《Journal of Biomechanics》：Effects of seated whole-body vibration on the lumbar spine: A Sprague-Dawley animal model
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腰椎间盘厚度及椎体骨密度受座位全身振动的长期影响研究
座位全身振动（WBV）对腰椎间盘厚度（IVD）和上终板骨密度（SEP BMD）的影响，通过新型意识不束缚Sprague-Dawley大鼠模型验证。实验组WBV暴露8周后IVD厚度显著增加（p<0.05），SEP BMD亦呈现时间依赖性变化，而对照组无显著差异。研究为优化振动暴露-休息周期提供实验依据。
安雅·柯尼格（Anya K?nig）、科-雅克·卡特（Cor-Jacques Kat）、娜塔莉·基奥（Natalie Keough）、赫斯特·M·奥伯霍尔泽（Hester M Oberholzer）、乔兰迪·迈伯格（Jolandie Myburgh）
比勒陀利亚大学解剖学系，邮政信箱X323，阿卡迪亚0001，南非
摘要
坐着时身体整体受到振动（WBV）的影响在日常生活中很常见，尤其是车辆乘员。了解WBV对健康的长期影响对于评估人类福祉至关重要。本研究使用一种新型的Sprague-Dawley大鼠模型，探讨了坐着时身体受到振动对腰椎骨骼和椎间盘（IVD）特性的影响。
实验使用了10周大的雄性Sprague-Dawley大鼠（共24只）。实验组（EG，n=18）在定制的振动装置中处于坐着姿势并接受振动刺激；对照组1（C1，n=3）被放置在静止的容器中，而对照组2（C2，n=3）在整个研究期间保持在其笼子中。每周通过X光成像来监测8周内椎间盘厚度（在人类中也称为IVD高度）以及腰椎上下终板（SEP和IEP）的骨密度（BMD）的变化。
实验结果表明，在实验结束时，Sprague-Dawley大鼠腰椎的SEP BMD和IVD厚度均出现了显著差异，而IEP BMD没有明显变化。这些发现与现有文献关于WBV对腰椎生物学影响的研究结果一致，强调了理解坐着时身体受到振动与腰椎BMD及IVD厚度之间关系的必要性。这种新型动物模型有助于研究这种关系以及暴露时间和休息时间之间的相互作用，特别是为了确定能够将脊柱损伤降到最低的最佳暴露-休息比例。
引言
椎体由髓质骨（ trabecular bone）构成，外层包裹着一层薄薄的皮质骨（Malik和Nelson，2018）。每个椎体都包含上下终板，这些终板由双层软骨和致密的皮质骨组成，将椎体与椎间盘（IVD）分隔开（Lotz等人，2013；Wardak等人，2017）。终板为脊柱提供了结构完整性，并促进了水、葡萄糖、氧气和废物在具有血管的椎体与几乎无血管的椎间盘之间的扩散传输（Lotz等人，2013；Mattei，2013；van der Werf等人，2007）。这种营养物质的传输对于维持椎间盘健康和脊柱支撑至关重要。
终板成分的变化会直接影响营养物质的交换。骨密度（BMD）的增加会损害毛细血管网络，阻碍营养物质的传输并导致椎间盘退化（DadeMatthews等人，2022；Lotz等人，2013；Mattei，2013；van der Werf等人，2007）。BMD的增加与慢性腰痛等病理生理反应有关（Bainbridge等人，2025；Lotz等人，2013；Macedo等人，2022；Mattei，2013；Palmer等人，2012）。
