范 猛,彭 江,卢世璧
1天津市第一中心医院骨科,天津300192
2中国人民解放军总医院全军骨科研究所,北京100853
骨坏死是一种常见病,主要累及股骨头,当累及股骨头时称为股骨头坏死,又称股骨头无菌性坏死及缺血性坏死。幼儿的股骨头骨骼尚未发育成熟,表现与成人不同,称为Perthes病 (Legg-Calve-Perthes disease,LCPD)。股骨头坏死通常发生在中青年患者,如果不进行治疗,骨坏死通常会进展到股骨头塌陷并继发骨性关节炎[1-2]。已经有多种治疗方法挽救股骨头免于塌陷,包括减轻坏死修复区的力学负荷,如限制负重、旋转截骨等;增强坏死区的修复,如髓心减压、电磁治疗、骨移植等[3]。但是由于塌陷前治疗的效果不够满意以及骨坏死患者人工关节置换相对较高的失败率,目前迫切需要具有更好疗效的治疗方法来阻止股骨头的塌陷[4]。出现这个难题的部分原因就是缺少一个能够模拟人类股骨头坏死全病程,尤其是进展到与人类类似的股骨头塌陷的动物模型来进行不同治疗方法的比较和验证[5]。虽然有多种方法可以建立早期股骨头坏死的动物模型[6-7],但是很难建立一个从早期的影像和组织学改变到晚期的股骨头塌陷表现都与人类相似的动物模型[3]。
为了用于检验不同治疗方法的疗效以及研究骨坏死的机制,理想的动物模型应该易于造模成功,具有良好一致性,并能够模仿股骨头坏死的全病程,具有较高的塌陷率并伴有坏死区附近的修复反应。理想的实验动物应该是骨骼发育成熟,具有与人类类似的髋部结构及力学特性。本文将骨坏死分为创伤性骨坏死及非创伤性骨坏死,分别回顾其不同的造模方法,为将来骨坏死研究的实验动物模型的选择以及建立更好的动物模型提供参考。
手术方式破坏血运建立的股骨头坏死动物模型临床上由创伤造成的骨坏死就是由于股骨头的血运受到破坏[8]。Nishino等[9]使用成年狗,通过术中髋关节临时脱位并结扎旋股内侧及外侧动静脉来造模;术后2周及4周通过核磁检查发现坏死区,但是这种方法只建立了早期的骨坏死,这也与观察时间较短有关。Hofstaetter等[10]使用成年的兔来造模,手术切除髋关节囊,环形损伤股骨颈的骨膜并结扎圆韧带,向股骨颈钻孔到达髓腔,破坏髓内血供以减少股骨头血运。该研究使用显微CT(micro-CT)和组织学的方法进行评价,术后6个月时没有发现塌陷,术后12个月时15只动物中有2只 (13.3%)出现了股骨头塌陷。但笔者在已塌陷标本的micro-CT图像上只发现了软骨下骨的骨折,并没有发现股骨头形状的明显改变,而且此方法造模所需的12个月的观察时间有些过长。
Levin 等[11]、Peled 等[12]和其他一些学者[13-16]使用大鼠建立骨坏死的动物模型。造模方法都是手术将髋关节临时脱位,切断圆韧带,环形切除股骨颈近端宽度达1 mm的骨膜及部分关节囊。Levin等[11]在术后42 d观察到骨坏死存在,伴有新骨的形成,但没有进展到股骨头塌陷。因为大鼠的骨骼终生都在生长 (骺板未闭),所以大鼠的骨坏死模型属LCPD模型。虽然采用了相同的动物和造模方法,Peled等[12]在术后42 d发现股骨头有变形,但组织学检查并没有明显的骨坏死表现。笔者认为此模型中股骨头的变形可能是因为手术创伤造成的髋关节不稳定,从而产生骨质疏松和骨性关节炎,类似的情况在Bejar等[17]的研究中也有报道。
一个经常被用作骨坏死研究的通过手术方式破坏血运的动物模型是小猪模型[18-21],该模型通过用线在股骨颈部紧密结扎并切断圆韧带的方法来造模。Hofstaetter等[21]进行了大体、放射、显微和电镜检查,发现了与LCPD类似的改变,如骨骺部在缺血4周后的发育迟滞和在缺血8周后的明显扁平。该模型可用于研究LCPD的机制以及防治措施。
