毛 鵬 李怡帆 李春蕊 王志燕 化 朋 王新星 王泊寧 樊碧發(fā) 李路明

（1 中日友好醫(yī)院疼痛科，北京 100029；2 北京中醫(yī)藥大學研究生院，北京 100029；3 中日友好醫(yī)院日間手術中心，北京 100029；4 清華大學神經(jīng)調(diào)控技術國家工程實驗室，北京 100084；5 河北省定州市人民醫(yī)院疼痛科，定州 073009）

脊髓電刺激 (spinal cord stimulation, SCS) 是一種集電子和生物材料于一體的神經(jīng)調(diào)控療法，廣泛用于慢性頑固性疼痛的治療[1]。我國自2003 年中日友好醫(yī)院開展這項技術以來，適應證不斷擴展，例數(shù)也不斷增加，廣受病人好評。由于SCS 系統(tǒng)依賴進口，價格高昂，限制了其臨床應用，無法滿足我國大量慢性疼痛病人治療的需要[2～4]。為打破國外對SCS 系統(tǒng)的技術壟斷，促進我國神經(jīng)調(diào)控技術的發(fā)展，中日友好醫(yī)院與清華大學神經(jīng)調(diào)控技術國家工程實驗室合作，開發(fā)研制具有完全自主知識產(chǎn)權的植入式脊髓電刺激系統(tǒng)。由于羊的脊柱結(jié)構與人相似，因此本研究選取小尾寒羊?qū)ζ渖锇踩院徒M織相容性進行評價。

方 法

1.實驗動物和儀器

選取健康成年雄性小尾寒羊3 只（編號羊1～3），體重25～35 kg，由中國醫(yī)學科學院心血管疾病國家重點實驗室動物實驗中心提供并進行飼養(yǎng)。實驗用植入式脊髓刺激電極（型號：L3211、L3212、L3213、L3214、L3252-65、L3253-65）和脈沖發(fā)生器 (Implantable pulse generator，IPG) 由北京品馳醫(yī)療設備有限公司提供。

2.手術方法

實驗羊術前禁食12 h，靜脈注射舒芬太尼（宜昌人福制藥有限公司，2 ml:0.1 mg，H20054172）1 μg·kg-1、丙泊酚乳狀注射液（江蘇恩華藥業(yè)有限公司，20 ml:0.2 g，H20123138）4 mg·kg-1麻醉。取俯臥位，常規(guī)消毒鋪巾。在X 線透視引導下，擇L6-7棘突間隙行硬膜外腔穿刺（穿刺電極，羊1 和3，見圖1A）或用咬骨鉗咬除L6和L7部分椎板，暴露硬膜外腔（外科電極，羊2，見圖1B）。成功后，根據(jù)評價需要，分別將穿刺電極和外科電極置入相應椎體水平，并采用穿刺套裝中的固定“錨”妥善固定于棘上韌帶；再于羊臀部外上區(qū)皮下作囊袋，植入IPG并與電極相連接。阻抗測試無誤后，縫合切口，以無菌敷料包扎。

3.術后處理

術后定期肌肉注射青霉素（2 萬IU·kg-1）預防感染并開機刺激，采用同一參數(shù)刺激，持續(xù)4 周。觀察并記錄術后羊的一般情況、行為學反應、血WBC 水平、電阻抗值，持續(xù)4 周（見表1）。

4.取材

術后4 周，在X 線透視下觀察電極位置，并與術后即刻電極位置相比較；靜脈推注氯化鉀注射液（大冢制藥，10 ml:1.5 g，H20053711）2 支處死動物，切開囊袋，取出IPG；依次切開脊柱區(qū)皮膚筋膜，分離椎旁肌肉，用咬骨鉗咬除椎板，暴露脊髓和刺激電極，觀察電極周圍組織增生情況，截取受刺激和未受刺激的脊髓節(jié)段各少許，分別浸泡于10%甲醛溶液（南昌雨露實驗器材有限公司）中。

5.觀察指標

觀察術后羊的一般情況（生命體征、四肢活動情況等），觀察有無出血、血腫、局部感染、腦脊液漏等并發(fā)癥，記錄術前、術后3 天、7 天和10 天的血WBC 水平，記錄術中、術后1 天、3 天、1 周、2 周、3 周和4 周的設備阻抗值，制作并觀察脊髓標本的HE 染色病理切片。

