關(guān)節(jié)病型銀屑病動物模型的發(fā)展現(xiàn)狀

晏少琛,史琳麗,戴生明,畢新嶺

關(guān)節(jié)病型銀屑病(psoriasis arthropathica)又稱銀屑病關(guān)節(jié)炎(psoriatic arthritis,PsA)是銀屑病的一種特殊類型,常見表現(xiàn)為外周關(guān)節(jié)炎、指(趾)炎、附著點炎和脊柱炎[1]。據(jù)研究,世界各個地區(qū)銀屑病患者中PsA的年發(fā)病率從0.27%到2.7%不等[2],在中國銀屑病患者中的患病率約為6%～13%[3],多數(shù)患者首先出現(xiàn)皮膚癥狀,然后是關(guān)節(jié)病變。早期識別PsA并且及時給予治療對改善預(yù)后非常重要,但由于無法對PsA患者進行常規(guī)活檢,因此模擬人類PsA特征的動物模型的建立對該病的研究十分重要。目前尚缺乏既表現(xiàn)銀屑病皮膚同時伴有關(guān)節(jié)病變的理想動物模型,本文對近年國內(nèi)外PsA動物模型的發(fā)展概況進行了闡述(表1)。

表1 主要PsA動物模型表型特點

1 自發(fā)性動物模型

1.1DBA/1小鼠 DBA小鼠模型最初為Little建立,包括DBA/1和DBA/2兩個主要的亞系。Lories等[4]詳細記錄了33只12周齡雄性DBA/1小鼠的關(guān)節(jié)表現(xiàn),并在出現(xiàn)癥狀和體征后的不同時間點處死,對后爪進行組織學(xué)檢查。發(fā)現(xiàn)61%的后爪(40只)出現(xiàn)不同程度的關(guān)節(jié)病變,表現(xiàn)為關(guān)節(jié)腫脹、關(guān)節(jié)僵硬以及關(guān)節(jié)畸形,病理表現(xiàn)主要為軟骨內(nèi)骨形成、指炎及骨膜炎,其中8只還出現(xiàn)了甲受累。近年的研究還表明,該小鼠模型能自發(fā)出現(xiàn)銀屑病樣皮損,并且與白細胞介素(interleukin,IL)-17密切相關(guān)[5],與PsA極為相似。

1.2C57BL/10小鼠 強直性肌腱端病(ankylosing enthesopathy,ANKENT)是一種自發(fā)的小鼠關(guān)節(jié)疾病,具有人類強直性脊柱炎的一些特征。該病最常在C57BL/10背景的小鼠中觀察到,其中以B10.BR(H-2k)為代表。早期表現(xiàn)為增殖性炎癥,輕度白細胞浸潤,關(guān)節(jié)韌帶附著處輕度骨質(zhì)侵蝕,隨后可以觀察到軟骨細胞在肌腱和骨結(jié)合部增殖,類似于PsA中的附著點病變。將雄性C57BL/10小鼠同籠飼養(yǎng),在6～10月齡時關(guān)節(jié)炎發(fā)生達高峰期,約20%的小鼠自發(fā)出現(xiàn)踝關(guān)節(jié)強直性附著點炎[6],如果在小鼠體內(nèi)轉(zhuǎn)入人HLA-B27基因,自發(fā)性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率會明顯增加,但在無菌環(huán)境下這些小鼠不出現(xiàn)自發(fā)性關(guān)節(jié)炎[7]。

2 基因工程動物模型

2.1JunB/c-Jun雙基因敲除小鼠 JunB蛋白是轉(zhuǎn)錄因子AP-1的一個組成部分,有調(diào)節(jié)細胞增殖、分化、應(yīng)激反應(yīng)和細胞因子表達的作用。JunB在銀屑病患者正常皮膚表皮層普遍表達,在重度的銀屑病皮損中的表達顯著降低,提示JunB可能在銀屑病的發(fā)生發(fā)展中起作用。c-Jun是JunB的一種拮抗劑,它在正常人表皮中弱表達,但在銀屑病患者皮膚中的表達相當明顯。

