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【学术园地】同种异体骨椎间融合器的研究进展及临床应用现状
  • 来源:亚朋生物
  • 发布时间:2017-07-12
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脊柱退行性疾病,尤其是颈椎、腰椎退行性疾病,是中老年人群常见病、多发病,近年发病率逐年上升,并呈现年轻化趋势。脊柱融合术安全可靠,已成为治疗此类疾病的常用方法,包括前路融合、后路椎间融合、小关节融合、椎板间融合等术式。椎间融合器是一种新兴的融合椎体方法,旨在解除神经压迫、恢复椎间孔高度和脊椎正常生理曲度。椎间融合器术后即可提供早期的前柱稳定性,为椎间成骨创造良好的生物力学条件,因而能显著提高椎间融合率,同时减少并发症。目前已有多种材质、不同结构的椎间融合器应用于颈腰椎不稳定、滑脱和椎间盘疾病等保守治疗无效者,获得广泛认可。其中同种异体骨椎间融合器以其良好的成骨活性和临床疗效得到了越来越多关注。现将同种异体骨椎间融合器的研究进展及临床应用现状作一综述。
椎间融合器发展简介
Badgy和Kuslich最早设计出适用于人体的椎间融合器,即BAK(BagbyandKuslich)系统,并用于治疗退变性下腰痛。在该融合器中填充自体骨后植入椎间隙,再辅以钢板或椎弓根钉固定,能维持椎间隙高度、恢复前中柱支撑、增加椎间孔容量、解除神经根受压,并减少了椎间隙塌陷及假关节形成。此后,随着脊柱生物力学的发展和椎间融合术的广泛应用,颈椎、腰椎椎间融合器发展迅速,种类日益繁多。
现有的椎间融合器材料类型包括钛合金、碳纤维、聚醚醚酮(PEEK)、可吸收生物材料等。由于材料本身性能所限,制备的椎间融合器均存在各自弊端。钛合金的弹性模量远大于人骨,植入后会产生应力遮挡,影响成骨。Wang等回顾了64例使用钛合金BAK融合器的前路颈椎融合患者临床资料,发现随时间推移椎间高度逐渐丢失,9例患者出现融合器下沉,2例患者甚至需再次手术。
可见,就长期保持椎间隙高度和脊柱生理弯曲而言,钛合金BAK融合器不是一理想选择。另外,有研究表明在骨质疏松患者中,金属融合器更容易发生下沉,可能加剧神经压迫症状。碳纤维弹性模量更接近正常骨组织,但生物相容性差,长期使用会产生小碎屑,引发无菌性炎症。可吸收生物材料融合器多由聚乳酸制成,其降解产物会造成局部酸性环境,不利于成骨。
此外,可吸收生物材料的吸收时间与人体成骨时间常不匹配,容易在椎体达到骨性融合前失效,导致椎间隙下降。PEEK材料机械强度高、惰性高、生物相容性好、加工方式灵活,是目前临床应用最广泛的椎间融合器材料。但其作为一种聚合材料,本身不可吸收,只能作为一种异物存在于椎间隙中,占据了正常骨组织融合所需空间,可能会影响融合速度和力学强度。Lee等观察了使用PEEK融合器行后路腰椎融合术的49个融合节段,结果提示PEEK融合器术后形成稳固融合的时间较晚。由于上述材料的不足,临床上需要一种强度与骨接近,并具有良好骨传导性和骨诱导性的椎间融合器。因此,同种异体骨椎间融合器得到了越来越多关注。
同种异体骨椎间融合器的原理和发展
1908年Axhausen提出了“爬行替代”理论并沿用至今,认为移植骨块具备成骨活性,能为新骨形成提供成骨环境和支架作用,新生骨组织可沿其表面生长,同时移植骨块逐渐降解并被新骨完全替代。临床上使用的同种异体骨包括松质骨和皮质骨,均具有天然三维网孔结构,富含成骨所需的各种生长因子,兼具骨传导和骨诱导优势,可被爬行替代。单纯松质骨行椎间植骨的融合率在46%~90%之间,且术后易发生椎间隙下降,需要前路钢板或后路椎弓根钉等内固定物提供额外的生物力学支持。同种异体皮质骨制成的椎间融合器在保留良好成骨能力同时,可提供前柱轴向支撑,避免椎间隙下降,国外已有使用同种异体股骨环治疗下腰痛的研究报道,均取得了良好疗效。
