藥物注射法建立膝骨性關(guān)節(jié)炎動物模型研究進(jìn)展*

錢燦穎 劉 磊,2△

膝骨性關(guān)節(jié)炎(Knee Osteoarthritis,KOA),又稱為退行性骨關(guān)節(jié)炎、老年性關(guān)節(jié)炎等,是臨床上常見的退行性骨關(guān)節(jié)炎疾病。其主要病理變化是膝關(guān)節(jié)軟骨的磨損、退變、增生等[1], 60歲以上患者的發(fā)病率為50%,75歲以上患者的發(fā)病率為65%,致殘率高達(dá)53%[2,3]。臨床可表現(xiàn)為慢性進(jìn)行性發(fā)展的膝關(guān)節(jié)腫脹,疼痛、僵硬,繼發(fā)性滑膜炎等,給患者帶來生理上和心理上的雙重?fù)p害。

目前中國的老齡化程度加劇,此病的發(fā)病率呈顯著上升趨勢,因此開展多途徑治療KOA的作用和機(jī)制研究,探索更有效的干預(yù)方法,進(jìn)一步提高此病的治療效果尤為必要。動物實驗研究是開展KOA發(fā)病和治療機(jī)制探索的重要途徑,然而研究方法不同,所使用的的模型制作各有優(yōu)缺點,本文就藥物注射法建立KOA動物模型的優(yōu)勢展開分析,并對相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行梳理,以期推動KOA的臨床及研究。

1 實驗動物的選擇

相比臨床研究,采用動物實驗開展疾病的發(fā)病和治療機(jī)制具有取材檢測便捷、研究周期可控、研究成本較小等優(yōu)勢。目前臨床研究常用的實驗動物包括大鼠、小鼠等小型動物,以家兔為代表的中體型動物及犬、羊、猴等大型動物。其中小型動物的優(yōu)勢在于體積小,易抓捕和飼養(yǎng),但關(guān)節(jié)較小,實驗操作較為困難。研究表明,以小鼠為KOA實驗?zāi)Ｐ投嘤糜谘芯縆OA遺傳和分子水平的發(fā)病機(jī)制,且多使用基因敲除小鼠[4]。大鼠由于自身特殊的解剖結(jié)構(gòu),軟骨的骨質(zhì)比較厚,不容易形成自發(fā)型KOA,一般多作為誘發(fā)型KOA的實驗對象。因此,大鼠廣泛運用于KOA發(fā)病機(jī)制和不同干預(yù)方式對KOA炎癥反應(yīng)、骨質(zhì)修復(fù)等影響的動物實驗研究[5]。豚鼠的生理結(jié)構(gòu)是其作為自發(fā)性KOA模型的一大優(yōu)勢,如Hartly豚鼠,其內(nèi)翻的膝關(guān)節(jié)負(fù)重較大,正是KOA的多發(fā)部位,且病理表現(xiàn)與人類KOA十分類似,多用于模擬臨床治療和評估[6]。

中、大體型動物具有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)易于實驗操作的特點,但所需費用較昂貴,飼養(yǎng)條件要求高。中大型動物模型以犬、羊、猴為主。其體型較大,膝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)與人類的相似度較高,造模方法簡單,但存在著價格高、飼養(yǎng)難度、疾情進(jìn)展慢、觀察時間長等缺點[7]。

2 動物模型的分類

KOA造模方法一般分為2種:自發(fā)性動物造模和誘發(fā)性動物造模。自發(fā)性動物造模是自然產(chǎn)生的,人類不進(jìn)行干預(yù);陳松[8]將3個月大的豚鼠喂養(yǎng)2個月后構(gòu)建了自發(fā)性豚鼠KOA模型,并對造模后的豚鼠膝關(guān)節(jié)做病理切片,發(fā)現(xiàn)豚鼠的成骨細(xì)胞和成纖維樣滑膜細(xì)胞有了明顯的變化。這種造模方法成功率較高,且受外界因素干擾較小。但也存在著造模周期較長,費用成本高的弊端。

另一種是誘發(fā)性動物造模,指通過人為干預(yù),注射藥物、手術(shù)誘導(dǎo)等產(chǎn)生[9]。相比自發(fā)性動物造模,誘發(fā)性動物造模能夠更加個性化的根據(jù)研究需要復(fù)制特定病理過程的模型動物。相比手術(shù)造模,藥物注射誘導(dǎo)制作KOA動物模型具有操作簡便、創(chuàng)傷性較小、可控性較好等優(yōu)勢。目前,在實驗中常用的藥物注射誘導(dǎo)KOA模型的藥劑包括木瓜蛋白酶、碘乙酸鈉、膠原酶等。

