《Veterinary Surgery》：The role of fenestration in acute canine thoracolumbar intervertebral disc extrusion: Part 2—The biological and biomechanical effects of fenestration
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背景：预防性开窗术（prophylactic fenestration）被广泛用于预防犬急性胸腰椎椎间盘挤出（acute thoracolumbar intervertebral disc extrusion，IVDE）的复发；然而，关于该手术对椎间盘和脊柱的
背景：预防性开窗术（prophylactic fenestration）被广泛用于预防犬急性胸腰椎椎间盘挤出（acute thoracolumbar intervertebral disc extrusion，IVDE）的复发；然而，关于该手术对椎间盘和脊柱的生物学及生物力学效应，目前缺乏具体数据。目的：通过综合临床犬文献及临床前体内和体外（兔）模型的数据，评估开窗术的生物学和生物力学效应，为犬的临床情景提供相关转化信息。结论：在生物学方面，实验模型和有限的犬文献表明，开窗术会引发强烈的修复反应，其特征是快速的纤维环纤维化（annular fibrosis）、终板硬化（endplate sclerosis）并最终导致强直（ankylosis），而非恢复正常椎间盘结构。在生物力学方面，虽然体外研究表明开窗术会造成急性节段性失稳和松弛，但体内模型显示生物愈合过程会覆盖这一效应，最终导致显著的节段僵硬（segmental stiffness）并随时间推移运动范围（range of motion，ROM）显著降低。意义：尽管尚未在临床犬胸腰椎IVDE群体中直接证实，但这些来自实验模型和有限犬数据的转化研究发现提示，开窗术诱导的强直可能改变脊柱载荷动力学，并可能将机械应力转移到邻近未开窗的椎间盘。这种生物力学转变凸显了该手术的预防性获益与脊柱长期生物学成本之间的临床权衡。因此，需要更多地考虑犬开窗术的生物学和生物力学效应，并开展更多研究以确定最佳开窗范围，从而最大限度地减少这些有害后遗症。
1 引言
椎间盘开窗术（fenestration）被定义为环切术（annulectomy）联合机械性摘除髓核（nucleus pulposus，NP），是一种广泛使用的预防性干预手段，旨在防止犬急性胸腰椎椎间盘挤出（IVDE）的复发。然而，尽管该手术在临床中常规应用，兽医文献中关于其对犬椎间盘及脊柱的远期生物学和生物力学影响的具体数据仍然匮乏。因此，开窗术的整体风险-获益特征尚未被充分理解。虽然其在降低IVDE复发方面的有效性已得到公认，但其对脊柱健康的潜在长期生物学和生物力学后果，包括强直、节段载荷改变和脊柱运动变化，尚未完全明确。本综述通过整合有限的犬文献和可转化的临床前体内及体外兔模型数据来评估这些后果。将这些实验发现转化到临床环境对于充分理解开窗术的生理后遗症至关重要，最终目标是推动类似实验模型的犬特异性研究，为临床上患有急性胸腰椎IVDE的犬提供更好的开窗术决策依据。
2 椎间盘开窗术的生物学效应
2.1 椎间盘退变的临床前动物模型
大量临床前体内动物模型已被用于研究人类椎间盘退变（intervertebral disc degeneration，IVDD）。这些研究使用了多种动物物种和IVDD诱导方法，以模拟疾病的不同病理途径。常见的临床前IVDD动物模型包括啮齿类、兔、犬、羊、猪、灵长类和山羊。在这些模型中，针刺或环切术等外科诱导方法会导致椎间盘发生生物学反应和退行性改变。Lipson和Muir在兔中描述的针刺模型已发展为包括环切术、环切除术、全椎间盘切除术、部分和完全髓核摘除术、髓核抽吸术以及钻头损伤等。在一些外科IVDD动物模型中，术后仅1周即可识别出退行性特征，而识别椎间盘退变最常见的时点是术后2周。