Swiontkowski等[22]使用手术造成猪股骨颈骨折并进行内固定的方式建立了骨坏死的动物模型,这种方法模仿了临床上常见的股骨颈骨折后出现骨坏死的过程。组织学检查发现所有的股骨头都存在一定程度的骨坏死并伴有骨小梁微结构的改变,骨髓内脂肪和血管新生增加,其中部分骨坏死严重的动物在术后8周进展到了股骨头塌陷 (共10只动物,其中5只骨骺闭合,5只骨骺未闭,其中7只出现股骨头塌陷)。几年后,Seiler等[23]使用了同样的造模方法,在12只骨骼发育成熟的小型猪上重复了实验,但结果很不相同,在术后8周仅发现1只动物出现了软骨的外观改变和早期的塌陷表现。因此笔者认为这种造模方法存在重复性较差的问题。
物理方式损伤建立的骨坏死模型冷和热的损伤可以造成骨坏死的观点逐渐被越来越多的学者接受。虽然这种物理损伤方式不会见于临床,但是因为损伤后的表现与人类骨坏死后的表现类似,这种造模方法仍然很有应用价值[3,24-26]。在冷冻手术中,冷冻可以造成细胞和血管的直接损伤;而在持续的温度为43℃至45℃的热损伤时,也会造成细胞的死亡[27]。
Malizos等[28]使用冷冻和剥离股骨颈及粗隆间附着软组织的方法建立狗的骨坏死模型,成功造成骨坏死并引发修复反应,但没有进展到股骨头塌陷。Conzemius等[3]以冷冻的方式成功建立了鸸鹋 (澳洲鸵鸟)的股骨头坏死模型。通过沿股骨颈向股骨头内钻孔后使用液氮对骨小梁进行直接冷冻,并结扎股骨颈周围血管,成功造成骨坏死并进展到了与人类类似的股骨头塌陷,19只跛行动物中有13只出现股骨头塌陷,但也有4只动物出现股骨头下骨折。鸸鹋是一种双足动物,而且身高体重与人类接近,尤其是其髋关节的生物力学特性与人类类似[5,29]。因此鸸鹋的骨坏死模型可能是目前可以用于评价股骨头坏死治疗的最佳动物模型。然而Conzemius等的模型仍然存在着不足,包括较高的股骨头下骨折发生率、股骨头周围软组织的损伤以及过大的坏死区[3,24]。随后该研究组又采用了一种闭合回路的液氮循环冷冻装置,除避免了周围软组织的冷冻损伤,还可以避免原有方法中由于股骨头内通道结冰而阻碍液氮的进入[24]。这个装置可成功控制坏死区的位置,并造成股骨头内的部分性坏死,但可惜未见有塌陷的报道。Velez等[30]在羊身上使用类似的冷冻装置进行骨坏死造模,组织学检查确认造成了骨坏死,但是也没有进展到股骨头塌陷。不过这两种模型仍然可以作为股骨头坏死临床前期的动物模型。
Li等[26]使用微波加热的方法建立了兔的股骨头坏死动物模型,术后短期内就实现了较高的塌陷率(术后12周出现69%的股骨头塌陷)。股骨头在55℃条件下加热10 min,X线检查可见损伤区出现密度减低和囊性变,术后4周和8周的组织学检查确认了骨坏死和修复反应同时存在。但组织学结果显示软骨也出现了损伤,而且股骨头的塌陷表现为影像学上的扁平伴有髋臼的软骨下骨明显减少,笔者认为与人类股骨头坏死早期软骨无损伤不同,微波对软骨也造成了损伤,从而引发髋关节的骨性关节炎,而股骨头的变形至少有部分是源于髋关节的骨性关节炎。
许多报道都显示射频损伤可以造成骨坏死[31-35]。Martel等[31]在狗的长骨上进行经皮射频消融,在骨小梁上发现了骨坏死和修复反应,而且没有皮质骨和关节软骨的损伤。由此可见,射频损伤可以作为一种建立股骨头坏死的有效方法。
化学方式损伤建立的骨坏死模型Manggold等[36]通过向羊的股骨头内直接注射无水乙醇的方法建立股骨头坏死动物模型。术后12周在所有存活动物的股骨头内都发现了骨坏死的表现,关节软骨及股骨头周围血运未受影响,也未进展到股骨头塌陷。10只动物中有1只动物因术中肺栓塞死亡,1只在术后6周出现股骨头头下骨折。这个模型具有较高的骨坏死发生率,但仅是早期的骨坏死表现,且并发症发生率也较高。
