘突与L₄和L₆棘突的不共线，以最大程度模拟“骨错缝、筋出槽”的生理病理学特征。假手术组大鼠不植入椎体外部连接固定装置，只切开后缝合。术后3d肌肉注射庆大霉素控制感染，大鼠饮水瓶中加入复方对乙酰氨基酚片缓解手术疼痛。

1.3 X线摄片方法与图像处理

各组大鼠分别在固定1周、4周、8周和12周后进行X线摄片，每次每组取10只大鼠，麻醉后将大鼠放入自制大鼠固定夹具中，以保证每只大鼠侧卧的角度一致。然后放入X光机内，将投射中心点对准待测大鼠的L₅棘突，拍摄大鼠腰椎固定节段侧卧位X线片。打开Specimen DR Radiography System V 3.0.0软件，X线曝光条件设定为管电压：31.00 kV，管电流：50.00 mA，曝光时间：10000 ms；镜头设定为Target ADU: 30000，放大倍数(Magnification)：1.0。拍摄后数据保存为BMP格式图像，导入Adobe Photoshop CS 4软件中，“缩放级别”调整为100%，执行菜单栏上的“分析>标尺工具”，将光标移至图像测量位置的起点处，单击并拖动鼠标至测量的终点处，测量结果显示在工具选项栏中，单位为像素。

1.4 椎间隙前径、后径和棘突间距的测量

每张图像测量腰椎L₃-L₄、L₄-L₅、L₅-L₆、L₆-S₁的椎间隙前径、后径和棘突间距。测量时做如下定义：以大鼠腹侧为前，大鼠背侧为后。椎间隙前径即大鼠相邻椎体关节面的前缘之间的最短距离，椎间隙后径即大鼠相邻椎体关节面的后缘之间的最短距离，棘突间隙即相邻棘突之间的最短距离。见图1。

图1 椎间隙及棘突间隙测量示意图 Fig.1 Illustration of the measurement of diameter in intervertebral space and spinous process distance

图选项

1.5 统计学处理

测量结果采用SPSS 17.0统计软件分析，数据采用均值±标准差($\bar{x}$±s)表示，计量资料组间比较采用方差分析，各组间的两两比较采用q检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果 2.1 各组模型大鼠腰椎固定不同时段X线摄片表现

固定1周时，单纯固定组和旋转固定组的腰椎X线片表现与假手术组差别不明显，单纯固定组和旋转固定组腰椎节段椎间隙和棘突间距有所缩小；固定4周时，单纯固定组和旋转固定组腰椎椎间隙和棘突间隙与假手术组相比有明显缩小，椎间隙边缘出现了骨质增生；固定8周时，单纯固定组和旋转固定组腰椎椎间隙和棘突间隙继续缩小，出现了较明显的骨赘，有些棘突面积扩大(图2)；固定12周时，部分单纯固定组和旋转固定组腰椎椎间隙和棘突间隙由于骨质增生而出现了消失的现象，部分椎体形成搭桥而连在一起，骨赘较为普遍。详见图3。

模型大鼠腰椎L₄～L₆节段植入椎体外部连接固定装置8周后骨赘形成明显(图中画圈处). 图2 大鼠腰椎造模节段骨赘形成示意图 Fig.2 Obvious osteophytes formation in lumbar vertebra of rat model

图选项

单纯固定组和旋转固定组大鼠腰椎固定节段椎间隙和棘突间距较假手术组缩小. 图3 各组模型大鼠固定不同时段腰椎X线摄片表现 Fig.3 The X-ray images of lumbar vertebra from 1 week to 12 weeks in three groups

图选项

2.2 各组模型大鼠腰椎固定不同时段各椎间隙前径比较

模型大鼠腰椎L₄～L₆节段植入椎体外部连接固定装置8周后骨赘形成明显(图中画圈处).