2.2 犬开窗术的生物学效应
尽管开窗术常被预防性用于防止犬未来发生急性胸腰椎IVDE，但针对其椎间盘及邻近脊柱结构生物学效应的犬特异性临床和临床前数据仍然缺乏。现存的有限犬实验文献提示，即使是有针对性的椎间盘干预也可能产生非预期的有害后果。Grunert等评估了比格犬颈椎椎间盘开窗术的效果，并在术后4、8和16周观察到髓核、纤维环（annulus fibrosus，AF）和终板的退行性生物学改变。鉴于这些广泛的退变效应，作者建议应仔细权衡预防性开窗术的决策与其潜在危害。即使创伤更小的干预也会造成可测量的损伤；Shores等对软骨营养不良犬的研究显示，即使轻微的针刺伤也会导致影像学上的椎间隙狭窄，并在组织学上显示血管和纤维组织侵入外侧纤维环。现代开窗技术通常涉及更具侵袭性的组织切除，如环切术和髓核摘除术，这可能对脊柱生物力学、邻近节段疾病和患者整体舒适度产生更不利的影响。然而，这些实验观察到的亚临床组织学和影像学变化必须与该手术深远的临床和以患者为中心的获益相权衡。预防性开窗术主要用于预防严重的脊髓损伤和随后的瘫痪，这些是急性IVDE常见且破坏性的后果，可能迫使宠主选择因经济原因而实施安乐死。鉴于这些相互竞争的因素，明确临床犬患者的预防性开窗术是否会引起短期不明显的持续性生物学改变，是明确的需求。使用先进影像学手段（包括磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）和计算机断层扫描（computed tomography，CT））对临床病例进行纵向评估，可能是弥补这一知识空白的务实且符合伦理的方法。
2.3 实验性兔开窗模型：生物学反应与愈合
2.3.1 体内兔模型
在本综述第一部分中，我们简要讨论了纤维环对开窗术的反应，以及在实验性体内兔模型中环形缺损可能快速愈合（<6周）。Crowley等在一个兔腰椎模型中表征了开窗术的生物学反应，该模型可作为犬情景和人类显微椎间盘切除术的替代模型。在该模型中，实施侧方腰椎开窗术（创建1.5×2 mm的环形窗口并摘除髓核）后，在研究的6周和12周时间点上，所有评估指标均出现显著的退行性改变。虽然兔术后恢复顺利且步态正常，但Pfirrmann MRI IVDD分级和组织学显示严重退变。与邻近未手术的L4/5椎间隙相比，开窗的L3/4椎间隙大体检查显示正常椎间盘结构完全破坏。腹侧纤维环明显增厚并被成熟纤维组织完全包裹，有强直证据。显微CT进一步证实了终板硬化、椎间隙狭窄以及反应性增生性骨改变。术后6周时，环形缺损显示出某种形式的“愈合”，但组织学特征为纤维软骨形成、血管长入和炎症细胞浸润，而非恢复正常结构。这些变化通过组织学IVDD评分量化，开窗椎间盘在标准化组织学分级量表上的严重程度评分较高（14分中为11-12分），而邻近未手术的对照椎间盘评分较低。此外，该研究发现开窗部位在屈伸和侧弯时的运动范围（ROM）和中性区（NZ）显著减少。这表明兔中开窗术后随时间的生物学反应导致强直（关节僵硬）而非不稳定。
2.4 实验性兔开窗模型对犬的相关性
体内兔模型表明，开窗的椎间盘经历快速环形愈合，通常在6周内用厚层纤维组织封闭手术缺损。这一过程代表了椎间盘内部结构的根本改变而非恢复正常状态，其特征是显著的纤维化和纤维软骨形成，这证明了对开窗术的生物学反应，并支持Grunert等和Shores等犬研究的结果。这些发现突显了一个临床困境：由于完全髓核摘除存在变异性且技术上难以保证，如果在髓核物质残留的情况下环切部位快速封闭，可能会抵消该手术的预防意图并保留未来挤出的风险。此外，需要考虑强直对脊柱生物力学和ROM的影响，特别是邻近节段疾病，可以假设增加的应力诱导未开窗椎间盘过早退变。这一假设机制将在本综述后面详细探讨。
