大鼠尾椎椎间盘退变模型的建立及磁共振检查

孙春光 周其佳 孙月柏 董启榕

1.江苏省阜宁县人民医院骨科，江苏阜宁224400;2.苏州大学附属第二医院骨科，江苏苏州215004

大鼠尾椎椎间盘退变模型的建立及磁共振检查

孙春光1周其佳1孙月柏1董启榕2▲

1.江苏省阜宁县人民医院骨科，江苏阜宁224400;2.苏州大学附属第二医院骨科，江苏苏州215004

目的通过建立一种新的大鼠尾椎椎间盘退变模型并在磁共振成像(MRI)下进行观察。方法随机抽取20只SD大鼠，分为实验组和对照组，每组各10只。手术方法以尾椎C5和C6椎体为中心，分别钻入两枚交叉克氏针，以定制碳纤维环固定于交叉克氏针上，通过碳纤维棒的弹簧加压。对照组手术方法同前，区别在于通过碳纤维棒的弹簧不加压。于术后2个月行MRI检查。结果实验组加压椎体间椎间盘变小，椎体弯曲。对照组T2信号值仅轻度改变，而实验组T2信号值明显降低［(502.89±12.93)比(334.57±27.09)，t=9.712，P＜0.05］。结论椎体加压模型可成功复制静态压力所致椎间盘退变，为深入研究椎间盘退变分子机制及力学信号传导提供基础。

动物模型;大鼠;椎间盘退变;磁共振成像

椎间盘退变所致腰腿痛是严重影响人们健康生活的常见病与多发病［1］。到目前为止，还没有发现能够针对发病原因的治疗，临床上主要以缓解症状为主。所以成功复制一种能够高度模仿持续缓慢积累性椎间盘退变的模型并深入研究该病发病分子机制及力学信号传导很有必要。本实验建立通过外部装置持续静态压力致椎间盘退变的模型，该模型能够模仿人长期弯腰缓慢积累所致椎间盘退变，并定期在核磁共振检查下验证椎间盘信号的改变。现报道如下:

1 资料与方法

1.1 实验动物及分组

SD大鼠20只，由苏州大学实验动物中心提供，雌性，体重(300±50)g，平均3月龄(骨性成熟)。筛选标准:经影像学(DR、MRI)检查无尾椎椎间盘病变的健康鼠。随机分为实验组和对照组，每组各10只。按标准饲养条件下单笼饲养［苏州大学附属第二医院实验动物中心(以下简称“我中心”)SD大鼠饲养室，标准喂养，室温25℃］。

1.2 主要实验设备及仪器

动物解剖器械，骨科手术电钻，0.8 mm无菌克氏针(康辉公司)，定制纤维环、棒和螺帽，定制弹簧，游标卡尺，1.5T超导型磁共振扫描仪(飞利浦公司)。

1.3 模型的建立

术前实验动物标准饲养1个月。采用3.6%水合氯醛(我中心提供)，10mL/kg腹腔注射麻醉，麻醉成功后，将SD大鼠仰卧位置于操作台上，固定四肢，尾部消毒铺巾。术者根据大鼠尾部体表标记确定C5、C6，分别于椎体中间部位左右倾斜45°交叉钻入直径0.8mm克氏针两枚，注意避开尾动静脉血管。相继固定碳纤维环于交叉克氏针上，套入碳纤维棒及弹簧。实验组给予弹簧螺帽固定加压，压缩4枚弹簧均为10 mm/kg体重(模拟大鼠直立行走时腰椎所承受的自身体重)，弹簧压缩长度由游标卡尺控制;对照组对弹簧不加压。见图1。术后两组动物单笼饲养，青霉素20万U肌注3 d，并予75%酒精针孔滴注，预防感染。如有感染者剔除。

图1 SD大鼠尾椎加压模型照片

1.4 核磁共振检查

两组动物术后2个月，随机抽取3只采用飞利浦公司1.5T超导型核磁共振扫描检查。了解脊柱尾椎组织形态变化及磁共振反映椎间盘的信号变化。术后2个月时检查结果由不同影像科医师随机单盲阅读并提出，运用计算机影像阅读分析系统分析成像结果，提取C5～C6整个椎间盘和其内呈高信号区域信号值。图像随机选择，选中的每幅图像均执行3次反复测量。

1.5 统计学方法

采用统计软件SPSS 13.0对实验数据进行分析，计量资料数据以均数±标准差()表示，采用t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