在JunB/c-Jun雙基因敲除小鼠中,腹腔注射他莫昔芬8～10 d后,無毛皮膚處開始出現(xiàn)銀屑病樣病變。在用藥18 d后,所有實驗小鼠均出現(xiàn)明顯皮損,主要表現(xiàn)為耳朵、足爪和尾巴的鱗屑性斑塊。組織學(xué)表現(xiàn)為表皮角化過度、角化不全、棘層增厚明顯、皮突延長,并可見表皮中性粒細胞浸潤,真皮內(nèi)血管增生,巨噬細胞數(shù)量增多。所有小鼠中都能觀察到伴有大量骨質(zhì)破壞和骨膜炎的關(guān)節(jié)病變,與PsA有一定的類似之處。此實驗小鼠中一些細胞因子及蛋白(如S100A8和S100A9)的變化也與人類銀屑病患者有相似之處,有助于研究銀屑病和PsA的臨床和分子特征[8]。

2.2K5.Stat3C:F759小鼠 Gp130F759基因敲入小鼠由于細胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子3依賴的負調(diào)控功能受損,導(dǎo)致持續(xù)的核磷酸化-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子與轉(zhuǎn)錄激活子3(the nuclear phospho-signal transducer and activator of transcription3,STAT3)激活從而在8月齡左右發(fā)生自身免疫性關(guān)節(jié)炎,近年也被用作類風濕關(guān)節(jié)炎的相關(guān)研究[9];K5.Stat3C轉(zhuǎn)基因小鼠中角質(zhì)形成細胞表達活化STAT3蛋白,導(dǎo)致小鼠銀屑病樣皮損,是常用的銀屑病動物模型之一[10-11]。將上述兩種小鼠雜交后,攜帶K5.Stat3C基因的F759小鼠不僅皮損加重,而且早在3周齡時足爪就自發(fā)地出現(xiàn)了高外顯率關(guān)節(jié)炎。關(guān)節(jié)病變包括外周關(guān)節(jié)腫脹和與皮膚病變相鄰的指甲變形,組織病理學(xué)檢查顯示存在附著點炎和骨侵蝕,并有單個核細胞浸潤;免疫組織化學(xué)分析和流式細胞術(shù)等檢測也顯示,受累關(guān)節(jié)中IL-23/輔助性T細胞(T helper cell,Th)-17通路上調(diào),與PsA非常相似。此外,用12-o-十四烷酰佛波-13局部刺激F759小鼠足爪也可促進銀屑病樣皮損產(chǎn)生,并導(dǎo)致相應(yīng)關(guān)節(jié)腫脹[12]。

2.3R26STAT3Cstopfl/flCD4Cre小鼠 R26STAT3Cstopfl/flCD4Cre小鼠首先是在研究哮喘時使用的轉(zhuǎn)基因小鼠模型,該模型的T淋巴細胞選擇性高表達活性STAT3蛋白。Yang等[13]將其用于銀屑病及PsA的研究,研究表明R26STAT3Cstopfl/flCD4Cre小鼠模型在大約5周齡時開始出現(xiàn)體毛稀疏,耳朵和尾巴上的皮膚干燥。隨著周齡增長,小鼠出現(xiàn)局灶性脫毛、脫屑,組織病理學(xué)顯示棘層增厚、角化過度及角化不全,而且表皮中還觀察到與Munro微膿腫相似的細胞團塊。同時,該小鼠還自發(fā)地出現(xiàn)附著點炎和滑膜炎,盡管肉眼檢查沒有發(fā)現(xiàn)明顯的關(guān)節(jié)腫脹,但通過定量聚合酶鏈反應(yīng)檢測關(guān)節(jié)處炎癥基因mRNA的表達、組織病理學(xué)分析、顯微計算機斷層掃描等手段發(fā)現(xiàn)肌腱及關(guān)節(jié)滑膜炎細胞浸潤,外周及中軸關(guān)節(jié)發(fā)生骨量減少或者骨侵蝕。拮抗IL-17或敲除IL-22可改善該小鼠模型皮膚和骨骼病變,驗證了Th17在銀屑病及PsA發(fā)病機制中的中心地位。

