小型實(shí)驗(yàn)動物顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎動物模型的研究進(jìn)展

魏 欣，楊禾豐，胡 瑜，楊 春

(昆明醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔修復(fù)科，昆明650500)

顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎(temporomandibular joint osteoarthritis,TMJOA)屬于顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病[1]，主要表現(xiàn)為張閉口時面部關(guān)節(jié)區(qū)疼痛、關(guān)節(jié)彈響呈摩擦音、張口受限等，對患者的日常生活產(chǎn)生影響，嚴(yán)重者可危及生命。TMJOA可能是關(guān)節(jié)內(nèi)部分區(qū)域無癥狀的退行性病變，發(fā)病晚，早期無癥狀，病理改變不可逆轉(zhuǎn)[2]。骨關(guān)節(jié)炎是一種多病因，累及關(guān)節(jié)軟骨及軟骨下骨、韌帶、肌肉等的疾病，病理改變包括關(guān)節(jié)軟骨變性、軟骨下骨硬化、滑膜炎癥、骨贅形成、周圍結(jié)構(gòu)異常等關(guān)節(jié)退行性改變。手術(shù)創(chuàng)傷、機(jī)械負(fù)荷、膠原蛋白、細(xì)胞因子、基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)均可影響骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生和持續(xù)[3]。

動物模型是研究TMJOA的重要實(shí)驗(yàn)載體，有助于研究者更深入地認(rèn)識TMJOA的發(fā)病機(jī)制、致病因素、疾病進(jìn)展過程以及尋找有效的治療措施，從而提高治療效果，減緩疾病進(jìn)展[4]，保護(hù)關(guān)節(jié)功能。選擇某種實(shí)驗(yàn)動物作為疾病研究模型時，研究人員需要考慮該動物是否在解剖結(jié)構(gòu)和生理功能上與人類有相似性，該動物是否容易獲得、實(shí)驗(yàn)成本是否合適等。由于大型動物實(shí)驗(yàn)成本較高，特殊自發(fā)性TMJOA的動物較少，兔類及鼠類等嚙齒類動物仍是常見的模型動物。目前，構(gòu)建TMJOA動物模型的主要方法有化學(xué)誘導(dǎo)、外科手術(shù)、機(jī)械負(fù)荷、基因工程等，現(xiàn)就此進(jìn)行綜述。

1 顳下頜關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)

顳下頜關(guān)節(jié)是人體內(nèi)最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，包括顳骨關(guān)節(jié)面(關(guān)節(jié)窩和關(guān)節(jié)結(jié)節(jié))、關(guān)節(jié)盤、髁突、關(guān)節(jié)囊以及關(guān)節(jié)韌帶。顳下頜關(guān)節(jié)左右聯(lián)動，支持咀嚼、吞咽、語言以及部分表情等下頜運(yùn)動[5]。與身體的其他關(guān)節(jié)相比，顳下頜關(guān)節(jié)具有不同的形態(tài)、功能、生物力學(xué)和生物學(xué)特性，且只承受有限的承載力[6]。組織學(xué)上，與由Ⅱ型膠原蛋白構(gòu)成透明軟骨的其他關(guān)節(jié)相比，顳下頜關(guān)節(jié)髁突最淺的細(xì)胞層是纖維軟骨，主要由Ⅰ型膠原蛋白組成，而其余較深的細(xì)胞區(qū)則含有Ⅱ型膠原蛋白[3]。顳下頜關(guān)節(jié)纖維軟骨的發(fā)育也不同于透明軟骨的發(fā)育，既是關(guān)節(jié)軟骨也是軟骨下骨礦化的場所。因此，與其他關(guān)節(jié)相比，顳下頜關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨內(nèi)發(fā)生的細(xì)胞改變更有可能影響組織內(nèi)的動態(tài)平衡[7]。