固定1周后，单纯固定组L₃-L₄、L₄-L₅ 和旋转固定组的L₃-L₄椎间隙前径小于假手术组(均P＜0.05)；固定4周后，单纯固定组和旋转固定组L₃-L₄、L₄-L₅、L₅-L₆和L₆-S₁椎间隙前径小于假手术组(均P＜0.05)；固定8周后，单纯固定组和旋转固定组L₃-L₄、L₄-L₅和L₅-L₆椎间隙前径小于假手术组(均P＜0.05)；固定12周，单纯固定组和旋转固定组L₃-L₄、L₄-L₅和L₅-L₆椎间隙前径小于假手术组(均P＜0.05)，且单纯固定组L₄-L₅椎间隙前径小于旋转固定组(均P＜0.05)。见表1。提示经过1周以上的固定，模型大鼠腰椎椎间隙前径比假手术组减小，而且到固定时间12周，椎间隙前径减小更明显。

表1 各组模型大鼠腰椎固定不同时段L₃～S₁各椎间隙前径比较 Table 1 The results of anterior diameter in the intervertebral space in three groups

(n=10,$\bar{x}$±s,像素)
组别	L₃-L₄				L₄-L₅
组别	1周	4周	8周	12周	1周	4周	8周	12周
单纯固定组	30.92±2.84^*	28.11±3.94^*	27.96±4.98^*	30.42±3.96^*	29.60±3.74^*	25.73±4.70^*	24.94±5.19^*	21.63±2.48^*^△
旋转固定组	31.39±3.01^*	26.67±2.30^*	26.63±4.90^*	30.91±5.02^*	32.04±3.81	27.00±3.90^*	26.57±3.27^*	26.08±3.14^*
假手术组	34.59±2.02	34.84±4.32	34.95±3.41	35.10±1.58	33.24±1.13	34.59±2.37	34.96±2.55	35.35±2.52
组别	L₅-L₆				L₆-S₁
组别	1周	4周	8周	12周	1周	4周	8周	12周
单纯固定组	31.74±3.38	29.51±6.34^*	29.09±5.28^*	24.17±4.36^*	39.16±7.03	34.97±4.65^*	36.01±8.15	37.90±6.72
旋转固定组	35.35±4.45	29.22±4.08^*	28.57±4.46^*	25.87±4.71^*	40.63±5.15	34.73±4.77^*	34.78±8.49	36.59±5.02
假手术组	34.92±2.57	35.42±3.18	35.67±3.59	35.69±3.17	38.52±2.82	39.39±3.98	39.47±2.43	40.69±3.48
^*与假手术组比较，P＜0.05；^△与旋转固定组比较，P＜0.05．

表选项

2.3 各组模型大鼠腰椎固定不同时段各椎间隙后径比较

固定1周后，旋转固定组L₄-L₅和L₆-S₁椎间隙后径大于假手术组(均P＜0.05)；固定4周后，单纯固定组和旋转固定组L₃-L₄、L₄-L₅、L₅-L₆和L₆-S₁椎间隙后径小于假手术组(均P＜0.05)；固定8周后，单纯固定组和旋转固定组L₃-L₄、L₄-L₅、L₅-L₆和L₆-S₁椎间隙后径小于假手术组(均P＜0.05)；固定12周后，单纯固定组和旋转固定组L₃-L₄、L₄-L₅、L₅-L₆和L₆-S₁椎间隙后径小于假手术组(均P＜0.05)。见表2。提示经过4周以上的固定，模型大鼠腰椎椎间隙后径比假手术组减小，而且到固定时间12周，椎间隙后径减小更明显。

表2 各组模型大鼠腰椎固定不同时段L₃～S₁各椎间隙后径比较 Table 2 The results of posterior diameter in the intervertebral space in three groups