2.4缺乏MHCⅡ類基因轉(zhuǎn)基因小鼠 Bardos等[14]用人白細胞抗原(human leukocyte antigen,HLA)基因取代小鼠內(nèi)源性自身主要組織相容性復(fù)合體(major histocompatibility complex,MHC)Ⅱ類基因,這種小鼠在6月齡后會自發(fā)出現(xiàn)趾炎和甲病變,并伴有嚴重的骨質(zhì)破壞,病變主要集中在遠端指骨,雌性好發(fā),其臨床表現(xiàn)、組織病理學(xué)和影像學(xué)改變與人類PsA相似。但不同亞型HLA轉(zhuǎn)基因小鼠發(fā)病率存在較大差異,其中HLA-DR4轉(zhuǎn)基因小鼠發(fā)病率最高。類似的動物模型也越來越多地用于其他疾病的研究[15],深入揭示了人類HLA基因的作用。

2.5過表達骨形態(tài)發(fā)生蛋白6轉(zhuǎn)基因小鼠 骨形態(tài)發(fā)生蛋白6(bone morphogenetic protein 6,BMP6)屬于轉(zhuǎn)化生長因子-β家族,有調(diào)節(jié)皮膚動態(tài)平衡的作用[16]。利用角蛋白10啟動子在小鼠表皮基底層過表達BMP6,實驗小鼠表現(xiàn)出一些銀屑病的典型組織學(xué)特征,比如角化過度、角化不全等。同時,這些小鼠還出現(xiàn)明顯的趾甲異常,伴有掌部及趾關(guān)節(jié)的腫脹[17]。但是近年的研究表明,BMP6在銀屑病患者皮膚中的表達是下調(diào)的,并且可能在銀屑病的發(fā)展中起關(guān)鍵作用[16,18],所以該小鼠模型發(fā)生機制以及BMP6蛋白的作用還有待更深入的研究。

2.6IL-23過表達小鼠 將編碼IL-23的微環(huán)DNA導(dǎo)入小鼠,在小鼠體內(nèi)過表達IL-23,從而誘發(fā)了外周及中軸關(guān)節(jié)的附著點炎、指炎和一些關(guān)節(jié)外表現(xiàn)(銀屑病樣皮膚病變和主動脈根部炎癥)。和人類PsA相似,實驗小鼠病變關(guān)節(jié)也出現(xiàn)骨質(zhì)破壞和新骨生成。該研究還表明,IL-17雖然也在PsA等關(guān)節(jié)炎中發(fā)揮作用,但使用同樣技術(shù)手段建立的IL-17過表達小鼠未能出現(xiàn)相關(guān)病理變化[19-20],這與臨床IL-17抑制劑的有效性不符。該小鼠模型模擬了PsA發(fā)生的部分機制,可靠性較強,當前很多相關(guān)研究也以此模型為基礎(chǔ)[21]。

3 誘導(dǎo)性動物模型

3.1多西環(huán)素誘導(dǎo)型TNF-α轉(zhuǎn)基因小鼠 有研究者利用四環(huán)素反應(yīng)啟動子構(gòu)建了TNF-α轉(zhuǎn)基因小鼠模型,定期給6周齡該模型小鼠喂食含多西環(huán)素的蔗糖水,2周后出現(xiàn)前后爪紅腫、活動能力下降等癥狀,并隨著多西環(huán)素的持續(xù)應(yīng)用而不斷加重。小鼠踝關(guān)節(jié)沒有受到影響,但是遠端指間關(guān)節(jié)腫脹和趾甲變形明顯,組織學(xué)上表現(xiàn)為遠端指骨炎癥伴有軟骨、骨破壞,類似人類PsA的典型特征“臘腸指”。雖然沒有觀察到皮膚病變,但在棘層發(fā)現(xiàn)S100A9蛋白表達的改變。這種小鼠疾病模型是可控制的,在停止給藥后,關(guān)節(jié)腫脹明顯減輕,握力逐漸增加,3～5周后病變的趾甲也恢復(fù)正常[22],這對PsA恢復(fù)過程研究可能具有重要意義。

