骨質(zhì)疏松癥動物模型研究進展

張悅 李運峰

口腔疾病研究國家重點實驗室，國家口腔疾病臨床研究中心，四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院正頜與關(guān)節(jié)外科，四川 成都 610041

機體的骨量多少是由成骨細胞和破骨細胞功能的平衡決定的，成骨細胞形成新骨，破骨細胞造成骨吸收。當成骨細胞活性大于破骨細胞活性時，新骨形成大于骨吸收，骨量增加，反之骨量減少。骨質(zhì)疏松癥形成的機制即破骨細胞活性相對增加，導(dǎo)致形成骨吸收大于骨形成的負平衡狀態(tài)，從而使機體骨量減少、骨小梁結(jié)構(gòu)破壞，骨組織生物力學(xué)性能減低、易于發(fā)生骨折。骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生與飲食、日?；顒?、體內(nèi)激素變化、細胞因子以及臨床情況如糖尿病和糖皮質(zhì)激素治療有關(guān)[1]。隨著人口老齡化進程的加速，骨質(zhì)疏松癥尤其是絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生率逐漸上升，骨質(zhì)疏松癥在醫(yī)學(xué)上和社會性的影響逐漸加深。骨質(zhì)疏松癥有以下幾個特點：①潛行性的骨量喪失和生物力學(xué)性能下降。②容易發(fā)生骨折，好發(fā)于椎骨、髖關(guān)節(jié)、股骨轉(zhuǎn)子間、肱骨近心端以及腕關(guān)節(jié)。③導(dǎo)致慢性疼痛，喪失自主活動能力，活動性降低。④雙能X線吸收測量法(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)是一種精準有效的早期診斷骨質(zhì)疏松癥的方法。⑤目前骨質(zhì)疏松癥治療藥物眾多，但是長期效果不理想[2]。頜骨骨質(zhì)疏松是骨質(zhì)疏松癥的一種局部表現(xiàn)，在骨折和牽張成骨的患者中常常會導(dǎo)致成骨效果不佳，影響頜面外科手術(shù)的設(shè)計和治療效果。

本文對不同種類動物作為骨質(zhì)疏松癥模型的優(yōu)缺點、建立骨質(zhì)疏松癥模型的方法、絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥動物模型中對不同部位骨骼的影響以及骨質(zhì)疏松癥的治療作簡要概述。

1 骨質(zhì)疏松癥模型動物的選擇

使用動物模型進行實驗研究，可以用數(shù)量較少的動物得到較精確、穩(wěn)定和可重復(fù)的結(jié)果。常用來作為骨質(zhì)疏松癥動物模型的有鼠、兔、犬、豬、羊以及非人類靈長類動物等，各有其特點。

1.1 鼠

1.1.1大鼠：大鼠壽命一般為2～3年，老年期大鼠可作為模擬人臨床特征的動物模型。大鼠骨質(zhì)疏松癥模型優(yōu)點：(1)價格低廉，易于飼養(yǎng)。(2)骨骼代謝情況與人類類似：卵巢切除術(shù)后骨轉(zhuǎn)換率高，對雌激素的反應(yīng)類似，骨量隨年齡的增長而降低，松質(zhì)骨的重建和分布相似[3]。(3)大鼠去勢實驗條件容易控制，建模因素單一，實驗結(jié)果可靠，重復(fù)性較好。缺點：(1)由于大鼠去卵巢后骨皮質(zhì)改建不明顯，不適用于研究去勢后對皮質(zhì)骨的影響。(2)大鼠骨骼缺少哈佛系統(tǒng)，不能觀察到哈氏重建[4]。(3)大鼠體積小，血容量低，生命周期短，不能提供足夠的樣本行多骨活檢和大量血樣檢測。其藥代動力學(xué)不同于人的藥代動力學(xué)。(4)大鼠骨骺閉合時間較長，骨重建周期較短。

1.1.2小鼠：小鼠多用于研究老年性骨質(zhì)疏松癥，SAM-P6(Senescence-accelerated mouse-P6)是一種衰老加速的小鼠，骨丟失隨年齡增長而增加，性別間差異無顯著性?？勺C實隨年齡增加出現(xiàn)骨脆性骨折[5]。近年對于SAM-P6形態(tài)和分子研究表明，松質(zhì)骨骨量丟失明顯，而皮質(zhì)骨沒有明顯變化；骨內(nèi)膜表面和骨小梁間新骨形成減少，而骨髓腔脂肪增多[6]。

