骨性關(guān)節(jié)炎的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型

錢麗萍 周乙華 瞿葉清 翟青新 余飛

南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院科研部實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心（南京210008）

骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）又名增生性關(guān)節(jié)炎、退行性關(guān)節(jié)炎，是一種臨床上常見的關(guān)節(jié)退行性疾病。其主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)疼痛、活動(dòng)障礙，關(guān)節(jié)畸形。OA可以在附肢骨骼的任意一個(gè)關(guān)節(jié)上發(fā)生。隨著年齡的增長，骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率將會(huì)提高。其發(fā)病主要侵犯軟骨、骨和滑膜組織，導(dǎo)致軟骨損傷、骨贅形成及滑膜炎等。由于軟骨細(xì)胞是軟骨組織中的唯一細(xì)胞，損傷、退變后修復(fù)能力有限，使得該疾病預(yù)后較差，甚至致殘，嚴(yán)重威脅患者生活質(zhì)量。在基礎(chǔ)研究以及臨床研究中，OA的發(fā)病機(jī)制、疾病進(jìn)程以及治療方式研究多通過構(gòu)建動(dòng)物模型來完成。OA模型的構(gòu)建方法主要包括：關(guān)節(jié)腔內(nèi)藥物注射、關(guān)節(jié)劃痕、石膏固定制動(dòng)、斷離關(guān)節(jié)內(nèi)主要韌帶、切除半月板、基因改造、自發(fā)形成關(guān)節(jié)炎等。不同的動(dòng)物具備不同的特性，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的研究目的合理地選擇動(dòng)物模型。本文就常用的構(gòu)建OA模型的幾個(gè)種屬實(shí)驗(yàn)動(dòng)物作一綜述。

1 嚙齒目動(dòng)物

嚙齒目動(dòng)物屬于哺乳綱動(dòng)物中種類最多、分布最廣的一種動(dòng)物。其繁殖量大，是實(shí)驗(yàn)研究中應(yīng)用最廣泛的一種動(dòng)物。但由于其體型小，在手術(shù)造模的過程中會(huì)有一定困難，行手術(shù)造模時(shí)往往需要借助顯微器械，并且軟骨較薄，影像檢查時(shí)難觀察軟骨損傷情況，有其局限性。

1.1 小鼠

小鼠90%的基因組與人類相似，適合遺傳學(xué)研究。其性情溫順，繁殖速度快，繁殖量大，便于飼養(yǎng)和管理，常應(yīng)用于和遺傳相關(guān)的OA發(fā)病機(jī)制的研究。Griffin等［1］給9周齡雌性C57BL/6J小鼠以高脂飲食模擬肥胖導(dǎo)致的OA的發(fā)生，從而證明飲食引起的肥胖能通過影響骨骼肌的功能來引起OA發(fā)生。由于治療OA的藥物有限，亟待建立能夠提高對(duì)OA發(fā)病的認(rèn)識(shí)、探索新治療方法的OA動(dòng)物模型。而建立能夠在關(guān)節(jié)表達(dá)骨形成蛋白（BMP）受體的小鼠模型為解決這一問題提供了研究工具［2］。 Kyrkanides等［3］發(fā) 現(xiàn)，OA可以加速和惡化阿爾茨海默病小鼠的病情，說明OA產(chǎn)生的炎癥因子可以對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。Johnson等［4］采用 VII型膠原誘導(dǎo)的方法以及切斷前交叉韌帶、內(nèi)側(cè)半月板前角脛骨韌帶、外側(cè)半月板前角脛骨韌帶的方法構(gòu)建OA模型，觀察一種小分子kartogenin對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的保護(hù)作用。裸鼠可以用作異體軟骨再生的組織工程學(xué)研究。Vacanti等［5］將人軟骨細(xì)胞種植在裸鼠的背部皮下，生成了新的人透明軟骨。在分子生物學(xué)、組織工程學(xué)方面的研究將為OA的早期預(yù)防、治療開拓新思路。