同种异体骨椎间融合器的生物力学原理
同种异体骨通常在供体死亡24h内获取,并立即加工,采用新鲜冷冻或冷冻干燥保存。同种异体骨移植后主要通过骨传导和骨诱导促进移植部位形成新骨,并且移植骨逐渐降解直至被新骨完全替代。免疫排斥反应是同种异体骨存活的主要障碍,经冷冻处理后骨的抗原性降低,可大大降低免疫排斥反应发生率。目前推荐使用深低温(—80℃)保存,在此温度下,酶的活性基本消失,对降低免疫原性有一定作用,且力学强度保持不变,可使同种异体骨保存数年。
椎间融合器的力学稳定性主要来源于撑开-压缩效应和界面负荷均分作用。植入椎间融合器后,撑开力使融合节段周围的软组织处于持续张力状态,融合节段和融合器达到三维超静力学固定,获得抗剪切、旋转效应,发挥自稳作用,因此椎间融合器可为脊柱提供即刻和早期的融合稳定性。此外,椎间融合器具有解剖学支架作用,即通过恢复椎间隙高度,重建脊柱前中柱的力学和解剖学稳定性,恢复并维持脊柱的生理弯曲,扩大椎间孔,缓解神经根受压。
早期的环状同种异体骨椎间融合器
早期的同种异体骨椎间融合器,只是采用同种异体腓骨、股骨等长骨简单加工后形成的环状融合器。Liljenqvist等报道了41例患者使用同种异体股骨环椎间融合平均随访30.6个月的结果,平均融合率高达95%,平均融合时间为8.7个月。Janssen等使用同种异体股骨环治疗137例患者,并平均随访18个月,94%患者获牢固融合。他们认为同种异体骨可提供满意的生物学环境。
但由于股骨环的形状和大小所限,其只能用于前路椎间融合术,且多用于腰椎。同种异体腓骨环则常用于颈椎前路融合,也有学者将多个同种异体腓骨环联合用于腰椎后路融合。Slosar等在同种异体腓骨环内填充含BMP-2的自体骨,用于椎间盘退变、椎体滑脱和退行性脊柱侧弯患者的前路腰椎融合术,所有患者(45例/103个节段)均在术后6个月达椎间融合,且无严重并发症发生。
由于自体髂骨具有良好的成骨活性,其获得的融合率和临床疗效被视作评价椎间融合术的金标准,因此与自体髂骨比较的结果对临床工作有重要的参考价值。一项半随机的前瞻性对照研究中,在前路颈椎融合术中分别使用同种异体腓骨环和自体髂骨,虽然腓骨环的椎间融合较自体髂骨延迟(6个月时腓骨环融合率为63.1%,而自体髂骨达到了89.2%),但二者在24个月时融合率相当,融合器下降发生率也无差别。
因此在前路颈椎融合术中,同种异体腓骨环是一种替代自体髂骨的合适选择。上述同种异体骨椎间融合器由于未采用适合椎间隙解剖形状的设计,与终板接触面小,易因应力集中而切割终板,导致融合器下降或退出、假关节形成等并发症增多;同种异体骨环根据天然材料加工而成,存在规格不规范、力学强度差异大、尺寸常过大或过小、天然外形不便把持操作等问题,难以满足外科手术的规范化操作需求,尤其不能适应脊柱外科微创化发展的趋势。
解剖型同种异体骨椎间融合器
针对简单腓骨环、股骨环的不足,符合椎间隙解剖学特点的同种异体骨椎间融合器逐渐应用于椎间融合术。此类融合器的主要设计特点包括:上下表面有一定的凸起弧度,与终板略凹陷的解剖外观相吻合;与椎体终板相接触部分粗糙或为锯齿状,增加了与终板的接触面积,且不易向后方脱出;部分融合器设计制作中还考虑到了颈椎、腰椎的前凸角;形成外形规范和规格齐全的系列产品,配备了专用器械。
经过精细加工的同种异体骨椎间融合器在临床上取得了良好效果。Barnes等和Arnold等分别报道了一种用于后路融合术的同种异体骨椎间融合器,该融合器由上下两片皮质骨拼接制成,上下表面有齿状凸起,植入时需将2枚融合器平行植入椎间隙。在一项多中心的前瞻性研究中,解剖型同种异体骨椎间融合器的临床效果在与PEEK融合器的对照研究中得到了肯定,其融合率为95.2%,患者Oswestry功能障碍指数显著改善,与PEEK融合器比较无明显差异,椎间隙无明显下降,未发生椎体滑脱、内固定物松动等严重并发症。另有一项循证研究也证实了解剖型同种异体骨椎间融合器与PEEK融合器有相同的融合率和临床效果。