1.2 犬

犬的骨松質(zhì)與骨皮質(zhì)構(gòu)成與人類骨骼類似，骨組織結(jié)構(gòu)和骨代謝方面也與人類接近；具備豐富的哈佛氏重建，哈佛氏重建與人類相近，可以更好地模擬人類骨骼代謝過程；而且其體形較大，可滿足多次取骨活檢的需要，適用于長期多次取樣的實驗研究。其缺點在于：去勢手術(shù)對犬的骨量的影響并不明顯，甲狀旁腺激素的改變和雌激素耗竭對術(shù)后骨量亦無顯著影響[7-8]。

1.3 兔

兔作為動物模型廣泛用于醫(yī)學(xué)實驗研究中。兔的壽命一般為5～10年，性成熟期為5～6個月。優(yōu)點：(1)價格低廉，飼養(yǎng)條件簡單。(2)單品種繁育能力強，繁育方便。(3)生命周期較長，體格適中，便于長期的動態(tài)觀察。(4)哈佛氏重建能力與人類似。(5)更適于骨植入物相關(guān)研究。

1.4 其他

Zarrinkalam等[9]研究表明，羊是椎骨骨質(zhì)疏松癥研究的理想模型。經(jīng)過去勢、低鈣飲食飼養(yǎng)和激素注射處理后成功建模后，羊椎骨骨密度降低25%以上，骨小梁密度下降33.4%，骨骼機械性能明顯降低。由于豬的解剖生理結(jié)構(gòu)、骨骼代謝等與人類相似，被運用于多種疾病的研究。小型豬由于體格相對于普通豬來說較小，便于飼養(yǎng)和取樣，它已成為一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型實驗動物[10]。

非人類靈長類動物比如恒河猴，其組織器官、骨生物力學(xué)特性、雌性動物性周期與人類相似[11]，是很有潛力的動物模型。

2 骨質(zhì)疏松癥動物模型的類型

2.1 糖皮質(zhì)激素相關(guān)性骨質(zhì)疏松癥模型

2.1.1糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)嚙齒動物骨質(zhì)疏松癥模型：糖皮質(zhì)激素相關(guān)性骨質(zhì)疏松癥是繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥最常見的類型。接受糖皮質(zhì)激素治療的患者，最開始出現(xiàn)骨密度快速下降是由于骨吸收增強，緊接著骨密度下降速度減緩，這是由于新骨形成減少。該類型骨質(zhì)疏松癥中主要出現(xiàn)松質(zhì)骨丟失，因此骨折好發(fā)于富含松質(zhì)骨的部位，例如椎骨和股骨頸[12]。糖皮質(zhì)激素相關(guān)性骨質(zhì)疏松癥的研究常選用小鼠、大鼠、兔、犬和羊等作為實驗動物模型。

在嚙齒動物中，大鼠最常被選用作檢測糖皮質(zhì)激素對于骨骼的影響效果。其中，大鼠的年齡、糖皮質(zhì)激素的劑量以及持續(xù)用藥的時間是影響實驗結(jié)果的關(guān)鍵因素。2～3月齡的雌性SD大鼠持續(xù)低劑量[0.5 mg/(kg·d)]口服潑尼松龍6個月后，松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨均未見明顯改變[13]。雄性大鼠連續(xù)注射氫化可的松16 d，劑量為32 mg/(kg·d)，可以觀察到皮質(zhì)骨骨量的增加[14]。對成年雌性SD大鼠通過微小滲透泵持續(xù)灌注地塞米松(16.25 mg/d)19 d，使松質(zhì)骨骨量增加[15]。對2月齡雌性Wistar大鼠連續(xù)注射甲基強的松[1、3、6、9 mg/(kg·d)]90 d，皮質(zhì)骨骨量減少，松質(zhì)骨骨量顯著增加，皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的新骨形成均有降低[16]。對32周齡雄性Wistar大鼠每周一次注射甲基強的松龍[7 mg/(kg·周)]，最終使皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨骨量均降低[17]。予雄性SD大鼠口服潑尼松龍1.5、3.0、6.0 mg/(kg·d)，持續(xù)90 d，實驗結(jié)果顯示，骨干皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨均無明顯改變，但是干骺端的皮質(zhì)骨減少，松質(zhì)骨骨形成和骨吸收均有下降[18]。