1.2 大鼠

大鼠和小鼠均屬于鼠科，在諸多方面特性相似。而大鼠體型較大，更利于臨床觀察。目前往往應(yīng)用于觀察癥狀，包括步態(tài)和疼痛表現(xiàn)、細(xì)胞生物學(xué)研究、OA和神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)性研究、組織工程研究等。Kellyy等［6］給大鼠關(guān)節(jié)注射碘乙酸鈉誘導(dǎo)OA，研究OA引起疼痛的機(jī)制，模擬人OA的組織學(xué)變化，發(fā)現(xiàn)其膝關(guān)節(jié)自發(fā)放電性和機(jī)械敏感性增強(qiáng)。Lee等［7］采用SOX9基因轉(zhuǎn)導(dǎo)的脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞置于纖維蛋白凝膠上，種植在OA大鼠軟骨損傷的部分，經(jīng)過21天的治療，結(jié)果蛋白多糖、Ⅱ型膠原的表達(dá)量和對(duì)照組相比明顯改善（P<0.01），推測過表達(dá)SOX9可以促進(jìn)蛋白多糖和Ⅱ型膠原的合成，促進(jìn)軟骨生成。Allen等［8］將內(nèi)側(cè)半月板體部中間切斷，模擬半月板外側(cè)撕裂傷，構(gòu)建大鼠OA模型，分析OA大鼠的步態(tài)來測定痛觸覺和負(fù)重能力變化。結(jié)果顯示，負(fù)重能力未受到影響，而步態(tài)變得不對(duì)稱，并且健側(cè)肢體走路時(shí)花的時(shí)間較患側(cè)長（P<0.1），說明關(guān)節(jié)穩(wěn)態(tài)被破壞后，出現(xiàn)了顯著的代償現(xiàn)象。Salo等［9］采用關(guān)節(jié)內(nèi)注射免疫毒素的方法使2月齡大鼠膝關(guān)節(jié)失去傳入神經(jīng)支配，結(jié)果顯示大鼠出現(xiàn)OA癥狀，推斷隨著年齡的增長，大鼠的神經(jīng)元將會(huì)減少，這是引起自發(fā)性關(guān)節(jié)炎的進(jìn)程的重要因素。大鼠雖然體型較小鼠大，但軟骨仍然較薄，和人類相比，更易損傷，而由于其生長板的特殊性，軟骨修復(fù)能力可能更強(qiáng)，在研究軟骨損傷及再生方面有一定局限性［10］。1.3豚鼠

相比小鼠和大鼠，豚鼠在OA研究方面應(yīng)用得較少，主要通過化學(xué)藥物、外科手術(shù)和自發(fā)性O(shè)A來建立豚鼠OA模型?？蓱?yīng)用于OA生物標(biāo)記的測定以及組織水平的檢測。 Bowyer等［11］采用MRI檢測軟骨量損失作為生物標(biāo)記檢測OA豚鼠軟骨損傷情況，評(píng)價(jià)多西環(huán)素對(duì)OA的保護(hù)作用。用豚鼠作為OA模型，對(duì)于研究者來說，其優(yōu)勢在于豚鼠OA和人類OA相比，其組織病理學(xué)相似性非常高，和人類具有類似的評(píng)分體系，并且關(guān)節(jié)滑液可見、關(guān)節(jié)內(nèi)的生物標(biāo)志——軟骨寡聚基質(zhì)蛋白及硫酸角質(zhì)素易于檢測［12］。

