椎间盘退变加剧转移性椎体在压缩和屈曲状态下的表面应变：一项生物力学研究

本研究针对椎间盘(IVD)退变如何影响相邻转移性椎体力学行为这一未解难题，通过酶促诱导IVD退变模型，结合三维数字图像相关技术(3D-DIC)，首次系统评估了不同载荷模式下(轴向压缩/屈曲/扭转)椎体表面应变分布。结果显示IVD退变使转移性椎体皮质壳压缩应变显著增加(压缩+25.6%，屈曲+43.7%)，尤其在邻近退变IVD区域，而健康椎体应变变化不显著，为临床评估椎体转移瘤骨折风险提供了新 biomechanical 依据。

　　

随着癌症患者生存期延长，脊柱转移瘤引发的病理性骨折成为临床重要挑战。椎体转移瘤会通过溶骨性(lytic)或成骨性(blastic)改变破坏骨微结构，而相邻椎间盘(intervertebral disc, IVD)的退变(degeneration)可能进一步加剧力学风险。但长期以来，IVD状态对转移椎体力学行为的影响未被充分研究。这就像在评估危房安全性时，只检查墙体强度却忽略了地基沉降的影响——实际上，地基(IVD)的变形会彻底改变荷载传递路径。

为解答这一关键问题，由意大利博洛尼亚大学等机构组成的研究团队在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》发表创新成果。研究人员创造性地将酶促IVD退变模型与多轴生物力学测试相结合，首次揭示IVD退变会选择性增加转移性椎体在压缩和屈曲状态下的表面应变，该发现为临床评估椎体骨折风险提供了全新视角。

研究采用三大关键技术：1) 从6例癌症捐赠者获取8个含转移椎体的脊柱节段，通过MRI和qCT量化基线状态；2) 向中央IVD注射II型胶原酶(collagenase type II)建立退变模型；3) 使用配备6轴力传感器的脊柱模拟器进行压缩(最高8000N)、屈曲(最大17Nm)和扭转(最大30Nm)测试，配合3D-DIC系统(4台1200万像素相机)全表面应变测量，空间分辨率达2mm。

【3.1 重复性与测量不确定度】
通过虚拟标本验证显示，轴向和横向应变系统误差分别为10με和37με，随机误差为148με和137με。重复测试证实不同载荷模式下最大主应变变异系数<171με，满足研究精度要求。

【3.2 IVD退变对相邻椎体的整体影响】
退变使相邻椎体(含健康与转移椎体)最小主应变绝对值显著增加：压缩+24.0%(p=0.006)，屈曲+37.0%(p=0.003)。最大主应变仅在屈曲时增加29.4%(p=0.05)，扭转工况无显著变化。

【3.3 健康与转移椎体的差异响应】
分层分析揭示惊人差异：转移椎体最小主应变在退变后急剧增加(压缩+25.6%，屈曲+43.7%)，峰值应变接近皮质骨失效阈值(-7000~-10000με)；而健康椎体应变无统计学变化。

【3.4 局部应变热点分析】
通过划分相邻(adjacent ROI)与非相邻区域(nonadjacent ROI)发现：退变IVD邻近区域应变增幅最显著，健康椎体局部增加36.6%，转移椎体达67.8%，呈现明显"应变梯度"效应。

【3.5 应变分布可视化】
3D应变云图显示，转移椎体在退变后出现明显应变集中区，尤其在前皮质区形成"应变热点"，而健康椎体应变分布保持均匀。

讨论部分指出三大临床启示：首先，IVD退变通过改变荷载传递路径——从髓核(nucleus pulposus)均匀分布转向纤维环(annulus fibrosus)集中传递，使转移椎体皮质壳承受异常应力。其次，屈曲动作成为最危险工况，这与临床常见的椎体楔形骨折机制高度吻合。最后，酶促退变模型虽不能完全模拟自然退变过程，但成功捕获了NP退化这一关键病理特征。

该研究首次建立"IVD退变-转移椎体力学响应"的定量关系，提示临床评估椎体转移瘤风险时，需将相邻IVD状态纳入考量。未来研究可结合数字体积相关技术(DVC)探究骨内部应变变化，并扩大样本量区分溶骨性与成骨性转移的差异响应。这些发现为开发更精准的椎体骨折预测模型奠定了生物力学基础。