6.統(tǒng)計學分析

結(jié) 果

1.術后一般情況

術后羊的切口愈合良好，未見出血、血腫、局部感染、腦脊液漏等并發(fā)癥，生命體征平穩(wěn)。羊1在術后第1 天時右后肢輕微運動不協(xié)調(diào)，調(diào)整刺激電壓后恢復正常。其余羊四肢活動正常，未見異常步態(tài)、肌肉萎縮和痙攣等。

2.血WBC 水平

所有羊在術后第3 天時WBC 水平均稍升高，在術后第7天左右恢復正常，總體波動不大（P ＞ 0.05，見表2）。

3.阻抗值測定

觸點13 在術后3 周時與基線相比有統(tǒng)計學差異(Huynh-Feldt: P = 0.011)，但仍處于生物組織正常阻抗范圍(300 Ω～1 500 Ω)；其余觸點在術后各時間點，特別是第4 周時的電阻抗值與術后即刻相比未見明顯改變（見表3）。

4.電極位置和組織增生情況

術后4 周時，經(jīng)X 線透視確定，所有羊的植入電極的位置較術后即刻無明顯改變。取材時，電極周圍未見明顯組織增生、包裹。

表1 實驗羊的術后刺激模式Table 1 Postoperative Stimulation Mode of Sheep

表2 手術前后實驗羊的白細胞計數(shù)(109·L-1)Table 2 Changes of white cell counts of sheep after implantation (109·L-1)

表3 術中及術后4 周內(nèi)實驗羊體內(nèi)電極阻抗值測試結(jié)果(Ω, ±SD)Table 3 Intraoperative and postoperative impedances of contacts in sheep (Ω, ±SD)

表3 術中及術后4 周內(nèi)實驗羊體內(nèi)電極阻抗值測試結(jié)果(Ω, ±SD)Table 3 Intraoperative and postoperative impedances of contacts in sheep (Ω, ±SD)

*P ＜ 0.05，與基線相比；compared with baseline.

術后4 周4 weeks post-operatively 1 596.0±147.5 519.0±142.7 560.0±150.7 575.0±40.0 579.7±104.1 594.3±118.9 593.3±88.3 2 582.7±137.3 519.3±146.3 548.3±135.4 565.3±117.2 555.7±133.8 556.7±148.7 544.7±108.6 3 524.0±144.3 466.3±132.2 484.0±115.2 500.0±113.6 479.7±101.1 504.0±131.9 504.7±103.5 4 510.3±171.3 472.0±92.1 473.3±99.7 503.7±129.2 498.3±119.7 493.0±113.6 506.0±114.2 5 501.0±168.6 473.7±122.7 442.0±103.5 464.3±128.8 466.7±129.6 488.3±157.0 491.7±138.0 6 538.7±199.9 470.3±120.9 450.0±90.3 460.3±96.4 482.0±115.1 492.7±137.8 494.7±138.0 7 537.3±211.0 486.3±119.4 495.3±110.3 490.3±81.7 504.0±86.1 520.3±109.2 525.7±84.6 8 446.0±209.5 437.7±151.2 480.7±133.7 484.3±83.0 500.0±89.4 537.3±106.2 532.7±39.0 9 616.3±168.8 442.7±137.3 524.0±245.5 471.0±174.9 450.3±171.0 471.0±189.3 482.3±188.6 10 487.3±73.9 484.3±87.6 477.7±59.3 471.0±117.8 452.7±129.7 472.7±131.5 478.7±102.3 11 538.0±214.9 527.3±92.6 443.7±95.2 462.7±103.9 464.7±102.3 475.3±124.4 464.7±105.8 12 468.3±95.2 396.3±106.0 399.3±129.4 404.3±144.6 409.7±162.3 432.0±178.5 423.0±163.6 13 453.7±110.2 459.7±76.8 453.3±76.1 484.3±62.6 491.0±66.3 519.7±88.6* 519.0±62.3 14 444.3±167.6 428.0±126.0 431.3±92.8 463.0±95.8 485.3±88.9 530.0±76.9 527.7±62.6 15 479.0±228.7 440.7±142.4 461.0±124.8 486.7±112.5 503.7±79.8 521.3±101.9 514.0±87.3 16 432.3±200.3 426.3±146.9 456.0±138.6 491.7±103.5 493.3±105.3 518.3±106.8 520.7±82.7觸點Contact術中Baseline術后1 天1 day post-operatively術后3 天3 days post-operatively術后1 周1 week post-operatively術后2 周2 weeks post-operatively術后3 周3 weeks post-operatively