所有大鼠术后均成活，未发生明显感染。对照组尾椎椎体排列有序，轻微前凸，未出现椎体侧弯及后突畸形，椎间盘高度未见明显降低;T2信号椎间盘呈高信号，椎体周围韧带清晰，在椎间盘部位未出现压迹(图2a)。实验组在术后2个月时，C5～C6椎间盘T2信号呈低强度改变，与对照组比较明显降低。椎体周围纤维环弯曲变形，椎间盘部位出现压迹(图2b)。实验组与对照组均于术后2个月进行手术节段(C5～C6)椎间盘T2信号值的比较，由资深放射科医生指导测量感兴趣的区域(region of interest，ROI)(图3)，两组比较差异有统计学意义(P＜0.05，表1)。同时对实验组和对照组上节段(C4～C5)椎间盘和下节段(C6～C7)椎间盘T2信号值进行相应比较，实验组和对照组上、下相邻节段之间比较差异无统计学意义(P＞0.05，表1)。

图2 对照组与实验组矢状位MRI的T2像

图3 计算机银屏俘获图

表1 实验组与对照组各节段椎间盘髓核矢状MRI的T2加权像信号值比较()

表1 实验组与对照组各节段椎间盘髓核矢状MRI的T2加权像信号值比较()

组别上节段( C4～C5)手术节段( C5～C6)下节段( C6～C7)实验组对照组t值P值5 1 4 . 1 2 ± 8 . 9 7 5 4 0 . 1 0 ± 1 4 . 4 2 2 . 6 5 0＞0 . 0 5 3 3 4 . 5 7 ± 2 7 . 0 9 5 0 2 . 8 9 ± 1 2 . 9 3 9 . 7 1 2＜0 . 0 5 6 6 8 . 5 8 ± 8 . 9 0 6 8 2 . 6 0 ± 1 2 . 4 6 1 . 5 8 6＞0 . 0 5

3 讨论

椎间盘退变是人类机体老化过程中不可避免的退行性改变，不恰当的生活工作习惯常常导致椎间盘突出，出现腰腿痛等一系列临床症状。椎间盘退变病因复杂，可能与遗传、超重负荷、营养状况、激素水平等都有密切关系［2-5］。长期过度的机械负荷直接诱发组织结构重塑，从而损害组织基质中蛋白质和酶在合成过程中机械力学发生的改变［6］。椎间盘退变往往以髓核、纤维环及软骨终板的组成成分变化为基础，诸如髓核组织含水量下降和黏弹性降低、纤维环胶原变性、细胞外基质合成与降解失衡等［7］，使椎体间发生异常性生物力学改变，导致椎体间力学性能退化，从而造成椎间盘组织可复性下降，椎间盘传递应力集中，软骨终板及纤维环出现裂隙甚至破裂。当椎间盘的压力骤然增加及纤维环进一步损坏时，椎间盘组织突出引起临床症状。

本实验通过给予大鼠尾椎椎间盘施加持续静态应力，改变椎体间生物力学，间接造成椎间盘慢性损伤性退变［8］，从而建立外部装置产生动力轴向静态加压模型。椎间盘退变实验研究需寻找合适动物，建立模型为实验提供基础平台，这样可以最大程度节省人力、物力，并提高实验可重复性［9］。大鼠椎间盘解剖结构及生化组成与人类十分相似，并且与大型动物(牛、羊、猪等)相比，具有廉价、易饲养、适合重复实验等优点［10］。故本实验选择大鼠作为实验动物。目前建立椎间盘退变动物模型的方法很多，如用纤细针头穿刺破坏椎间盘周围纤维环;经过椎体损伤椎间盘的软骨终板;向髓核内注射降解酶(透明质酸酶、木瓜凝乳酶等)消融髓核;通过改变脊柱生物力线，间接地造成椎间盘损伤等［11-14］，但都存在各种各样的不足和缺陷［15］。异常的生物力学因素特别是持续反复的应力集中在椎间盘退变过程中发挥至关重要的作用。人体直立行走或弯腰姿势，脊柱特别是下腰椎承受巨大应力。长期过量负荷、慢性劳损会导致椎间盘脱水、变性，从而发生退变甚至突出。熊蠡茗等［16］通过建立可控轴向压力诱发的兔椎间盘退变模型可以高效诱发椎间盘退变，尤其在轻、中度椎间盘退变方面具有优势。本实验中大鼠尾椎通过弹簧施加大鼠自身一倍体重的压力，高度模仿人椎间盘长期缓慢累积性损伤，其椎间盘组织的应力水平上升，就可导致或加速椎间盘的退变进程。因此，作为直立动物的人与爬行动物的大鼠的椎体受到生物力学的异常改变后，均可直接或间接作用于椎间盘而发生退变。