2.1 注射木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶是一種蛋白水解酶,是一種常用的KOA動物造模方案。通過分解軟骨基質(zhì)中的蛋白多糖,降低了對軟骨細(xì)胞的保護(hù)能力,使得軟骨細(xì)胞更易被破壞,從而加快KOA的發(fā)展[10]。木瓜蛋白酶關(guān)節(jié)內(nèi)注射多用于誘導(dǎo)家兔、鼠等動物骨關(guān)節(jié)炎。何俊君等[11]向兔模型的膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射木瓜蛋白酶,在第1、4、7天注射濃度為4%的木瓜蛋白酶溶液造模,2周后成功造出早期的KOA兔模型。這種造模周期短、成功率高的模型為建立早期KOA模型奠定了基礎(chǔ)。韓冠英等[12]比較了注射2%、5%、10%濃度的木瓜蛋白酶建立的兔KOA動物模型,并于注射后的第2、4、6周對膝關(guān)節(jié)進(jìn)行研究實驗,發(fā)現(xiàn)KOA的嚴(yán)重程度會隨著濃度和時間的增高而增高。不同濃度的木瓜蛋白酶注射用于制備不同嚴(yán)重程度的骨關(guān)節(jié)炎模型,為研究KOA的病理表現(xiàn)和治療方法提供了數(shù)據(jù)支持。

2.2 注射碘乙酸鈉碘乙酸鈉是甘油醛-3-磷酸脫氫酶的抑制劑,是臨床上最常用的OA關(guān)節(jié)腔注射化合物[13],能引發(fā)軟骨基質(zhì)的退行性改變,軟骨的降解和丟失,這些病理變化與人KOA的病理變化較類似。張文強等[14]將0.1 ml 4%碘乙酸鈉溶液50 μl注入大鼠膝關(guān)節(jié)腔,2周后建模側(cè)膝關(guān)節(jié)出現(xiàn)腫脹及屈伸功能障礙,顯示造模成功。鮑哲明等[15]發(fā)現(xiàn),碘乙酸鈉注射復(fù)制動物模型后可見軟骨表面缺損,關(guān)節(jié)周緣骨贅增生,軟骨下骨密度減低,骨小梁變薄稀疏,組織切片見軟骨結(jié)構(gòu)形態(tài)紊亂,局部簇集現(xiàn)象,染色變淺甚至消失,同時認(rèn)為,碘乙酸鈉造模2周時達(dá)到OA中期階段,造模4周時為OA晚期階段。

2.3 注射膠原酶膠原酶是一種金屬蛋白酶,通過分解軟骨間質(zhì)的膠原蛋白,損傷關(guān)節(jié)內(nèi)的肌腱、韌帶和半月板等各型膠原纖維,從而導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定,誘導(dǎo)KOA的發(fā)生。葛海雅等[16]在實驗第1、4天于大鼠膝關(guān)節(jié)腔注射0.4 mg/mlⅡ型膠原酶,第7天運用膝關(guān)節(jié)核磁共振技術(shù)進(jìn)行模型鑒定,確認(rèn)造模成功。Ad?es等[17]通過在大鼠膝關(guān)節(jié)內(nèi)注射膠原酶制作為OA模型,發(fā)現(xiàn)膠原酶可誘導(dǎo)OA樣組織病理學(xué)改變和運動誘導(dǎo)的傷害感受的發(fā)生。Kikuchi等[18]分別將0.5、1.0、2.0 mg的膠原酶注射入成年兔模型的膝關(guān)節(jié)腔內(nèi),經(jīng)過6周的組織學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)膠原酶的劑量越大,關(guān)節(jié)軟骨和滑膜的變性程度也越大,且外側(cè)的關(guān)節(jié)軟骨退變程度大于內(nèi)側(cè)。隨著時間加長,滑膜變性開始逐漸緩解。

3 小結(jié)

KOA的實驗動物藥物注射種類多樣,各有其特點和適用范圍,注射藥劑的選擇應(yīng)結(jié)合病癥表型和研究觀察指標(biāo)等實際需要,并做出適應(yīng)性的考量。藥物注射法實驗操作相對簡單,造模的成功率相對較高,對動物創(chuàng)傷性小,且得到的模型相對穩(wěn)定,帶有明顯的軟骨破壞,便于組織形態(tài)學(xué)觀察[19]。不同藥物制劑間各有區(qū)別,但從目前的研究來看,關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射木瓜蛋白酶可引起骨性關(guān)節(jié)炎急速發(fā)生,造模的時間短,可重復(fù)性高,是較為經(jīng)典的一種動物KOA造模方案[20,21]。有報道指出,木瓜蛋白酶、碘乙酸鈉和Ⅱ型膠原蛋白酶均可致大鼠KOA模型且雌雄組別差異無統(tǒng)計學(xué)意義,但碘乙酸鈉模型關(guān)節(jié)病理特征更為顯著,能造成關(guān)節(jié)軟骨更嚴(yán)重的損傷[22]。木瓜蛋白酶制作的動物模型與早期人體KOA的病理變化類似,且關(guān)節(jié)軟骨的退行性改變程度隨木瓜蛋白酶濃度和誘導(dǎo)時間呈正相關(guān)[23],可用于研究不同病程周期的KOA病變機(jī)制和干預(yù)治療。碘乙酸鈉可導(dǎo)致動物關(guān)節(jié)軟骨出現(xiàn)更為顯著的炎性病理變化,但容易造成大量軟骨細(xì)胞凋亡,對實驗造成影響[24],此方法造模多用于研究中、晚期骨性關(guān)節(jié)炎疼痛、檢測治療方法。而膠原酶則更類似于中晚期OA的病變,適合外科關(guān)節(jié)手術(shù)方面的研究[25]。