5.脊髓病理

將刺激節(jié)段和未刺激節(jié)段進行切片、HE染色[5]，鏡下觀察：SCS 刺激節(jié)段的脊髓形態(tài)正常，灰質(zhì)居于中央，呈“蝴蝶形”。中央管位于灰質(zhì)中央，位置和形態(tài)結(jié)構正常?；屹|(zhì)和白質(zhì)的神經(jīng)元胞體大小不等，呈多極神經(jīng)元形態(tài)，細胞核位于中央，染色淺，核仁清楚；未觀察到炎性細胞浸潤，未見嚴重的組織疏松和空泡形成，未見細胞腫脹、萎縮、壞死、缺血等病理改變（見圖2）。

討 論

SCS 最早出現(xiàn)于20 世紀60 年代，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，已被廣泛用于各種慢性頑固性疼痛的治療[6,7]。美國食品藥品監(jiān)督管理局 (food and drug administration, FDA) 批準SCS 用于治療軀干和四肢的慢性疼痛、頑固性腰背痛、腿痛和脊柱術后疼痛綜合征 (failed back surgery syndrome, FBSS) 引起的疼痛[7]。在歐洲，SCS 還被批準用于難治性心絞痛和肢體缺血性疼痛的治療[8]。

SCS 的作用機制是Melzack 和Wall[9]在1965年提出的“門控理論” (gate control theory)。其認為，在脊髓背角存在一種節(jié)段性痛覺調(diào)制神經(jīng)網(wǎng)絡，由初級傳入纖維（如A 類和C 類神經(jīng)纖維）、脊髓背角投射神經(jīng)元（傳遞細胞，transmission cells，T 細胞）和膠質(zhì)區(qū)的抑制性中間神經(jīng)元（substantia gelatinosa，SG細胞）組成，其中SG細胞起關鍵的“閘門”作用，對痛覺傳入具有突觸前抑制效應。此外，研究表明，SCS 的療效還與影響脊髓以上水平的痛覺調(diào)制[10]、調(diào)節(jié)痛覺相關神經(jīng)遞質(zhì)水平的變化（如γ-氨基丁酸、5-羥色胺、乙酰膽堿、去甲腎上腺素和內(nèi)源性阿片肽）等多種作用有關[11,12]。

我國的慢性疼痛具有人口基數(shù)大、患病年齡輕、緩解率不足、治療不充分等特點[2～4]。國內(nèi)的SCS 技術經(jīng)過20 余年的發(fā)展，在緩解慢性頑固性疼痛中發(fā)揮著越來越重要的作用，并寫入神經(jīng)病理性疼痛中國專家共識[13]，但植入的例數(shù)卻遠低于西方發(fā)達國家。究其主要原因，是我國缺少自主研發(fā)的SCS系統(tǒng)。

目前國際上的SCS 生產(chǎn)商主要來自美國，包括：①美敦力公司 (Medtronic, USA)，是最早的SCS 設備生產(chǎn)商，也是產(chǎn)品類型最多的公司，主要研制各種傳統(tǒng)模式下SCS 設備，在減小IPG 體積、提高MRI 兼容性、感應體位變化導致的電極移位、多觸點電極等方面都居于領先地位；②圣猶達公司 (St. Jude, USA)，2017 年被雅培公司(Abbott, USA)收購，旗下特點產(chǎn)品是背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglion, DRG) 電刺激系列Proclaim?/Axium?和爆發(fā)電刺激系列BurstDR?；③波士頓科技 (Boston Scientific, USA)，以能夠提供多靶點、多刺激程式設定的電刺激為代表。④內(nèi)夫羅公司 (Nevro, USA)，旗下主要特點產(chǎn)品是HF-10?，即能夠產(chǎn)生10 kHz 頻率的高頻SCS 相關系列產(chǎn)品；⑤Stimewave 公司 (USA)：主要相關產(chǎn)品是Freedom Stimulator?，以體外無線刺激器為代表。進口設備昂貴的價格限制了SCS 在我國的普及應用。因此，盡快完成自主知識產(chǎn)權的SCS 設備的研發(fā)和應用，對于提高我國疼痛學科的診療水平具有重要意義。

圖2 術后1 個月時實驗羊HE 染色的脊髓切片（A-D,未刺激節(jié)段；A1-D1,刺激節(jié)段） Fig. 2 HE staining of spinal cord in sheep at 1 month post-surgery (A-D, unstimulated segments; A1-D1, stimulated segments)

