股骨頭壞死動物模型造模方法的研究進展

李 明，李釗煒*，唐保明，李澤清，張 淵，任 榮，胡一博

（青海大學附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，青海 西寧 810001）

股骨頭壞死動物模型造模方法的研究進展

李 明，李釗煒*，唐保明，李澤清，張 淵，任 榮，胡一博

（青海大學附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，青海 西寧 810001）

股骨頭壞死是骨科領(lǐng)域常見及難治的疾病，為研究其發(fā)病機制和治療方法，學者們在該疾病的動物模型研究做出了很多研究，本文就最近幾年來國內(nèi)外對其動物造模方法進行分析整理，從中了解動物造模的最新的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)新的、合適的造模思路，為將來股骨頭壞死研究以及建立更好的動物模型提供參考。

股骨頭壞死；動物模型；研究進展

股骨頭壞死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）是骨科領(lǐng)域常見及難治的疾病，由激素、創(chuàng)傷、酒精等多種病因造成的股骨頭缺血，進一步發(fā)展成骨髓造血細胞、脂肪細胞壞死及骨小梁萎縮、成骨細胞壞死和股骨頭塌陷、髖關(guān)節(jié)功能障礙的一種疾病。國際骨循環(huán)學會（Association Research Circulation Osseous ARCO）將股骨頭壞死定義為：股骨頭血供中斷或受損，引起骨細胞和骨髓成分死亡以及伴隨其后的組織修復，繼而導致股骨頭結(jié)構(gòu)改變、股骨頭塌陷，引起關(guān)節(jié)疼痛、關(guān)節(jié)功能障礙的疾病[1]。美國每年新增股骨頭壞死患者1～2萬人，占到全髖置換手術(shù)的5～18%[2]。國內(nèi)外各國學者在股骨頭壞死的研究方面進行了許多的工作，但是其各項研究及該病的診斷及治療方面研究進展仍非常的令人失望，除了該疾病病因多，發(fā)病機制復雜外，缺乏一種能夠模擬股骨頭壞死患者關(guān)節(jié)塌陷的自然病程和疾病的進展的動物模型，這也是股骨頭壞死研究進展令人失望的一個十分重要的原因。目前還很難建立一個從早期的組織學及影像學改變到晚期的股骨頭塌陷等表現(xiàn)都與人類相似的模型[3]。

建立一種好的股骨頭壞死的動物模型是研究其發(fā)病機制及評價其臨床治療效果的基礎(chǔ)。股骨頭壞死的動物模型已經(jīng)成為這個領(lǐng)域研究的難點之一。目前，ONFH動物模型的建立主要用于探討股骨頭壞死的機制，研究股骨頭壞死的早期診斷，探討股骨頭壞死臨床藥物治療及手術(shù)治療等方面。本文就最近幾年來國內(nèi)外對其動物造模方法進行分析整理，從中了解動物造模的最新的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)新的、合適的造模思路，為將來股骨頭壞死研究以及建立更好的動物模型提供參考。

1 物理方式及化學滅活型方式建立的股骨頭壞死的動物模型

液氮冷凍股骨頭壞死動物模型具有造模時間較快、動物存活率高的優(yōu)點而成為比較常見采用的股骨頭壞死造模方法。Jin等[4]對12只成年比格犬建模，術(shù)后8周其股骨頭出現(xiàn)了塌陷形成了蘑菇云。徐俊等[4]建立了三足犬動物模型，在電腦程序幫助下運用了液氮冷凍系統(tǒng)建模，結(jié)果多數(shù)實驗組動物出現(xiàn)股骨頭變形，囊性變。Velez等[5]聯(lián)合使用血管結(jié)扎及液氮冷凍技術(shù)建立了羊模型，最后顯示實驗動物出現(xiàn)股骨頭壞死特征性雙線征和股骨頭塌陷。Conzemius等[6]聯(lián)合使用血管結(jié)扎及液氮冷凍技術(shù)建立了鴯鹋模型，結(jié)果顯示組織學改變與人類ONFH早期和晚期病理改變相似。高溫加熱的損傷可以造成骨壞死的觀點為越來越多的學者所接受，在持續(xù)穩(wěn)定為43～45℃的熱損傷時，會造成細胞的死亡。Li等通[7]過微波加熱建立兔股骨頭壞死模型，在第12周，約69%造模動物出現(xiàn)股骨頭塌陷。Fan等[8]發(fā)明了一種冷熱交替裝置來建立鴯鹋股骨頭壞死模型，16周后20只造模動物全部出現(xiàn)跛行。Shabat等[9]報道通過給予2-丁氧基乙醇建立兔的骨壞死模型，該模型有利于研究鐮狀細胞病和其他血紅蛋白疾病引起的骨壞死的機制。Ichiseki等[10]運用氧化劑丁硫氨酸亞砜胺制作了大鼠模型，這一模型適用于股骨頭壞死易感基因的篩查。