现代社会中，人们每天都会接触到坐着时身体整体受到振动的情况。以往的研究探讨了各种车辆产生的WBV对人类脊柱的流行病学和病因学影响（Griffin，1990；Johanning，2015；Wilder和Pope，1996）。研究表明，大鼠脊柱的生物力学、生化和解剖学特性与人类脊柱相似（Fan等人，2023；Goutianos等人，2015；Patterson等人，2021；Smit，2002；Weber等人，2019），因此常用于与人类脊柱生物力学相关的动物研究。由于这些生物力学上的相似性，大鼠模型被广泛用于研究WBV对脊柱生物力学的影响（Holguin等人，2011；Jaumard等人，2015；Komrakova等人，2017；O'Connell等人，2007；Sehmisch等人，2009；Zeeman等人，2015），以及骨骼（Chung等人，2014；Kerr等人，2017；Pasqualini等人，2013；Stuermer等人，2014；Wehrle等人，2015；Wei等人，2016；Xie等人，2016）和软组织（Keller等人，2013）材料特性的影响。然而，这些研究均未考虑大鼠在坐着姿势下接受振动的情况。
本研究采用了一种新方法，在坐着的大鼠模型中探讨WBV对脊柱的影响（K?nig等人，2024）。研究目的是确定直接作用于大鼠脊柱的WBV如何随时间改变六个腰椎水平的IVD厚度和终板BMD，分为实验组（接受振动刺激）和两个对照组（未受刺激）。
使用K?nig等人（2024）提出的无约束、清醒状态的大鼠模型，可以保持脊柱的自然生物力学特性，并使腰椎的受压情况更接近人类坐着时的实际情况，同时避免肢体受到振动的影响。该模型为研究坐着时身体受到振动对腰椎终板BMD和IVD厚度的影响提供了合适的实验对象。
材料与方法
样本量的确定基于统计要求和实际可行性。使用G*Power 3.1软件进行的功效分析表明，对于比较重复测量的均值（效应量为0.25），α=0.05，β=0.80，三个组别和六次重复测量，总共需要24只大鼠。实验使用了10周大的雄性Sprague-Dawley大鼠（n=24），将其分为实验组（EG，n=18）和两个对照组。
椎间盘厚度
IVD厚度的描述性统计数据显示在图4和补充材料表A中。表1展示了不同时间点各椎体水平间IVD厚度组内比较的p值。从TW1开始，L5/L6和L6/S1的EG组在所有椎体水平上都观察到了IVD厚度的显著差异（p<0.05）。C1组在最后两周也观察到了显著差异。
讨论
以下部分将讨论WBV对IVD厚度和BMD的影响，以及振动方案的影响。当前研究的结果通过参考现有研究进行了背景分析。由于WBV的类型和大鼠脊柱相对于振动方向的排列方式存在差异，因此直接比较当前研究和现有研究较为困难。
局限性与未来工作
本研究使用矢状面成像技术来观察IVD厚度和终板BMD的变化。作者建议在未来的工作中采用双平面或多平面成像技术，以提供更丰富的三维证据来支持当前的研究结果。还需要进一步研究不同物种间生理特性的验证，以确定坐着的大鼠模型与坐着的人类在腰椎方面的预测能力是否一致。作者未对脊柱组织进行任何组织化学分析。
结论
本研究证明，当使用新型、清醒且无约束的大鼠模型时，WBV会显著影响IVD厚度和上终板BMD随时间的变化。未来可以利用坐着的大鼠模型进行转化研究，并结合其他因素（如生物力学、组织学、基因表达等），以进一步探讨WBV与终板BMD之间的关系。这在确定适当的暴露和休息时间方面可能具有应用价值。
作者贡献声明
安雅·柯尼格（Anya K?nig）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目管理、方法论设计、研究实施、资金筹集、数据管理、概念构思。科-雅克·卡特（Cor-Jacques Kat）：撰写——审稿与编辑、研究监督、方法论设计、概念构思。娜塔莉·基奥（Natalie Keough）：撰写——审稿与编辑、研究监督、方法论设计、资金筹集、数据管理、概念构思。赫斯特·M·奥伯霍尔泽（Hester M Oberholzer）：撰写——审稿与编辑、研究监督、项目管理
资金支持
本研究部分或全部得到了南非国家研究基金会（Grant Number: 121,753和Grant Number: 120410）的支持。资金提供方未参与研究设计、数据收集与分析、报告撰写，也未参与决定文章的发表。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