2 兔

兔體型適中，行走時(shí)主要由下肢負(fù)重，接近人類的下肢負(fù)重情況，性情溫順，是最常用的OA模型。而通過兔前交叉韌帶切斷法構(gòu)建兔OA模型可重復(fù)性較好，Mankin評(píng)分分值也較高，是研究OA關(guān)節(jié)軟骨退變較理想的模型［13］。Uchii等［14］采用暴露左膝腓側(cè)副韌帶及髕韌帶 ，將內(nèi)側(cè)半月板切除3～4 mm（大約30%～40%）的方法構(gòu)建兔OA模型，通過免疫組化來觀察成纖維細(xì)胞樣生長因子8（FGF-8）對(duì)OA發(fā)病的影響。兔具有很強(qiáng)的自愈能力［15］，這點(diǎn)與大鼠、小鼠類似，和人類有著明顯差異，在模擬人OA的發(fā)生以及進(jìn)程上不夠理想。兔作為OA模型，其缺陷包括和實(shí)驗(yàn)相關(guān)的抗體、細(xì)胞因子等較難獲得，在遺傳學(xué)、分子生物學(xué)及細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方面不夠理想。

3 馬

用馬構(gòu)建模型來評(píng)價(jià)OA病理生理進(jìn)程以及治療效果已有十多年歷史［16］。馬體型較大，適合手術(shù)構(gòu)建OA模型。而馬關(guān)節(jié)疾病和人的相似性較高，適合作為OA轉(zhuǎn)化研究的模型，以及治療OA引起軟骨損傷的對(duì)照研究模型［17］。馬的關(guān)節(jié)軟骨損傷恢復(fù)較慢，與人的軟骨損傷情況接近［18］。成年馬下肢膝關(guān)節(jié)軟骨的厚度1.75 mm，較接近人關(guān)節(jié)軟骨的厚度（2.35 mm）［19］，適合于作為觀察軟骨損傷過程的模型。但飼養(yǎng)馬要求具備較大的場地，對(duì)手術(shù)操作者技能要求較高，所以，在OA模型的研究中，馬并非常用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。

4 羊

山羊和綿羊均可用作構(gòu)建OA模型的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。與大型動(dòng)物比較，羊的體型適中，溫順，易于管理，適合用作臨床前實(shí)驗(yàn)的模型，尤其在細(xì)胞生物學(xué)方面應(yīng)用得較多。Murphy等［20］通過關(guān)節(jié)內(nèi)注射自體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療由前交叉韌帶切斷及內(nèi)側(cè)半月板切除誘導(dǎo)的羊OA模型，治療9周后，其關(guān)節(jié)表面光滑程度、組織病理情況均優(yōu)于對(duì)照組。羊的半月板較大，并且OA后半月板損傷的病情與人類接近，適于進(jìn)行OA半月板退變的研究［21］。

5 犬

犬作為家畜，在長期馴化的過程中，已經(jīng)具備了特別的社交和認(rèn)知能力［22］。相對(duì)而言，犬更能夠宣泄和表達(dá)疼痛、不適等癥狀。實(shí)驗(yàn)外科常用Beagle犬作為動(dòng)物模型。不論臨床表現(xiàn)還是發(fā)病機(jī)制，犬自發(fā)性O(shè)A以及髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良均與人類的情況類似。犬更能模擬人OA癥狀，包括疼痛和跛行。雖然犬原發(fā)性O(shè)A較少見，但通過特定的馴養(yǎng)方法可以使犬更易感OA［23］。

6 豬

家豬關(guān)節(jié)軟骨較厚，股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨的厚度達(dá)到1.5 mm～2.0 mm［24］，而且豬的軟骨損傷后亦難恢復(fù)。這種情況對(duì)于觀察軟骨及軟骨下骨的損傷過程極為有利。但由于家豬體型肥大，性情相對(duì)暴烈，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下不便于處理。小型豬能克服這些缺陷，但價(jià)格較高。所以，在關(guān)節(jié)炎的研究中，豬和馬一樣，并非常用的動(dòng)物模型。