2 酒精性相關(guān)性的動物模型

在我國，長時間酗酒引起股骨頭壞死也比較多見，目前認為股骨頭壞死程度與飲酒量、飲酒史的長短有關(guān)。Ikemura等[11]研究報道乙醇能造成脂肪代謝紊亂，且乙醇劑量越高，該效應越明顯。目前對于酒精相關(guān)性股骨頭壞死的動物模型，其方法包括酒精灌胃法和股骨頭局部注射法。Wang等[12]通過胃內(nèi)灌注方式每日給予含46%的乙醇的烈酒，建立小鼠股骨頭壞死模型，6個月后在股骨頭的軟骨區(qū)發(fā)現(xiàn)了骨壞死，該動物模型對于酒精相關(guān)性股骨頭壞死的發(fā)病機制及評估臨床的診治有一定的幫助。Okazaki等[13]利用Lieber-DeCarli酒精液體飼料（含5%乙醇）飼養(yǎng)大鼠，發(fā)現(xiàn)飼養(yǎng)1周后便有部分大鼠出現(xiàn)了股骨頭壞死（3/8）. Manggold 等[14]向股骨頭中心注射純乙醇建立了羊股骨頭壞死模型，結(jié)果出現(xiàn)骨壞死。Simank等[15]將酒精注入綿羊股骨頭中心，最后發(fā)現(xiàn)股骨頭中心部位壞死。飼養(yǎng)乙醇或灌胃酒精模仿了人類嗜酒的過程，但動物的股骨頭壞死率不高，全部沒有股骨頭壞死晚期表現(xiàn)，灌胃劑量的選擇及造模時間是其成功的關(guān)鍵點。

3 激素性股骨頭壞死的動物模型

目前，臨床上腎病綜合征、支氣管哮喘、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、器官移植、等疾病需要較長時間使用激素治療，且使用劑量較大，其引起股骨頭壞死的并發(fā)癥，嚴重危害患者健康。

（1）單純激素性股骨頭壞死的動物模型

Miyanishi等[16]進行了使用激素在兔骨壞死的研究，結(jié)果顯示醋酸甲基潑尼松龍是股骨頭壞死動物模型誘導的有效藥物。Motomura等[17]給兔子注射不同劑量醋酸甲基強的松龍，最后發(fā)現(xiàn)注射激素劑量與股骨頭壞死發(fā)生率有一定關(guān)聯(lián)性。Yang等[18]將地塞米松分別以間斷和連續(xù)方式給予小鼠口服，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與臨床治療中間斷使用激素可減少股骨頭壞死發(fā)生率的結(jié)果相符合。