2.1.2糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)大型動物骨質(zhì)疏松癥模型：6～7月齡雌性白兔持續(xù)5個月口服潑尼松龍[0.7 mg/(kg·d)]，皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨骨量均減少[19]。8月齡新西蘭大白兔注射甲基潑尼松龍[1 mg/(kg·d)]，可觀察到椎骨骨密度和骨量的減少[20]。1.6年齡雄性比格犬持續(xù)29周口服潑尼松龍(1.3 mg/kg)，可使椎骨骨密度減少，新骨形成減少，骨吸收未見明顯改變[21]。予9年齡羊持續(xù)3個月注射甲基強的松龍[0.25 mg/(kg·d)]，松質(zhì)骨的新骨形成和骨吸收均有減少，但是骨量沒有明顯改變[22]。

高劑量的糖皮質(zhì)激素可能會造成骨壞死[23]、免疫抑制等嚴重后果，甚至可能導(dǎo)致動物死亡[24]。最后，雖然糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)法相對于去勢法來說，動物骨量丟失更加明顯，但是當停止使用糖皮質(zhì)激素后，骨丟失效果會逆轉(zhuǎn)[25]。

大鼠、兔和羊適合作為糖皮質(zhì)激素相關(guān)性骨質(zhì)疏松癥模型的研究。其各自特點如下：大鼠疾病重復(fù)性好、價格低廉，但是缺少哈佛氏系統(tǒng)、骨改建周期短、骨骼無法達到完全成熟；兔有完整的哈佛氏系統(tǒng)、骨轉(zhuǎn)化快速、骨骼可完全發(fā)育成熟，不足的是兔缺乏松質(zhì)骨；羊體格較大，可以提供充足血液或骨組織以供取材，但是羊作為骨質(zhì)疏松癥動物模型耗時較長、費用昂貴，限制了其廣泛應(yīng)用。

2.2 絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥模型

絕經(jīng)后卵巢功能下降，體內(nèi)雌激素分泌減少，從而造成骨吸收增強，導(dǎo)致快速的骨丟失。最常選用的動物是切除卵巢的小鼠、大鼠、羊以及非人類靈長類動物。Jilka等[26]研究表明，切除卵巢后，小鼠隨即出現(xiàn)松質(zhì)骨減少，但是皮質(zhì)骨沒有明顯變化，17-β-雌二醇替代雌激素可以阻止骨量喪失。關(guān)于大鼠去勢后骨質(zhì)變化的研究更為透徹，切除卵巢后14 d脛骨近心端骨量丟失最明顯，30 d時股骨頸骨量喪失最多，60 d時腰椎椎骨骨量丟失達到高峰[27-29]。切除卵巢對于皮質(zhì)骨的影響如下，骨吸收主要發(fā)生于骨內(nèi)膜，而新骨形成主要發(fā)生在骨膜，導(dǎo)致骨髓腔擴大。在切除卵巢后的90～120 d時，可以觀察到皮質(zhì)骨厚度變薄和骨髓腔擴大的現(xiàn)象[30]。已有研究證實，切除羊卵巢后3個月骨吸收達到峰值，4個月時骨形成達到峰值。去勢手術(shù)6個月后，皮質(zhì)骨表面空隙、類骨質(zhì)增多，粗糙度增加，然而松質(zhì)骨無明顯改變[31]。將羊固定進行長期重復(fù)性的檢測存在技術(shù)上的難度。Binkley等[32-33]研究表明，猴切除卵巢后3個月可以觀察到快速的骨轉(zhuǎn)化和骨量喪失，相關(guān)研究已經(jīng)應(yīng)用于許多骨質(zhì)疏松癥新藥研究中。

2.3 老年性骨質(zhì)疏松癥模型

老年性骨質(zhì)疏松癥是由于年齡的老化引起的骨質(zhì)疏松癥。SAMP6可作為老年性骨質(zhì)疏松癥模型，它是目前僅有的一種能證明增齡性骨脆性骨折的動物。SAMP6在4月齡時骨量達到峰值，之后骨量逐漸丟失，并且上述變化在雌雄之間無差異，與老年性骨質(zhì)疏松癥患者的病理變化相似[34]。