7 小結(jié)與展望

OA是引起人體關(guān)節(jié)功能障礙的主要原因之一。對(duì)OA的研究一直以來都是國內(nèi)外的熱點(diǎn)。OA的進(jìn)行性變化將會(huì)影響到關(guān)節(jié)所有的組織，導(dǎo)致關(guān)節(jié)功能減退、疼痛，從而導(dǎo)致全身性疼痛，降低生活質(zhì)量，減少預(yù)期壽命。研究關(guān)節(jié)內(nèi)穩(wěn)態(tài)的生物學(xué)特性以及發(fā)病機(jī)制對(duì)防治OA顯得尤為必要［25］。不論是自然環(huán)境還是人工環(huán)境下，所有的哺乳動(dòng)物都有可能患上進(jìn)行性骨關(guān)節(jié)疾?。?6］。哺乳動(dòng)物主要靠下肢負(fù)重，其下肢生物力學(xué)與人具有相似性，所以目前主要采用哺乳動(dòng)物來構(gòu)建OA模型。雖然鳥類也可以用作OA模型，但鳥類OA模型并不能清楚地反映人類OA進(jìn)程，并且極少發(fā)生自發(fā)性O(shè)A，不適宜用作比較研究［27］。

關(guān)于OA模型的建立，最早可以追溯到1911年，國外學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)方法來模擬人類OA。該方法在動(dòng)物關(guān)節(jié)軟骨局部應(yīng)用碘酊或者過氧化氫造成關(guān)節(jié)軟骨損傷，從而引起OA。隨后，不斷有學(xué)者在機(jī)械損傷、壓力損傷、化學(xué)刺激、發(fā)病機(jī)制以及生物學(xué)特性等方面進(jìn)行深入研究［28］。年齡增長、機(jī)械壓力、創(chuàng)傷、遺傳易感性以及代謝性疾病都是OA的高危因素［14］。研究前應(yīng)當(dāng)選擇合適的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物來模擬導(dǎo)致OA的不同因素。一個(gè)完美的OA動(dòng)物模型應(yīng)該能夠準(zhǔn)確地模擬人類OA，但由于動(dòng)物的特性與人類有較大差異，做到這點(diǎn)很困難［29］。 因此，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要，通過正確地評(píng)估，合理地選擇實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，改良模型構(gòu)建方法將是今后研究的方向。

［1］Griffin TM，F(xiàn)ermor B，Huebner JL，et al.Diet-induced obesity differentially regulates behavioral，biomechanical，and molecular risk factors for osteoarthritis in mice.Arthritis Res Ther，2010，12（4）：R130.

［2］Young MF.Mouse models of osteoarthritis provide new research tools.Trends Pharmacol Sci，2005，26 （7）：333-335.

［3］Kyrkanides S，Tallents RH，Miller JN，et al.Osteoarthritis accelerates and exacerbates Alzheimer’s disease pathology in mice.J Neuroinflammation，2011，8：r112.

［4］Johnson K，Zhu S，Tremblay MS，et al.A stem cell-based approach to cartilage repair.Science，2012，336：644-647.

［5］Vacanti CA，Langer R，Schloo B，et al.Synthetic polymers seeded with chondrocytes provide a template for new cartilage formation.Plast Reconstr Surg，1991，88（5）：753-759.

［6］Kellyy S，Dunham JP，Murray F，et al.Spontaneous firing in C-fibers and increased mechanical sensitivity in A-fibers of knee joint-associated mechanoreceptive primary afferent neurones during MIA-induced osteoarthritis in the rat.Osteoarthritis Cartilage，2012，20（4）：305-313.

［7］Lee JM，Im GI.SOX trio-co-transduced adip ose stem cells in fibrin gel to enhance cartilage repair and delay the progression ofosteoarthritisin the rat.Biomaterials，2012，33（7）：2016-2024.

［8］Allen KD，Mata BA，Gabr MA.Kinematic and dynamic gait compensations resulting from knee instability in a rat model of osteoarthritis.Arthritis Res Ther，2012，14（2）：R78.

［9］Salo PT，Hogervorst T，Seerattan RA，et al.Selective joint denervation promotes knee osteoarthritis in the aging rat.J Orthop Res，2002，20（6）：1256-1264.