解剖型同种异体骨椎间融合器是将皮质骨切割塑型后拼接而成,外形可根据需要设计加工。因此其应用范围不受原材料尺寸和外观的限制,使有限的同种异体骨原材料得到了最大限度的利用。有研究将一种股骨皮质骨制成的解剖型椎间融合器用于前路颈椎融合术,并与腓骨皮质骨来源的融合器比较,经12个月随访,虽然疼痛视觉模拟评分(VAS)、颈椎功能障碍指数(NDI)无明显差异,但股骨融合器比腓骨融合器更早形成融合,同时股骨融合器出现沉降的情况略少于腓骨融合器;此外,CT检查发现股骨和腓骨融合器均有不同比例的形态改变(骨折或碎裂),发生率分别为10.8%和53.2%。
由于PEEK、碳纤维等融合器极少碎裂,同种异体骨椎间融合器发生碎裂的情况值得关注。股骨融合器发生碎裂较少的原因可能是:股骨、腓骨密度相同,但股骨的强度指数比腓骨大;股骨皮质骨更厚,抗压强度大。当然,这一状况也可能是同种异体骨被吸收、新骨形成过程中的正常现象。虽然该报道中融合率令人满意,也未出现严重并发症,但随着随访时间延长是否会出现远期并发症,值得进一步观察和研究。
同种异体骨椎间融合器的临床应用
适应证
同种异体骨椎间融合器适用于几乎全部传统金属或人工合成材料的融合器使用范畴。以颈椎间融合器为例:颈椎间融合器临床应用报道的适应证为保守治疗无效的神经根型颈椎病、退变性颈椎节段性不稳、非多节段受压(3节段以上)的脊髓型颈椎病等。在禁忌证方面,Harcker等强调,当患者存在骨质疏松症时,同种异体骨椎间融合器与其他材料融合器一样容易发生下降,因此不适用于重度骨质疏松患者。此外,椎间融合器的设计源于撑开-压缩效应,椎体外伤性骨折脱位破坏了相应的韧带和纤维环组织,亦不能被列为手术适应证。
椎间融合器中的充填物
椎间融合术中常将椎间减压操作时取出的自体松质骨充填于融合器内,自体骨良好的免疫相容性和促成骨作用有利于骨融合。自体骨不足时则广泛采用同种异体松质骨填充,并常使用重组人BMP-2促进融合。不少研究者认为BMP-2可使融合率达100%,但同时发现早期并发症增多,主要是骨吸收或一过性椎间隙下降。考虑到VAS评分和融合率无差别,有研究者认为骨吸收应被视作融合的过程而不是并发症。
临床融合的评判
传统金属类椎间融合器术后判断融合十分困难。由于X线不能透过金属且会在金属周围形成伪影,X线片上不能直接显示融合器内部及周围骨小梁的生长连接,因此难以从影像学上判断是否实现了椎体间融合。而同种异体骨融合器不会明显遮挡X线,在影像学判断上具有显著优势。一般来说,X线片显示椎间出现新生骨小梁连接即可认为已融合。新生骨小梁连接至少代表了椎节间的功能性稳定,融合器内的骨性纤维连接或锁卡可能提供了这种稳定。此外,患者无痛、椎节无活动,也可作为判定骨性融合的依据。
小结
同种异体骨椎间融合器的优点可简单概括为以下五点:①融合器结构更符合正常椎间隙形态;②弹性模量接近正常人体骨骼;③对影像学检查影响小;④可完全吸收;⑤有良好的成骨活性。虽然同种异体骨椎间融合器在临床应用中表现出了良好效果,理论上有成骨活性、弹性模量等优势,但目前仍无充足证据表明同种异体骨椎间融合器比PEEK等其他质材融合器有明显优势;同时由于同种异体骨椎间融合器投入使用的时间相对较短,缺乏长期随访资料判断其远期效果;其在融合过程中的病理学变化和影像学表现均与金属或合成材料融合器不同,值得深入研究。因此,仍需深入研究同种异体骨椎间融合器的最佳适应证和远期效果,以期为临床决策提供充足证据。
文章来源:医脉通
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