（2）激素+脂多糖的動物模型

脂多糖能激活細胞內(nèi)的分子信號，參與多種細胞因子及粘附分子的表達，使機體處于高凝狀態(tài)，影響末梢循環(huán)進而形成股骨頭壞死。Ma等[19]應用LPS聯(lián)合激素建立兔子動物模型，發(fā)現(xiàn)甲基強的松龍+脂多糖誘導股骨頭壞死的發(fā)生率，遠遠要高于單獨使用激素或脂多糖的股骨頭壞死的發(fā)生率。Qin等[20]建立兔激素型股骨頭壞死模型，給藥6周后，93%的模型兔股骨頭出現(xiàn)壞死，這種造模方式具有方式簡單，方便操作，容易成功、動物存活率高等優(yōu)點，被認為是一種比較好的激素性股骨頭壞死模型。有學者[21]通過聯(lián)合使用內(nèi)毒素及潑尼松對小鼠造模，結(jié)果發(fā)現(xiàn)脂多糖導致小鼠的體質(zhì)量明顯下降的同時其脾臟的質(zhì)量卻明顯上升，并且壞死股骨頭中腫瘤因子α明顯增高。說明了LPS在股骨頭壞死造模中所起到的作用與腫瘤因子α有著密切的聯(lián)系。Zheng等[19]對鴯鹋序貫注射內(nèi)毒素及甲基龍，研究人員認為，內(nèi)素毒及甲基龍的序貫使用是建立激素性鴯鹋動物股骨頭壞死模型一種較為理想的方法，可以作為激素性股骨頭壞死的臨床前期研究的模型。

（3）激素+異體血清股骨頭壞死的動物模型

實驗動物注射異體血清后，能夠發(fā)生脈管系統(tǒng)炎癥，再使用激素誘導股骨頭壞死，這種造模方法符合人類股骨頭壞死的疾病發(fā)生、發(fā)展的自然過程。Matsui等[22]給予兔子注射馬血清，結(jié)果發(fā)現(xiàn)33%兔子股骨干骺端發(fā)生骨壞死，同時腎臟組織中有免疫性復合物附著，與臨床工作中患者使用激素后比較容易發(fā)生股骨頭壞死的現(xiàn)象比較一致。Isuji等[23]給予兔子經(jīng)靜脈注射無菌、滅活的馬血清，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其病理發(fā)生過程與臨床上系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者發(fā)生的免疫復合物附著的病理過程非常相像，但是僅有早期的骨壞死而且未出現(xiàn)在股骨頭部位。

4 手術(shù)創(chuàng)傷性股骨頭壞死的動物模型

創(chuàng)傷性股骨頭壞死臨床上很常見，對實驗動物進行手術(shù)，模擬臨床工作中常常遇到的創(chuàng)傷因素導致股骨頭缺血壞死的發(fā)生的情況。 Swiontkowski等[24]運用手術(shù)的方式建立了股骨頭壞死的動物模型，結(jié)果顯示股骨頭都存在一定程度的骨壞死并伴有骨小梁結(jié)構(gòu)的改變。.Aruwajoye等[25]運用手術(shù)的方式建立了在的Yorkshire小豬單側(cè)未成熟的股骨頭上建模，結(jié)果顯示在骨小梁及骨髓區(qū)分布有大量的壞死細胞，這一種動物模型是研究LCPD的經(jīng)典動物模型，可用于股骨頭壞死發(fā)生機理及預防方法的研究。Gao等建立了狗股骨頭壞死模型，組織學顯示股骨頭內(nèi)含有骨髓細胞碎片，陷窩細胞和（或）細胞核缺損，脂肪細胞增多。有學者用新西蘭兔造模，手術(shù)切除髖關(guān)節(jié)囊，模擬臨床上股骨頭壞死的早期階段，實驗結(jié)果顯示股骨頭骺板有壞死斑的發(fā)生，這種情況與人類股骨頭壞死的早期階段相一致。Peskin等[24]實驗結(jié)果顯示有連接股骨頭骨骺和干骺端的骨橋形成，這為臨床上股骨頭變形的發(fā)生提供了一種相對合理的解釋。Wen等[25]使用手術(shù)方式切斷股骨頸，然后使用轉(zhuǎn)基因的骨髓間充質(zhì)干細胞移植進行治療，實驗發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因的骨髓間充質(zhì)干細胞移植技術(shù)可能是治療股骨頭壞死早期階段的一種較理想的方法。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，目前，由于股骨頭壞死疾病病因多，發(fā)病機制復雜，以及人和動物的客觀上存在的種種差異，還沒有一種理想的動物造模方法可以完全復制與人類股骨頭壞死患者關(guān)節(jié)塌陷的自然病程、病理過程完全一致。目前的動物模型都有其優(yōu)勢，但也都存在其不足。物理方式建立的模型，如液氮冷凍等，可作為模擬臨床手術(shù)等治療方法研究的動物模型，較其他方法制備的模型更適合于動物模型造模方法的標準化的研究。激素性相關(guān)性及酒精性相關(guān)性股骨頭壞死的動物模型適合于病因、病理及綜合性研究。激素+輔助制劑造模比較符合人類股骨頭壞死的自然病理過程。手術(shù)創(chuàng)傷性方式動物模型模擬了臨床實際工作中最多見的股骨頭壞死的類型，有利于股骨頭壞死的分期，但其不能根據(jù)不同的病因進行造模，難以推廣。因此，建立理想的股骨頭壞死模型是一項時間長久的研究課題，隨著社會經(jīng)濟、科技的發(fā)展，必將發(fā)現(xiàn)更加符合人類股骨頭壞死的自然病理、病程的動物模型，從而推動股骨頭壞死疾病診療工作的進步。