2.4 失用型骨質(zhì)疏松癥模型

機體長期無負重、制動或長期臥床會導(dǎo)致失用型骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生，通常見于長期臥床不起患者或失去自主活動能力的老年人。通常使用坐骨神經(jīng)切除法、脊髓半橫斷、石膏固定、懸吊法[35]、套筒法等方法建立失用型骨質(zhì)疏松癥模型。在吊尾實驗中，小鼠被懸吊尾巴，上肢可以自由活動，獲取食物。可以觀察到新骨形成減少，骨吸收增加或不變[36]。也有實驗結(jié)果表明[37]，小鼠懸吊兩周后，新骨形成不顯著，骨喪失明顯增多。制動法也可以達到降低新骨形成，增加骨吸收的效果[38]。此外，年齡也是一個重要的因素，實驗證實，處于生長期的嚙齒動物對于失重法更為敏感[39]。已有研究證實，糖皮質(zhì)激素在失用型骨質(zhì)疏松癥模型中沒有明顯作用[40]，因為失重法和對照組大鼠血漿皮質(zhì)類固醇含量沒有明顯差別，腎上腺切除法也不能阻止失用型骨質(zhì)疏松癥骨量的喪失。失用法建造骨質(zhì)疏松癥模型對長骨的影響明顯，但是對牙槽骨影響不明顯，可以通過拔牙的方法模擬失用型牙槽骨疏松。

3 雌激素減少致骨質(zhì)疏松癥動物模型對不同部位影響的差別

Liu等[41]研究指出，腰椎和髂骨去勢手術(shù)后骨丟失量相似(去勢手術(shù)后36周時，骨密度降低51.6%)，脛骨(75%)、股骨(70.4%)骨丟失量最多，脊柱骨喪失36.6%。去勢術(shù)后，長骨、腰椎和髂骨的骨小梁破壞明顯，頜骨的骨喪失相對穩(wěn)定(上、下頜骨BMD分別減少2.5%、3.7%)。Francisco等[42]研究表明，去勢手術(shù)后脛骨近心端骨質(zhì)骨量變化最快且最明顯，24周齡大鼠骨質(zhì)疏松癥模型建立最快[42]。Francisco等[42]研究結(jié)果顯示，脛骨近心端骨小梁反而比對照組增厚。此研究對于骨質(zhì)疏松動物模型實驗中檢測部位的選取具有重要的參考價值。

在雌激素減少致骨質(zhì)疏松癥動物模型中，之所以對不同部位骨骼影響不同，可能原因有：椎骨和長骨的組成、機械負荷不同，可能影響骨轉(zhuǎn)化和骨量[43-45]；脛骨近心端骨小梁增厚可能是一種補償機制，即通過增厚剩余骨小梁厚度來彌補變薄的骨小梁，以繼續(xù)承擔日常負荷[46-48]。

Kishi等[49]研究表明，不同部位骨骼對骨質(zhì)疏松癥相關(guān)藥物治療的反應(yīng)也不同。干骺端對PTH治療最為敏感，腰椎和骨干其次，顱骨和尾椎則改善很小。這對于研究骨質(zhì)疏松癥治療相關(guān)藥物實驗中取材部位的選取具有重要的意義。

4 結(jié)論

通過建立動物模型以研究人類骨質(zhì)疏松癥的病因以及治療和預(yù)防措施是必不可少的方法，可以避免對人體造成的危害以及倫理學(xué)的限制，鼠、兔、犬、豬、羊以及非人類靈長類動物常被選用。每種種屬作為模型動物各有其優(yōu)缺點，總的來說，小型動物容易飼養(yǎng)，價格低廉，方便檢測，但是由于解剖和生理結(jié)構(gòu)與人類相差較大，其應(yīng)用受到一定限制；大型動物與人類更為相似，是很有潛力的骨質(zhì)疏松癥動物模型。人類絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥是最常見的一種類型，其動物模型常通過切除卵巢來建立，主要導(dǎo)致松質(zhì)骨骨量減少。通過糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)建立骨質(zhì)疏松癥動物模型，主要引起皮質(zhì)骨骨量的減少，同時又與實驗動物的年齡、糖皮質(zhì)激素的劑量以及用藥持續(xù)時間密切相關(guān)?？傊瑢嶒灂r應(yīng)根據(jù)研究目的和實驗條件等因素綜合考慮，選擇最合適的動物模型，才能保證實驗結(jié)果的可靠性和準確性。