鼠類是建立TMJOA模型最為常用的動物。大鼠顳下頜關(guān)節(jié)由纖維組織和滑膜襯里組成的關(guān)節(jié)囊包裹。關(guān)節(jié)囊從上頜關(guān)節(jié)窩的邊緣延伸到髁突頸。關(guān)節(jié)腔被關(guān)節(jié)盤分隔為關(guān)節(jié)上腔和關(guān)節(jié)下腔。髁突的關(guān)節(jié)面為髁突軟骨和軟骨下骨。大鼠髁突軸是推進(jìn)運(yùn)動的矢狀軸，而人體的髁突軸是三維運(yùn)動的橫向軸[8]。大鼠顳下頜關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)盤為雙凹形，中部較小，由纖維結(jié)締組織組成，其將關(guān)節(jié)分為上下兩腔，與人類相似[9]。顴弓從顳骨延伸到下頜骨髁突上，覆蓋髁突的前半部分,直至髁突頸和髁突外側(cè)，這與人體結(jié)構(gòu)存在差異。在組織學(xué)上，大鼠顳下頜關(guān)節(jié)與人體的顳下頜關(guān)節(jié)有相似性，但人體髁突表面的軟骨細(xì)胞層次更多。因大鼠與人類顳下頜關(guān)節(jié)在解剖學(xué)和組織學(xué)上的相似性，能夠較好地再現(xiàn)顳下頜骨關(guān)節(jié)炎的病程，此外，鼠類還具有經(jīng)濟(jì)、易獲得、易實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，使其最常用于TMJOA的研究。

2 化學(xué)誘導(dǎo)模型

自發(fā)骨關(guān)節(jié)炎模型較難獲得，手術(shù)骨關(guān)節(jié)炎模型操作較復(fù)雜，而藥物誘導(dǎo)TMJOA是采用較為廣泛的方法之一。在人體和動物中，因關(guān)節(jié)下腔空間狹小，行關(guān)節(jié)腔注射較為困難，因而通常行關(guān)節(jié)上腔注射，誘發(fā)骨關(guān)節(jié)炎樣病變，建立TMJOA模型。目前常用的藥物有碘醋酸鈉(monosodium iodine acetate，MIA)、完全弗氏佐劑(complete Freund′s adjuvant，CFA)、血管內(nèi)皮生長因子、Ⅱ型膠原酶等。

關(guān)節(jié)內(nèi)注射MIA誘發(fā)骨關(guān)節(jié)炎被大部分學(xué)者采用[10]。MIA通過抑制甘油醛-3-磷酸脫氫酶的活性抑制糖酵解，造成關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞壞死，導(dǎo)致軟骨損傷和蛋白多糖丟失，從而損害關(guān)節(jié)功能，類似于人類骨關(guān)節(jié)炎的病因[10]。有研究者使用MIA 40 μL(25 mg/mL)Wistar大鼠顳下頜關(guān)節(jié)注射誘導(dǎo)TMJOA，7周后大鼠髁突出現(xiàn)典型的骨關(guān)節(jié)炎樣病變，如軟骨細(xì)胞紊亂、髁狀軟骨變薄、血管增生、軟骨下骨破壞等[11]。有學(xué)者將50 μL (10 mg/mL)碘乙酸鈉注射至新西蘭公兔顳下頜關(guān)節(jié)，60 d后可觀察到髁突表面扁平、不規(guī)則，軟骨基質(zhì)嚴(yán)重丟失，關(guān)節(jié)盤穿孔，軟骨組織和骨異位，骨贅形成，該模型60 d后病程穩(wěn)定無進(jìn)展，類似于人類TMJOA的病理表現(xiàn)[12]。也有學(xué)者采用CFA建立SD大鼠TMJOA模型[13]。研究發(fā)現(xiàn)，將50 μL CFA注射至SD大鼠顳下頜關(guān)節(jié)發(fā)現(xiàn)，關(guān)節(jié)區(qū)出現(xiàn)明顯腫脹，軟骨細(xì)胞排列不規(guī)則，蛋白多糖明顯丟失[13]。血管內(nèi)皮生長因子也可誘發(fā)SD小鼠TMJOA。研究發(fā)現(xiàn)，將50 μL(0.05 mg/mL)血管內(nèi)皮生長因子165注射至SD大鼠顳下頜關(guān)節(jié)，每周1次，4周后可觀察到明顯的軟骨下骨吸收，大量破骨細(xì)胞，骨體積分?jǐn)?shù)和骨小梁厚度明顯降低，蛋白多糖逐漸丟失，軟骨細(xì)胞排列不規(guī)則，軟骨細(xì)胞團(tuán)簇，無細(xì)胞區(qū)增多[14]。Ⅱ型膠原酶也可用于建立SD大鼠TMJOA模型[15]。有研究將0.05 mL 2%的Ⅱ型膠原酶注射至SD大鼠顳下頜關(guān)節(jié)，4周后觀察到關(guān)節(jié)盤和髁突軟骨表面膠原纖維崩解，軟骨細(xì)胞減少，細(xì)胞層次模糊，髁突軟骨厚度變薄，骨小梁變窄，骨髓腔變大[16]。