[1]中華醫(yī)學會骨科分會顯微修復學組及中國修復重建外科專業(yè)委員會骨缺損及骨壞死學組。成人股骨頭壞死診療標準專家共識(2012年版)[J/CD].中華關(guān)節(jié)外科雜志:電子版,2012,6:479-484.

[2]Babis GC,Sakellariou V,Parvizi J.Ostenecrosis of the femoral head.Orthopedics.2011;34(1):39.

[3]Conzemius MG,Brown TD, Zhang Y,et al.A new animal modelof femoral head osteonecrosis:one that progresses to human-like mechanical failure[J].J Orthop Res,2002,20(2):303-309.

[4]徐 俊,張長青,孫建琪,等.計算機輔助下低溫手術(shù)建立三足犬股骨頭壞死模型的初步報告[J].中國修復重建外科雜志,2008, 22(3):76-280.

[5]Velez R,hernandez-Fernandez A,Caminal M,al.Treatment of femoral head ostenecrosis with advanced cell therapy in sheep. Arch Orthop Trauma Surg.2012;132(11):1611-1618.

[6]Conzemius MG,Brown TD,Zhang YD,et al,A new animal modal of femoral osteonecrosis:one that progresses to human-like mechanical failure.J Orthop Res,2002,20(2):303-309.

[7]Fan M,Peng J,Wang A, et al.Emu modal of full-range femoral head osteonecrosis induced focally by an alternating freezing and heating insult.J Int Med Res.2011;39(1):187-198.

[8]Shabat S,Nyska A,Long PH,et al.Osteonecrosis in a chemically induced rat model of human hemolytic disorders associated with thrombosis- a new model for avascular necrosis of bone.Calcif Tissueint,2004,74:220-228.

[9]Ichiseki T,Kaneuji A Ueda Y,et al.Osteonecrosis development in a noval rat model characterized by a single application of oxidative stress.Arthritis Rheum,2011,63(7).

[10]Wang Y,Yin Li Y,et al.Preventive effects of puerarin on alcoholinduced osteonecrosis.Clin Orthop Relat Res,2008,466:1059-1067.

[11]Okazaki S,Nagoya S,Tateda K.Experimental rat model for alclhol-induced osteonecrosis of the feoral head Int J Exp Pathol.2013;94(5):312-319.

[12]Manggold J,Sergi C,Becker K,et al.A new animal modal of femoral head necrosis induced by intraosseous injection of ethanol. Liab Anim,2002,36:173-180.

[13]Simank H G,Mang gold J Sebald W,et al.Bone morphogenetic protein-2 and growth and differentiation factor-5 enhance the Healing of necrotic bone in a sheep model[J].Growth Factors,2001,19(4):247-257.