本实验应用核磁共振成像技术检测椎间盘退变情况。MRI对诊断椎间盘退变具有高度的特异性和敏感性，已经广泛应用于临床工作中。MRI成像具有多参数、多方位、多序列以及软组织分辨力高的特点，常常用于对椎间盘退行性疾病的评估，被认为是评价髓核、纤维环生化状态的好方法［17-20］。磁共振检查有定性和定量两种方法，目前MRI定量技术主要是测量椎间盘ROI的各种磁共振成像参数(如T2弛豫时间、Tlrho、MTR以及表观弥散系数值等)或信号强度值，提供并反映ROI的组织代谢和生物化学特性［21-25］。该检测方法能够在椎间盘发生形态改变之前反映组织学改变，是量化分析椎间盘退变程度的新方法。有研究表明以表观弥散系数=1.05×10-3mm2/s作为评价椎间盘状态定量指标，其灵敏度为73.48%，特异度为75.30%［26］。T2值能够准确反映组织的固有特性，是一种定量的客观指标。增加组织水分或蛋白聚糖的浓度可使T2值升高，而增加胶原蛋白含量或破坏椎间盘结构完整性可使T2值降低。另外，日常活动也可以对椎间盘T2值造成影响。髓核组织的T2值决定其信号强度，水分含量高的组织T2值强，MRI表现为高信号。Chatanl等［27］对羊离体椎间盘组织T2值与其含水量的相关分析中显示，信号强度在组织含水量＞75%时随含水量变化而变化，两者正相关。Watanabe等［28］发现T2信号值降低与退变椎间盘髓核内水含量减少有关，能够在椎间盘退变前较早发现椎间盘变性。Marinelli等［29］测量14头小牛和5具尸体椎间盘组织的T2弛豫时间、水和蛋白聚糖含量，发现髓核和纤维环的水含量与T2弛豫时间密切相关，而蛋白聚糖的含量与其无明显相关性。牛刚等［30］认为椎间盘纤维环T2值不易评价早期椎间盘退变，髓核T2值能更好反映椎间盘退变各分级间的差异，且有很好的相关性。故本实验MRI检查采用髓核为考察对象，发现正常未退变髓核信号均匀，与纤维环分界清楚，在T2像上表现为高信号，表明水分含量高。实验组在加压2个月出现T2像的信号减低，而T2像低信号的意义主要在于反映椎间盘水分丢失＞75%。信号降低变化比形态结构异常出现提早，对临床上早期发现椎间盘退变具有重要指导意义。MRI观察加压后的实验组发现，髓核T2像信号普遍降低，椎间盘髓核紧缩变小甚至消失，出现真空状态。与此同时，椎间盘周围纤维环弯曲、椎间盘压迹明显、外移及椎间隙变得狭窄，这些现象表明椎间盘纤维环机械强度下降、髓核退变外突，继而椎间盘高度下降，椎间盘退变的病理生理改变逐步发生、发展。由本实验可见，磁共振在椎间盘退变的初始阶段就能发现异常变化，并且能够精准反映退变椎间盘的形态变化，是诊断早期椎间盘退变的可靠方法。该实验所采用的大鼠尾椎间盘退变模型能够较早地反映椎间盘退变，并为后续开展可付诸实施的实验研究［31］提供一个基础平台。

然而这种方法仍有不足之处:①分析信号强度的基础只是从某一平面上，而不是整个椎间盘的立体三维结构;②是一种无信号量化的不连续分级模式;③使用相邻组织的非标准内部控制，或使用不明成分阻止信号校准以补偿系统的变化。

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Rat model establish and magnetic resonance imaging findings of experimental tail intervertebral disc degenerative

SUN Chunguang1ZHOUQijia1SUN Yuebai1DONG Qirong2▲

1.Department of Orthopaedics,the People＇s Hospital of Funing County,Jiangsu Province,Funing 224400,China;2.Department of Orthopaedics,the Second Hospital Affiliated to Soochow University,Jiangsu Province,Suzhou 215004, China

ObjectiveTo establish a new model of rat tail intervertebral disc degeneration for observation under magnetic resonance imaging(MRI).Methods 20 SD rats were randomized into experimental group and control group,each group had 10 rats.The center of caudal C5and C6vertebrae were drilled into two cross-Kirschner wires respectively to fixed on the carbon fibrous rings,and the springs through carbon fiber rods made pressure.In control group,the same way as before,only the springs through carbon fiber rods were not pressurized.All of the rats were examined by MRI two months after the operation respectively.ResultsThe intervertebral discs were pressured smaller and vertebral bodies were bent.Control group only slight changed in T2 signal,while experimental group decreased significantly in T2 signal［(502.89±12.93)vs(334.57±27.09),t=9.712,P＜0.05］.ConclusionVertebral compression model of rat tail intervertebral disc induces the progressive degeneration of the intervertebral disc by static pressure,the cope of model provides a basis for further research on molecular mechanism of intervertebral disc degeneration and mechanical signal transduction.

Animal model;Rat;Intervertebral disc degenerative;Magnetic resonance imaging

R681.5

A

1673-7210(2015)03(a)-0029-04

2014-12-01本文编辑:卫轲)