3 外科模型

切除部分關(guān)節(jié)盤會顯著影響顳下頜關(guān)節(jié)髁突表面的承受力和吸收載荷的能力，導(dǎo)致髁突表面在小范圍內(nèi)承受過多的機(jī)械力，誘發(fā)TMJOA。

鼠類動物是制備TMJOA外科模型的常用動物之一。有學(xué)者報(bào)道，顯微手術(shù)切除C57BL/6J小鼠顳下頜關(guān)節(jié)外側(cè)部分關(guān)節(jié)盤，術(shù)后可見蛋白多糖染色增加,8周時出現(xiàn)軟骨細(xì)胞團(tuán)簇、12周時出現(xiàn)骨軟骨裂紋、16周時髁突軟骨明顯喪失，此外，軟骨退變的嚴(yán)重程度與關(guān)節(jié)盤切除的大小無關(guān)，而與手術(shù)后的時間有關(guān)[17]。Cohen等[18]通過手術(shù)切除C57BL小鼠一側(cè)的部分關(guān)節(jié)盤發(fā)現(xiàn)，手術(shù)側(cè)出現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎的病理表現(xiàn)，對側(cè)則表現(xiàn)出顳下頜關(guān)節(jié)早期關(guān)節(jié)軟骨變性。

兔類因體積較鼠類大，手術(shù)操作相對更容易而被廣泛用于手術(shù)建模。有學(xué)者采用手術(shù)方法造成新西蘭兔顳下頜關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)盤穿孔，12周后可見髁突軟骨厚度明顯變薄，軟骨細(xì)胞明顯減少，出現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎改變，從而成功建立TMJOA模型[19]。研究顯示，關(guān)節(jié)盤穿孔對髁突軟骨下骨的三維顯微結(jié)構(gòu)有顯著影響，軟骨下骨參與了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展[19]。兔顳下頜關(guān)節(jié)盤寬的直徑為3.0～3.5 mm，有學(xué)者通過在新西蘭兔顳下頜關(guān)節(jié)盤外側(cè)部分造成直徑為2.5 mm 的穿孔，從而建立顳下頜關(guān)節(jié)髁突軟骨退行性改變和顳下頜關(guān)節(jié)盤異位骨形成的動物模型[20]。4周時髁突表現(xiàn)出廣泛的表面不規(guī)則，12周時髁突腫脹畸形，表面出現(xiàn)糜爛、潰瘍，髁突寬度增加2 mm；4周和8周時可見髁突表面軟骨細(xì)胞團(tuán)簇形成、軟骨增厚、番紅O染色消失，12周時軟骨損傷明顯，軟骨侵蝕至軟骨下骨，細(xì)胞彌漫性丟失，蛋白多糖含量增加，顳下頜關(guān)節(jié)盤穿孔部位周圍有骨性組織生成[20]。