［10］Libbin RM，Rivera ME.Regeneration of growth plate cartilage induced in the neonatalrathindlimb by reamputation.J Orthop Res，1989，7（5）：647-682.

［11］Bowyer J，Heapy CG，F(xiàn)lannelly GK，et al.Evaluation of a magnetic resonance biomarker of osteoarthritis disease progression：doxycycline slows tibial cartilage loss in the Dunkin Hartley guinea pig.Int J Exp Pathol，2009，90（2）：174-181.

［12］KrausVB，HuebnerJL，DeGrootJ，etal.The OARSI Histopathology Initiative - Recommendations for Histological Assessments of Osteoarthritis in the Guinea Pig.Osteoarthritis Cartilage，2010，18 （Suppl 3）：S35 –S52.

［13］Lozano J，Saadat E，Li X，et al.Magnetic resonance T（1 rho） imaging of osteoarthritis： a rabbit ACL transection model.Magn Reson Imaging，2009，27（5）：611-616.

［14］Uchii M，Tamura T，Suda T，et al.Role of fibroblast growth factor 8 （FGF8） in animal models of Osteoarthritis.Arthritis Res Ther，2008，10（4）：R90.

［15］Wei X，Gao J，Messner K，et al.Maturation-dependent repair of untreated osteochondral defects in the rabbit knee joint.J Biomed Mater Res，1997，34（1）：63-72.

［16］Frisbie DD，Kawcak CE，McIlwraith CW，et al Evaluation of polysulfated glycosaminoglycan or sodium hyaluronan administered intra-articularly for treatment of horses with experimentally induced osteoarthritis.Am J Vet Res，2009，70（2）：203-209.

［17］Frisbie DD，Kisiday JD，Kawcak CE，et al.Evaluation of adipose-derived stromalvascular fraction or bone marrow-derived mesenchymal stem cells for treatment of osteoarthritis J Orthop Res，2009，27（12）：1675-1680.

［18］Koch TG，Betts DH.Stem cell therapy for joint problems using the horse as a clinically relevant animal model.Expert Opin Biol Ther，2007，7（11）：1621-1626.

［19］Frisbie DD，Cross MW，McIlwraith CW.A comparative study of articular cartilage thickness in the stifle of animal species used in human preclinical studies compared to articular cartilage thickness in the human knee.Vet Comp Orthop Traumatol，2006，19（3）：142-146.

［20］Murphy JM，F(xiàn)ink DJ，Hunziker EB，et al.Stem cell therapy in a caprine model of osteoarthritis.Arthritis Rheum，2003，48（12）：3464-3474.

［21］Burger C，Mueller M，Wlodarczyk P，et al.The sheep as a knee osteoarthritis model：early cartilage changes after meniscus injury and repair.Lab Anim，2007，41（4）：420-431.

［22］Tomasello M，Kaminski J.Behavior.Like infant，like dog.Science，2009，325（5945）：1213-1214.

［23］Vainio O.Translational animal models using veterinary patients– An example of canine osteoarthritis （OA）.Scandinavian Journal of Pain，2012，3（2）：84-89.

［24］Hembry RM，Dyce J，Driesang I，et al.Immunolocalization of matrix metalloproteinases in partial-thick-ness defects in pig articular cartilage：a preliminary report.J Bone Joint Surg Am，2001，83A（6）：826-838.

［25］Lotz M.Osteoarthritis year 2011 in review： biology.Osteoarthritis Cartilage，2012，20（3）：192-196.

［26］Lascelles BD.Feline degenerative joint disease.Vet Surg，2010，39（1）：2-13.

［27］Rothschild BM，Panza R.Osteoarthritis is for the birds.Clin Rheumatol，2006，25（5）：645-647.

［28］Ehrlich MG，Mankin HJ，Jones H.Biochemical confirmation of an experimental osteoarthritis model.J Bone Joint Surg Am，1975，57（3）：392-396.

［29］Hunziker EB.Biologic repair of articular cartilage.Clin Orthop Relat Res，1999，367（Suppl）：S135-146.