2.5 量化犬开窗术的生物学效应
在临床犬患者中孤立开窗术的特定生物学影响面临重大挑战。与实验模型不同，开窗术很少单独进行；最常见的是与IVDE减压手术同时进行，因此很难将开窗术的生物力学后遗症与脊髓减压相关的恢复区分开来。此外，虽然实验模型允许对环形愈合和纤维化进行组织病理学确认，但后勤和伦理考虑禁止对客户拥有的犬进行此类侵入性评估。因此，研究人员无法轻易验证临床环境中摘除的髓核体积或环形封闭的完整性。长期先进影像学，如MRI或CT，理论上可以记录退行性变化、强直或开窗部位“窗口”闭合的进展。然而，此类数据的临床意义仍不明确；即使影像学记录了退行性变化，也不清楚它们是否转化为相关的发病率（如疼痛或功能损害），或者仅仅是稳定脊柱中的偶然发现。
临床上，这些生物学效应因此可能是“沉默的”，因为犬通常看起来恢复良好；然而，客观测量如体重分布转移提示潜在的生物学损伤在手术后长期持续。患有急性胸腰椎IVDE的犬在减压手术后可能表现出不同程度的神经功能缺损，无论是否进行开窗术。虽然神经学检查和改良Frankel评分是评估脊髓功能和临床恢复的稳健且广泛接受的方法，但其评估开窗术生物学效应的效用有限。临床改善或恶化可能无法准确反映椎间盘对环形损伤、髓核摘除或后续退行性变化的潜在反应。Marrero等最近的一项研究旨在量化犬急性胸腰椎IVDE减压术后恢复过程中静态体重分布及肢体和体围随时间的变化。作者报告，即使在能行走的犬中，代偿性颅侧体重转移在术后3个月仍持续存在。他们进一步指出，躯干围度的变化很小且受变异性的影响，但可能提供额外的客观监测恢复指标。使用这些客观方法的研究可能有助于评估开窗术后的临床功能，并可作为神经学检查和分级等传统方法的补充。这些微妙的生物力学转移可能是该手术内部“生物学成本”唯一的的外部指标。
3 开窗术的生物力学效应
为评估IVD开窗术的潜在生物力学后果，有必要考虑现有的犬脊柱生物力学文献。在犬颈椎中，椎间盘切除术等手术的生物力学和后果已在临床前研究中得到检验。具体研究也探讨了开窗术对颈椎运动单位的影响。在胸腰椎区域，作者评估了侧方椎体切除术、微型半椎板切除术和半椎板切除术等手术入路联合开窗术后腰椎运动节段的机械稳定性。尽管这些研究数量有限，但共同为犬脊柱生物力学提供了重要见解，并强调了体外和离体模型在理解开窗术生物力学效应中的作用。
3.1 开窗术对犬颈椎生物力学的影响
犬颈椎的离体生物力学研究主要集中于尾侧颈椎，主要与尾侧颈椎脊髓病（CCSM，Wobbler综合征）相关。尽管有此侧重点，这些研究提供了与急性胸腰椎IVDE相关的宝贵见解，该病可能涉及尾侧和颅侧颈椎。Macy等评估了犬尸体标本中C5–C6的腹侧开窗术，并证明存在显著的矢状面不稳定，屈伸运动较完整脊柱增加。作者认为，在患有动态CCSM的犬中，此类预防性干预可能易导致继发性不稳定和邻近节段疾病，尽管该研究没有将开窗术的效果与腹侧槽手术分开。Fauber等进一步从三维方向检查了C5–C6生物力学，显示开窗术和腹侧槽宽度均影响椎体ROM，尤其是在屈伸方面。最近，Moissonnier等评估了C6–C7运动单位在开窗术和椎间融合器置入后的情况，发现开窗术降低了椎间盘横截面积并相对于完整标本增加了ROM。总体而言，这些研究表明，离体条件下颈椎IVD开窗术可改变稳定性和运动，但这些效应的幅度和临床意义需要进一步阐明，尤其是在体内环境中。虽然这些研究聚焦于颈椎，不能直接代表急性胸腰椎IVDE和开窗术，但它们确实证明了环形损伤在体外具有急性失稳效应。