本研究是國內(nèi)首個在大型哺乳動物—羊身上進行新型SCS 系統(tǒng)安全性驗證的臨床前研究：在小尾寒羊上，觀察我國自主研發(fā)的新型植入式SCS 系統(tǒng)對實驗動物的行為學、血液指標、組織形態(tài)和體內(nèi)設備阻抗的影響，驗證不同規(guī)格刺激電極（穿刺電極和外科電極）和刺激模式（常規(guī)低頻刺激50 Hz和高頻10 kHz 刺激）的生物安全性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、手術操作性、組織相容性和刺激有效性。之所以選擇羊作為實驗動物，是因為羊脊柱與人脊柱的特征性解剖尺寸非常相似匹配，是理想的胸腰椎區(qū)域的解剖模型[14]，其在骨科、兒科、呼吸科、心內(nèi)科等都有廣泛的應用[15]。

Gibson-Corley 等[16]采用自主設計的硬膜下SCS 刺激器，對4 只綿羊頸段和上胸段的脊髓后柱進行電刺激，觀察了不同刺激位置對大腦皮層體感誘發(fā)電位 (somatosensory evoked potentials, SSEP) 的影響，發(fā)現(xiàn)刺激電壓與電極位置與高γ 波段振幅之間存在明顯關系，考慮到直接刺激脊髓背柱時較低的電壓閾值及其對治療窗口的可能影響，研究者認為這種硬膜內(nèi)方式可能比目前常規(guī)使用的標準硬膜外技術具有特殊的臨床優(yōu)勢。Safayi[17]等在羊身上，對硬膜下SCS 系統(tǒng)進行了安全性和有效性驗證，重點測試了電極位置的穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性以及硬脊膜切開植入程序步驟的安全性和有效性。本研究同樣選用羊進行臨床前動物實驗，發(fā)現(xiàn)自主研發(fā)的SCS 設備的可操作性較強，手術過程與臨床SCS 手術過程有較高的相似性和可比性，可以滿足臨床前實驗要求。

由于SCS 是椎管內(nèi)操作，一些細小的異常都可能導致并發(fā)癥的發(fā)生，涉及設備相關、生物相關以及操作技術等多個方面[18]。其中，最常見的是電極移位，發(fā)生率約10%～20%，直接影響麻刺感覆蓋范圍和鎮(zhèn)痛效果[19]。電極移位與手術操作以及電極固定裝置有直接關系，良好的電極錨定裝置有助于將電極固定于理想位置。本研究發(fā)現(xiàn)，新型SCS 系統(tǒng)中的固定裝置通過螺絲鎖定的方法，實現(xiàn)了“錨”與電極二者的牢靠固定，消除了電極導線在“錨”中滑動的可能，與國外產(chǎn)品（如美敦力）的縫線固定相比，能夠提供更好的電極固定。本研究術后1個月后，所有羊的植入電極的位置較術后即刻無明顯改變，也說明了固定的牢固、可靠。

盡管脊髓損傷發(fā)生率不高，約為2%[20]，但卻是SCS 最嚴重的并發(fā)癥之一，嚴重時可導致截癱甚至死亡，其主要與操作者的技術水平和電極工藝水平、材質(zhì)的生物可容性相關。本研究觀察了SCS 術后1 個月時實驗羊的刺激節(jié)段與未刺激節(jié)段的脊髓病理結(jié)構，發(fā)現(xiàn)刺激節(jié)段脊髓的鏡下結(jié)構正常，未見明顯的壞死、缺血、炎癥等異常變化；同時實驗羊在術后未見顯著的運動異常，術后4 周時的電阻抗值與術后即刻相比無明顯改變，提示新型SCS 系統(tǒng)工藝可靠，電極周圍組織增生少，具有良好的組織相容性。

由于條件所限，本研究也存在一些不足：①樣本量較少。本研究在3 只羊身上進行了相關評價，樣本量偏少，只能大概反映新型SCS 系統(tǒng)的相關性能；②未設立對照組。本研究只進行了自身前后對照，未進行組間對照，結(jié)果可能存在偏倚；③未建立疼痛模型。本研究的目的是驗證新型SCS 系統(tǒng)的安全性和組織相容性，故未建立疼痛模型，不能說明此系統(tǒng)對疼痛的治療作用，也不能說明不同刺激模式治療疼痛的優(yōu)劣；④生物安全性指標單薄。本研究的生物安全性（組織排異反應）主要依據(jù)術后大體觀察進行說明，缺少免疫學指標的佐證。上述不足，將在后續(xù)研究中逐步改進，為新型SCS 系統(tǒng)的臨床應用提供充分的證據(jù)支持。

綜上所述，動物實驗表明新型植入式SCS 系統(tǒng)具有良好的生物安全性和組織相容性，設備性能穩(wěn)定、可靠性好、操作性強、符合臨床需求，具有廣闊的應用前景。