(n=10,$\bar{x}$±s,像素)
组别	L₃-L₄				L₄-L₅
组别	1周	4周	8周	12周	1周	4周	8周	12周
单纯固定组	10.39±1.07	7.39±1.63^*	7.27±2.01^*	6.79±1.88^*	10.80±2.12	6.65±1.76^*	4.35±1.89^*	3.03±1.06^*
旋转固定组	10.83±1.43	7.28±1.42^*	7.07±2.81^*	7.04±1.55^*	12.21±1.39^*	6.29±1.50^*	5.25±2.60^*	3.46±2.14^*
假手术组	10.53±1.86	10.81±1.03	10.82±1.13	10.91±1.09	10.17±1.62	10.90±1.52	11.01±1.49	11.71±1.25
组别	L₅-L₆				L₆-S₁
组别	1周	4周	8周	12周	1周	4周	8周	12周
单纯固定组	10.84±1.53	7.02±1.52^*	6.36±3.21^*	3.77±1.76^*	14.20±1.69	9.62±2.50^*	10.10±4.58^*	9.77±2.31^*
旋转固定组	12.21±1.98	7.22±0.98^*	6.16±3.45^*	2.85±2.08^*	14.72±2.23^*	9.80±1.73^*	9.96±2.60^*	9.61±1.90^*
假手术组	11.61±1.57	13.02±1.79	13.03±1.93	14.10±2.38	12.65±1.11	13.95±2.22	14.06±2.05	14.36±1.50
^*与假手术组比较，P＜0.05；

表选项

2.4 各组模型大鼠腰椎固定不同时段各棘突间距比较

固定1周后，单纯固定组和旋转固定组L₄-L₅、L₅-L₆和L₆-S₁ 的棘突间距小于假手术组(均P＜0.05)，单纯固定组L₄-L₅棘突间距大于旋转固定组(均P＜0.05)；固定4周后，单纯固定组和旋转固定组L₃-L₄、L₄-L₅和L₅-L₆及单纯固定组L₆-S₁棘突间距小于假手术组(均P＜0.05)，且单纯固定组L₃-L₄棘突间距小于旋转固定组(P＜0.05)；固定8周后，单纯固定组和旋转固定组L₃-L₄、L₄-L₅和L₅-L₆棘突间距小于假手术组(均P＜0.05)；固定12周后，单纯固定组和旋转固定组L₃-L₄、L₄-L₅、L₅-L₆和L₆-S₁棘突间距小于假手术组(均P＜0.05)，且单纯固定组L₄-L₅和L₅-L₆棘突间距小于旋转固定组(均P＜0.05)。见表3。提示经过1周以上的固定，模型大鼠腰椎棘突间距比假手术组减小，而且到固定时间12周，棘突间距减小更明显，特别是在直接固定的节段如L₄-L₅和L₅-L₆。

表3 各组模型大鼠腰椎固定不同时段L₃～S₁各棘突间距比较 Table 3 The results of distance between spinous processes in three groups

(n=10,$\bar{x}$±s,像素)
组别	L₃-L₄				L₄-L₅
组别	1周	4周	8周	12周	1周	4周	8周	12周
单纯固定组	71.96±7.64	39.33±11.74^*△	51.33±12.57^*	49.32±11.92^*	74.65±15.48^*△	14.11±5.75^*	13.91±6.08^*	13.89±3.83^*△
旋转固定组	66.40±16.24	50.23±12.88^*	45.68±9.56^*	54.58±10.43^*	53.65±9.49^*	20.99±10.04^*	20.33±9.89^*	20.32±6.45^*
假手术组	75.84±8.91	78.14±10.05	87.51±6.95	91.89±8.05	79.18±4.39	79.71±8.74	90.62±6.40	91.01±5.74

组别	L₅-L₆				L₆-S₁
组别	1周	4周	8周	12周	1周	4周	8周	12周
单纯固定组	61.20±8.22^*	21.32±6.84^*	14.23±10.49^*	13.42±7.63^*△	77.82±13.65^*	77.43±13.69^*	93.99±22.17	99.60±21.21^*
旋转固定组	60.24±11.51^*	26.97±4.13^*	23.83±10.05^*	23.82±5.24^*	69.99±11.56^*	85.57±17.81	86.52±20.64	86.53±15.91^*
假手术组	82.05±8.54	87.57±9.53	92.23±13.21	105.39±8.32	92.19±7.98	96.01±11.20	100.45±14.95	119.20±11.38
^*与假手术组比较，P＜0.05；^△与旋转固定组比较，P＜0.05．