[14]Miyanishi K,Yamamoto T,Irisa T,et al.Effects of different corticosteroids on the development of osteonecrosis in rabbits[J]. Rheumatology(Ox-ford),2005,44(3):332-336.

[15]Motomura T,Yamamoto T,Irisa T,et al.Dose effects of corticosteroids on the development of osteonecrosis rabbits .J Rhe umatol,2008,35(12):2395-2399.

[16]Yang L,Boyd K,Kaste SC,et al.A mouse model for glucocorticoidinduced osteoncrosis:effect of a steroid holiday.J Orthop Res,2009,27(2):169-175b.

[17]Qin L,Zhang G,Sheng H,et al. Multipe bioimaging modalities in evaluation of an experimental osteoncrosis induced by a combination of lipopolysaccharide and methylprednisolone. Bone,2006,39:863-871.

[18]Ryoo S,Lee S,Jo S,et al.Effect of lipopolysaccharide on mouse model of steroid-induced avascuiar necrosis in the femoral .J Microbiol Biotechnol.2014;24(3):394-400.

[19]Zheng LZ,Liu Z,Lei M,et al.Steriod-associated hip joint collapse in bipedal emus.PLoS One.2013;8(10):e76797.

[20]Matsui M,Ohzono K,Nakamura N,et al.The immune reaction to heterologous serum causes osteonecrosis in rabbits.Virchows Arch,1995,477(2):205-211.

[21]Aruwajoye OO,Patel MK,Allen MR,et al.Microcrack density and nanomical properties in the subchondral region of the immature piglet femoral head following ischemic osteonecrosis Bone.2013;52(2):632-639.

[22]Gao YS,Guo SC,Ding H,et al.Caspase-3 may be employed as an early predictor for fracture-induced osteoncrosis of the femoral head in a canine model.Mol Med Rep,2012,6:611-614.

[23]When Q,Jin D,Zhou CY,et al.HGF-transgenic MSCs can improve the effects of tissue self-repair in a rabbits model of traumatic osteoncrosis of the femoral head.Plos one.2012;7(5):e37503.

[24]Peskin B,Shupak A,Misselevich I,et al.Transpyseal Osseous bridges in experimental osteoncrosis of the femoral head of the rat[J],J Pediar Orthop B,2001,10(3):214-218.

[25]Wen Q,Jin D,Zhou CY,et al.HGF-transgenic MSCs can improve the effects of tissue self-repair in a rabbits model of traumatic osteoncrosis of the femoral head.PLoS One,2012,7:e37503.

本文編輯：李 豆

Research progress of modeling method for animal model of avascular necrosis of femoral head

LI Ming, LI Zhao-wei*, TANG Bao-ming, LI Zeqing, LI Ze-qing,
ZHANG Yuan, REN Rong, HU Yi-bo (Department of orthopaedics,af fi liated hospital of Qinghai university,Qinghai Xining 810001,China)

Avascular necrosis is a common and refractory disease, orthopedic field to study the pathogenesis and treatment methods,scholars research in animal models of the disease has made a lot of research, this article chooses the building method of the avascular necrosis of the femoral head at home and abroad, observes, so that to grasp the building of new changes, to find new suitable building ideas, femoral head necrosis for the future research and build better animal models to provide the reference.

Femoral head necrosis；Animal model；Research progress

R68

A

ISSN.2095-6681.2017.12.4.03

青海省科技廳自然科學；項目名稱：富血小板血漿(PRP)與高原地區(qū)脊柱結(jié)核病的關(guān)系研究；項目編號：2014-ZJ-761

李釗煒（1971～），男，青海省西寧市人，漢，研究生，主任醫(yī)師，碩士研究生導師；青研究方向：四肢骨盆創(chuàng)傷及脊柱矯形；Tel:13709743526，E-mail：18697126038@163.com，通訊地址：青海省西寧市同仁路29號；郵編：810001

李 明（1977年～），男，江蘇省南京市人，漢，碩士研究生在讀，住院醫(yī)生，研究方向：研究四肢及骨盆創(chuàng)傷。