3.2 开窗术对犬胸腰椎生物力学的影响
生物力学研究表明，开窗术是急性脊柱失稳的主要驱动因素。在离体犬尸体模型中，Hill等发现，与半椎板切除术和椎弓根切除术相比，开窗术是体外不稳定的常见且最大的贡献因素。该研究表明，体外/离体脊柱不稳定性是由开窗术诱导的。因此，作者得出结论，纤维环是相邻两个椎体之间最重要的稳定器。开窗术引起的生物力学改变可能具有临床意义；Hill等认为，即使实现完全减压，这种不稳定也可能是延迟恢复的一个因素。此外，这些生物力学变化可能诱发椎体排列和机械载荷响应的微妙改变，可能使其他椎间盘面临更高的IVDD风险或加速退行性变化（邻近节段疾病）。
开窗术在临床病例中常与减压手术同时进行，因此很难确定其对胸腰椎生物力学的单独影响。目前缺乏记录犬胸腰椎IVD开窗术生物力学影响的信息。实验性离体条件是评估该干预特定效应的重要方法。犬尸体的可用性以及标本的变异性（如年龄、性别、体型、品种、已有病理等）可能构成障碍。这突显了使用研究物种进行临床前实验模型的价值。
3.3 实验性兔开窗模型：开窗术的生物力学效应
3.3.1 体外兔模型
Crowley等使用标准化新西兰白兔腰椎模型来评估开窗术的孤立效应。通过从封闭繁殖群体中选择受试者，研究人员确保了由骨骼成熟、6月龄雌性、体重范围3.5至4.5 kg的窄范围组成的同质样本群体。这种实验设计允许进行稳健的评估，最大限度地减少了不同临床人群固有的混杂因素，使研究人员能够创建受控的“零时”条件，以严格测试术后即刻的脊柱力学。
在这个受控的体外环境中，该研究提供了该手术即刻机械影响的明确证据。研究人员证明，开窗术对腰椎运动节段具有急性失稳效应。与完整状态相比，开窗术在所有测试平面（屈伸、侧弯和轴向旋转）均显著增加了ROM。此外，该手术增加了NZ（即运动在最小阻力下发生的生理范围），尤其是在屈伸中，进一步表明术后立即发生脊柱稳定性丧失。该研究还强调了手术入路引起的方向特异性不稳定。体外标本表现出显著的右侧弯大于左侧弯。这种不对称性与手术技术引起的机械损伤一致，其中左侧纤维环的横断降低了椎间盘抵抗向对侧弯曲力的能力。通过在这种标准化兔模型中隔离这些变量，该研究证实，在缺乏生物愈合的情况下，开窗术会产生显著的机械松弛和方向性不稳定。
3.3.2 体内兔模型
虽然体外测试显示开窗术通过增加ROM和NZ使脊柱急性失稳，但体内现实是由身体愈合过程驱动的深度僵硬。在Crowley等的研究中，6-12周内，手术缺损引起的急性机械松弛被强烈的修复反应所覆盖，其特征是纤维组织增生、骨赘形成和手术部位的侧方强直。这种生物学反应导致运动节段显著比天然对照脊柱僵硬，体内ROM相对于对照组减少近50%。如前所述，组织学和影像学分析表明这是由严重的退行性变化和强直驱动的。由于该研究未包括体内假手术组，报告的僵硬可能反映了手术暴露、局部软组织创伤、环切术/髓核摘除术、椎间盘周围纤维化以及整体术后愈合的综合生物学反应，而非单独开窗术。这一研究组值得在未来研究中调查。
3.4 椎间盘开窗术中生物学与生物力学的复杂联系：从临床前模型到犬临床相关性
理解IVD开窗术的长期影响需要超越简单的体外或离体生物力学测试，这些测试无法解释生物愈合、肌肉稳定和复杂的椎体运动。在所述的实验性兔模型中观察到的强直和ROM减少，为犬的邻近节段疾病产生了可检验的假设。具体而言，可以假设开窗部位纤维化诱导的僵硬改变了整个犬胸腰椎的生物力学。可以假设，手术节段活动度降低会将机械载荷转移到邻近未开窗的椎间盘，可能加速其退变并使其易于挤出。然而，这些生物力学假设尚未在犬受试者中进行实验或临床测试。