3.2甘露聚糖誘導(dǎo)的小鼠模型 給易感小鼠腹腔注射釀酒酵母產(chǎn)生的甘露聚糖,小鼠產(chǎn)生了耳、足掌為主的銀屑病樣皮損(表皮角化過度、棘層增厚及炎細胞浸潤)和關(guān)節(jié)病變(紅腫)。在缺乏活性氧的Ncf1基因突變小鼠中更為明顯,關(guān)節(jié)病變特征是附著點炎、滑膜炎、軟骨損傷和骨膜炎。研究人員推測,甘露聚糖可以誘導(dǎo)組織內(nèi)巨噬細胞激活,進而分泌TNF-α并同時激活γδT細胞,從而導(dǎo)致局部產(chǎn)生IL-17引起PsA樣病變[23]。最近也有學(xué)者認為,巨噬細胞產(chǎn)生的一氧化氮促進了病變的產(chǎn)生[24]。無論如何,此模型小鼠的開發(fā)對于研究PsA患者的新療法可能會非常有意義。但是在人類PsA病程發(fā)展中,獲得性免疫和先天免疫均發(fā)揮重要作用,而此模型中獲得性免疫作用較小[25]。

4 類風濕關(guān)節(jié)炎相關(guān)模型

PsA和類風濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)在免疫機制及組織病理上有很多相似之處,如滑膜炎、骨質(zhì)破壞、抗TNF-α治療有效等,兩者最終都導(dǎo)致關(guān)節(jié)的畸形和功能喪失,因此RA的動物模型常被應(yīng)用于PsA的研究。

4.1Ⅱ型膠原誘導(dǎo)小鼠關(guān)節(jié)炎模型 Ⅱ型膠原誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎(collagen-induced arthritis,CIA)模型是RA研究中最常用的模型,與RA最基本的相似之處是產(chǎn)生了針對膠原蛋白的自身抗體。CIA模型通常采用DBA/1小鼠,給藥后4周左右就可以觀察到滑膜增生伴炎性細胞浸潤、軟骨破壞和骨侵蝕等病理變化,是一種高效、經(jīng)濟、可重復(fù)性的模型[26]。在人類RA發(fā)病過程中涉及的典型細胞因子軸(如Th-17軸)等,也常采用CIA模型進行研究[27],這些機制在PsA的發(fā)展過程中同樣扮演著重要角色,因此CIA模型也是進行PsA治療研究的常用模型[28]。

4.2TNF-α轉(zhuǎn)基因小鼠模型 George Kollias在1991年培育出了過表達人類TNF-α的轉(zhuǎn)基因小鼠,3個月左右開始出現(xiàn)踝關(guān)節(jié)病變,隨著月齡增大而發(fā)展成一種侵蝕性多關(guān)節(jié)炎,具有RA的許多組織學(xué)特征,使用抗TNF-α抗體可以防止病變的發(fā)生[29]。該小鼠模型不但驗證了TNF-α在RA中的重要作用、抗TNF-α治療的顯著療效,并且改變了在后續(xù)研究中RA、PsA等疾病的管理策略。近年來,基于TNF-α轉(zhuǎn)基因小鼠上的信號通路及相關(guān)分子作用的發(fā)現(xiàn)可能會為PsA的發(fā)展及治療的研究提供新的思路[30-31]。

5 脊柱關(guān)節(jié)炎相關(guān)模型

脊柱關(guān)節(jié)炎(spondyloarthritis,SpA)是一組炎癥性關(guān)節(jié)疾病,中軸型PsA可作為其亞型,具有SpA共同的臨床和免疫學(xué)特征,也有共同的遺傳因素[32],因此相關(guān)的動物模型可用來研究共同的作用機制。