4 機(jī)械負(fù)荷

5 基因工程

骨關(guān)節(jié)炎是一種涉及遺傳和環(huán)境的多因素疾病[28]。骨關(guān)節(jié)炎的病理發(fā)展遵循典型的組織學(xué)和分子模式。組織學(xué)上骨關(guān)節(jié)炎的特點(diǎn)是進(jìn)行性破壞、關(guān)節(jié)軟骨丟失、膠原蛋白破壞，分子模式由高溫必需因子A1啟動，細(xì)胞盤狀結(jié)構(gòu)域受體2(discoidin domain receptor 2，DDR2)膜受體與其配體Ⅱ型膠原接觸，導(dǎo)致MMP-13上調(diào)，因MMP-13活性增加促使軟骨降解(包括膠原和蛋白多糖)[29]。在TMJOA中，髁突軟骨中與疼痛相關(guān)的細(xì)胞因子高溫必需因子A1、DDR2以及MMP-13表達(dá)顯著升高，顳下頜關(guān)節(jié)是疼痛性骨關(guān)節(jié)炎的常見部位[30]，因顳下頜關(guān)節(jié)與其他關(guān)節(jié)存在共性，骨關(guān)節(jié)炎的遺傳模型已被部分學(xué)者用來研究TMJOA。有學(xué)者應(yīng)用Ⅱ型膠原α1突變的遺傳性小鼠TMJOA模型研究轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)在TMJOA相關(guān)的炎癥通路中所起作用是否與在膝關(guān)節(jié)中類似。研究發(fā)現(xiàn)，突變體模型的髁突軟骨Mankin評分與骨關(guān)節(jié)炎的病理改變一致，免疫熒光檢測TGF-β1在突變型髁突軟骨中高表達(dá)，推測TGF-β1是TMJOA診斷和治療的潛在靶點(diǎn)[31]。有學(xué)者通過沉默成年期小鼠軟骨細(xì)胞中的成纖維細(xì)胞生長因子受體3建立TMJOA模型，4月齡時可觀察到顳下頜關(guān)節(jié)軟骨呈現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎樣缺損的早期特征，包括髁突軟骨表面出現(xiàn)裂痕，軟骨中番紅O染色較少，較深層軟骨細(xì)胞過度肥大，認(rèn)為成纖維細(xì)胞生長因子受體3信號通路在維持成年期顳下頜關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)完整性上有作用[32]。其他可用于研究TMJOA的基因模型包括Prg4-null小鼠模型[33]、Shox2SHOX KI/KI小鼠模型[34]、DDR-1敲除小鼠模型[35]、Dunkin-Hartley豚鼠模型[36]。

6 小 結(jié)

TMJOA是一種由不同的病理機(jī)制引起的復(fù)雜疾病。動物模型是研究這種疾病發(fā)生、發(fā)展的一個重要工具。小型實(shí)驗(yàn)動物因具備實(shí)驗(yàn)成本低、遺傳背景清晰等優(yōu)點(diǎn)，是制備TMJOA動物模型的首選。目前有多種建立TMJOA模型的方法，但均具有優(yōu)缺點(diǎn)。注射式模型具有操作簡單、損傷可控以及重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，但其只能對炎癥的單一因素進(jìn)行模擬，不能全面反映TMJOA的致病因素。對于外科侵入性模型,其優(yōu)點(diǎn)是能夠使實(shí)驗(yàn)動物更快地發(fā)生TMJOA，且重復(fù)性好，但并不能模擬人類的自然發(fā)病過程，其次手術(shù)中對關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的破壞可能會干擾TMJOA的自然進(jìn)展。對于機(jī)械負(fù)荷模型，其優(yōu)點(diǎn)在于操作簡單、易行、創(chuàng)傷小，可以一種更加接近自然的方式誘導(dǎo)TMJOA，但其需要較長的實(shí)驗(yàn)時間，且方法多樣，尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。對于基因工程模型，其優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)病自然，能更好地模擬發(fā)病過程，但與人類TMJOA的發(fā)病機(jī)制可能存在不同，且敲除模型中的失活基因可能會干擾健康軟骨的正常早期發(fā)育。

盡管TMJOA模型種類豐富，但各模型的優(yōu)缺點(diǎn)十分明顯，且目前大部分模型是單一因素模型，并不能全面地反映疾病的病因和病程。多因素模型有報(bào)道，但數(shù)量較少。因此，有必要評估各類模型，改進(jìn)建模方法，從而為深入研究TMJOA提供更為適合的動物模型。