在Brisson等评估单个与多位点开窗术对犬急性胸腰椎IVDE复发率影响的里程碑式研究中，87.5%的IVDE复发发生在紧邻先前病变或最后一个开窗部位的椎间隙。在多部位开窗病例中，复发常发生在L4-5或L5-6。这在临床上具有重要意义，因为自然发生的L4-5 IVDE相对罕见（3.7%-7%）。这一发生情况提示，广泛开窗术改变的力学可能使这些特定邻近椎间盘易发生挤出，尽管尚需确定确切的因果关系。此外，这些水平的复发涉及腰膨大，脊髓损伤可导致下运动神经元缺损和较差的预后。这一生物力学假设与Pontikaki等在其最近的荟萃分析和系统综述中总结的结论一致。作者指出，虽然预防性开窗术成功保护了治疗的椎间盘免于再挤出，但临床复发常发生在邻近或更远的椎间隙。有趣的是，他们对开窗组和未开窗组之间邻近椎间盘复发比率的针对性荟萃分析产生了统计学上不显著的结果，突显了虽然临床趋势提示邻近节段损害，但确切的因果关系尚未在临床人群中得到有力证实。
虽然不能将所述实验性开窗模型的发现直接转化为犬的临床情景，但很明显，犬的预防性开窗术代表了其宣称的预防性获益与长期脊柱健康之间的权衡。当开窗术以最大程度从椎间隙摘除髓核的方式适当进行时，预防性开窗术应能防止未来挤出。然而，强直的生物学反应被认为是驱动运动节段ROM减少的生物力学反应的机制，这一假设需要在犬中临床确认，这可能反而增加邻近水平病理的风险。这些发现表明，兽医外科医生必须仔细权衡预防性开窗术的获益与该手术的生物学和生物力学成本。
4 总结——知识缺口与未来方向
预防性椎间盘开窗术仍然是减少未来非受累椎间隙急性胸腰椎IVDE的有争议干预措施。尽管有限证据（最显著的是Brisson等的前瞻性研究和Aikawa等的数据）表明开窗术可以安全地降低治疗部位的复发率，但关于其生物学和生物力学后果的可靠数据仍然缺乏。特别是多水平预防性开窗术（尤其是T11-L4之间的所有椎间隙）相关的真正发病率尚不清楚。
关键问题仍未解答，包括应开窗多少椎间隙以达到最佳结局，开窗术是否影响邻近未开窗椎间盘的IVDE风险，以及该手术是否加速椎间盘退变。这一知识缺口得到Pontikaki等的支持，他们得出结论，在大多为回顾性研究中，患者选择、随访期和手术技术的高度变异性严重限制了我们建立开窗术标准化方案的能力。Jeffery和Freeman强调的伦理困境进一步加剧了这种不确定性：对许多犬进行预防性治疗以避免相对少数犬复发是否合适？也许如Low等建议的针对开窗术更加合适；仅开窗具有特定退变程度（如MRI上的Pfirrmann 3级或影像学上钙化/矿化的椎间隙）的椎间盘，可能提供更科学且经济上合理的策略。此外，最近报道的微创透视引导下软骨素酶椎间盘内注射可能成为预防性化学开窗的有效手段。如果没有对开窗术下游效应的更清晰理解，常规多位点预防性开窗术的理由仍然存在争议。
目前的临床结局指标，如术后行走能力和主人感知的功能，可能不足以检测脊柱生物力学的细微变化。因此，外科医生开窗的决定通常受个人经验、培训或对有限文献的解读所驱动，导致实践中存在显著变异性，并且在开窗术的适应症、定位和范围方面缺乏共识。明确需要临床前研究来更好地界定开窗术的生物学和生物力学意义。使用犬尸体脊柱的离体生物力学研究可以阐明开窗术后脊柱ROM的变化，而体内动物模型可以阐明其生物学效应、髓核摘除的最佳程度以及不同手术技术的影响。这些数据可为临床决策提供信息。
前瞻性随机临床试验将提供最高水平的证据，但由于财务、后勤和伦理限制而具有挑战性，包括外科医生根深蒂固的信念以及在高风险犬中放弃开窗术的担忧。术后通过CT和/或MRI进行长期影像学评估，将有助于评估开窗部位的强直情况和邻近节段疾病的证据。在这些数据可用之前，预防性开窗术（特别是多水平手术）的真正获益仍不确定，该干预的生物学和生物力学后果在很大程度上尚未确定。