表选项

3 讨论

运用影像学技术摄片并进行测量是骨科医生较为常用的研究方法。对患者的X线摄片进行测量时，可以用直尺或软件标尺直接测量图片的实际距离或在此基础上进行转换和计算，利用比值或指数等来表示距离的长短或椎体偏歪的程度^[6]。本研究采用了橱柜式X线机，其球管和镜头都是固定的，放大倍数均设为1.0，确保了球管投照距离的一致性。大鼠摄片时均使用大鼠固定夹具并采取固定的侧卧位姿势，而且各组大鼠体质量无明显差异，因此直接测量法能够保证测试结果的准确性和可靠性。

从本研究结果可以看出，经过4周以上的固定，单纯固定和旋转固定组大鼠造模节段椎间隙前、后径和棘突间距较假手术组有所减小，且随固定时间的延长，椎间隙前、后径和棘突间距逐步缩小，特别是在直接固定的节段如L₄-L₅和L₅-L₆，这种间距的缩小更为明显。而假手术组大鼠椎间隙前、后径和棘突间距随着时间的延长而逐步变大。结合X线片，模型组大鼠造模节段椎间隙前、后径和棘突间距长度的缩小可能是由两个原因造成的：一是椎体关节的固定所导致的，尤其在造模的前期更为明显；二是造模8周时，椎体出现了骨赘，椎体关节的骨质增生进一步导致了长度减小。石氏伤科理论的“骨错缝、筋出槽”病理机制学说认为，脊柱病的发病常与脊柱关节出现“骨错缝、筋出槽”有关，当脊柱关节出现“椎骨错缝”后，筋伤、气损、血溢，继而气血不通，筋骨失和，反之气血不通、筋骨失和又进一步加重“骨错缝、筋出槽”，形成恶性循环，使慢性脊柱病损愈加沉重^[7]。结合本研究结果可见，随着固定时间的延长，椎体关节逐渐移位并出现了细微的错缝，椎间隙与正常椎体相比进一步减小。我们另外的实验已经证实，在固定4周和8周时，模型组大鼠的血黏度高于假手术组大鼠^[8]，印证“椎骨错缝”可导致气血不通和血脉瘀阻。特别固定8周左右，椎体关节出现了骨质增生和骨赘形成。骨赘的形成往往与异常应力有关^[9]，我们前期通过三维有限元模型分析发现，“椎骨错缝”产生的微小位移足可以引起椎体在正常载荷下的异常应变和形变，不仅会对相邻节段的椎间盘和关节突关节产生明显应力，而且会对周围的神经、血管产生机械性压迫刺激，从而导致病情的加重^[10]。

本研究结合前期的研究结果提示，脊椎关节的固定会引起椎体的移位，即“椎骨错缝”，而“椎骨错缝”则会进一步导致血脉瘀阻和异常应力下的骨赘形成，从而最终导致脊柱病的发病和相关症状的产生。因此，如何依据“骨错缝、筋出槽”病理机制学说，临床纠正脊柱关节的“椎骨错缝”，使骨回原位、筋归常道从而缓解腰背疼痛就成为一个值得重视的问题。

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http://dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-9292.2015.03.001

文章信息

陈博, 林勋, 张旻, 詹红生, 石印玉

CHEN Bo, LIN Xun, ZHANG Min, ZHAN Hong-sheng, SHI Yin-yu

“椎骨错缝”大鼠模型的影像学研究

Radiological study on rat lumbar vertebral semidislocation model

浙江大学学报(医学版), 2015, 44(2): 117-123

Journal of Zhejiang University(Medical Sciences), 2015, 44(2): 117-123.

http://dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-9292.2015.03.001

收稿日期: 2014-11-09

接受日期: 2015-02-16

基金项目: “中医骨伤科学”国家重点学科（100508）；国家自然科学基金（81202707、81473702、81001528）；上海领军人才项目（041）；上海市科委重点项目（14401970402、09dZ1973800）；上海高校“中医脊柱病损研究”创新团队建设项目（2009-26）

第一作者:陈博(1980-)，男，博士，助理研究员，主要从事中医药防治脊柱病的研究；E-mail: cbm818@126.com

通讯作者:詹红生（1964-），男，博士，主任医师，教授，博士生导师，主要从事骨和关节退行性疾病的防治研究；E-mail: zhanhongsheng2010@163.com

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