5.1HLA-B27轉(zhuǎn)基因大鼠模型 SpA具有明顯的遺傳性,這主要與HLA-B27基因相關(guān)[33]。Hammer等[34]將HLA-B27和人類β2微球蛋白基因?qū)氪笫篌w內(nèi),6～10周后出現(xiàn)以下肢為主的外周關(guān)節(jié)炎和脊柱炎,雄性發(fā)病率明顯高于雌性,同時可伴隨關(guān)節(jié)外表現(xiàn)諸如炎癥性腸病、銀屑病樣皮損和趾甲病變等,這些系統(tǒng)受累與HLA-B27相關(guān)的人類疾病驚人的相似。Khare等[35]建立的β2微球蛋白缺陷的HLA-B27轉(zhuǎn)基因小鼠也出現(xiàn)了脫毛、指甲病變、關(guān)節(jié)腫脹等癥狀,但這種表型似乎與小鼠的β2微球蛋白缺陷關(guān)系更密切,因為其他HLA-B27轉(zhuǎn)基因小鼠并沒有出現(xiàn)相似的病變,而在幾個不同遺傳背景和品系的HLA-B27轉(zhuǎn)基因大鼠身上均可以觀察到相應(yīng)的病變[33]。

5.2β-葡聚糖誘導(dǎo)SKG小鼠模型 SKG小鼠攜帶突變的ZAP-70基因,減弱了T細胞受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并增加了外周T細胞的自身反應(yīng)性,使其具有自身免疫傾向,在巨噬細胞的c型凝集素受體(Dectin 1)介導(dǎo)的真菌感染后,實驗小鼠出現(xiàn)IL-17依賴的關(guān)節(jié)炎[36]。腹腔注射凝膠多糖(一種β-葡聚糖)后,所有實驗小鼠均出現(xiàn)了踝關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的進行性關(guān)節(jié)炎,雌性更為明顯,40%～50%小鼠還出現(xiàn)了趾炎,同時實驗小鼠中也觀察到類似克羅恩病的回腸炎存在。組織病理學(xué)顯示,炎癥首先出現(xiàn)在跟腱的骨質(zhì)附著處、足底筋膜及椎間盤周圍,10周后所有實驗小鼠都出現(xiàn)了肌腱端炎、足底筋膜炎、骶髂關(guān)節(jié)炎以及脊柱炎。雖然實驗小鼠沒有出現(xiàn)明顯銀屑病皮損,但組織學(xué)提示存在有表皮增厚和真皮炎癥[37]。最近有研究者使用酵母多糖(主要成分為葡聚糖和甘露聚糖)誘導(dǎo)出類似的病理變化,并且皮膚損害更為明顯,與咪喹莫特誘導(dǎo)的銀屑病動物模型類似[36],證明此小鼠模型是研究PsA的可靠材料。

6 小結(jié)

在實際臨床研究中很難建立具有PsA所有表型的動物模型,可能由于人和小鼠皮膚存在組織學(xué)差異、小鼠缺乏真正的附著點等。上述模型很好地模擬了人類PsA的部分疾病特點,尤其以DBA/1小鼠、JunB/c-Jun雙基因敲除小鼠、K5.Stat3C:F759小鼠、IL-23過表達小鼠和甘露聚糖誘導(dǎo)的小鼠模型等更為符合。IL-23過表達小鼠從機制上和表型都與人類PsA極為相似,是開展相關(guān)研究很好的模型,但基因工程小鼠制備較為復(fù)雜,且成本較高,不能滿足大樣本的實驗需求,也不利于各個層次的學(xué)者開展廣泛的研究。DBA/1小鼠成本較低且造模過程簡便,但其只在高齡小鼠中才會產(chǎn)生典型的病理變化,也限制了其在實驗研究中的使用。相較之下,操作方便且成模較快的甘露聚糖誘導(dǎo)小鼠模型可能是一個更為合適的選擇,但如何在普通小鼠中提高疾病外顯率應(yīng)該成為重要的研究方向。而且隨著遺傳學(xué)、免疫學(xué)領(lǐng)域的研究深入,相信將來一定會探索出揭示PsA發(fā)病機制和藥物靶點的理想動物模型。