自发性骨坏死模型自发性高血压大鼠经常可以出现骨坏死[37-40]。Hirano等[41]认为自发性高血压大鼠发生的骨坏死是由于骺软骨和骺板的异常以及继发的软骨骨化异常所致。Mihara等[42]发现当这些大鼠被放在强迫站位进食的笼内,骨坏死的发生率会明显提高,这提示髋关节的负重会增加骨坏死的发生率。由于大鼠的骨骺终生不闭,这个模型也是LCPD 模型[43]。
激素性骨坏死模型糖皮质激素是骨坏死发生的一个关键危险因素[44],许多学者给予兔注射甲基强的松龙 (methylprednisolone,MPS)来建立激素性骨坏死模型。Iwakiri等[45]给予兔 1次 20 mg/kg MPS,3周后在股骨近侧干骺端有83%的骨坏死发生率。Kuribayashi等[46]使用了同样的造模方法,4周后骨坏死发生率为70%,但有20%的动物给药后死亡。Takao等[47]采取同样方法,但结果只发现了近侧干骺端和骨干内的骨髓坏死,给药后1、3、6和9周均未发现骨坏死。由于不同学者使用同一模型的结果具有明显差异,笔者认为这个模型的重复性较差。Wang 等[48]和 Ichiseki等[49]采用单次给予兔4 mg/kg MPS的方法造模,但将存在骨坏死定义为发现髓内造血细胞的坏死,或空骨陷窝,或任意一侧的股骨出现骨细胞核固缩。笔者认为这个标准过于宽松,因为绝大多数学者都将存在骨坏死定义为在骨小梁广泛存在的空骨陷窝或骨细胞核固缩,伴随有临近骨髓细胞的坏死[50],所以以上两种模型关于骨坏死发生率的数据在某种程度上而言是需要斟酌的。Kabata等[51]分别给予兔 4 mg/kg MPS 1次、2次、4次和8次,给药后1周发现骨坏死集中在干骺端的中间侧和骨干,对应的骨坏死发生率分别为47%、60%、73%和67%;在股骨近端的坏死灶的大小和数量没有组间差异。在兔的激素性骨坏死模型中,骨坏死的病灶不会集中在股骨头,而且只有早期的骨坏死表现,这些模型不是理想的骨坏死实验动物模型。
Han等[52]使用大鼠建立激素性骨坏死模型,每天皮下注射21 mg/kg MPS并持续4周,骨坏死的发生率为80%。但是也采用了比较宽松的骨坏死定义,只要发现骨髓细胞坏死,即使骨小梁的骨细胞仍然存活也认为存在骨坏死。
Yang等[53]首次建立了小鼠的骨坏死模型,造模方法为口服地塞米松,并比较了连续给药及间断给药的差异,发现给药12周后骨坏死的发生率在间断给药组明显低于持续给药组 (8%比45%),与临床观察到的现象类似。但是这个模型只在股骨远端发现骨坏死的病灶,而且仅是早期的骨坏死,坏死率也较低。
Cui等[54]通过每周肌肉注射 3 mg/kg MPS建立了鸡的骨坏死模型,24周后在12只动物中有4只出现了软骨下骨的坏死和吸收、脂肪细胞增生以及新骨形成;但是在实验过程中有48%的动物死亡。较低的坏死率和较高的死亡率,使得这个两足动物模型看起来不如四足的兔模型好,不过这是首次成功使用两足动物建立骨坏死动物模型。
脂多糖导致的骨坏死模型Irisa等[55]通过给兔静脉注射单次低剂量的脂多糖 (lipopolysaccharide,LPS)引发的Shwartzman反应建立骨坏死动物模型,并在术后4周造成77%的动物出现多处骨坏死病灶,但35只兔中有4只注射药物后死亡,坏死区附近的骨内小血管通常都可以发现存在栓子。虽然这个模型仅有9%的动物出现了股骨头内的坏死灶,但是其复制了临床上的血管炎性高凝的病理状态,有利于骨坏死机制的研究。
免疫反应导致的骨坏死模型Tsuji等[56-57]建立了兔的血清病性骨坏死模型,造模方法为给兔经静脉注射10 ml/kg无菌热灭活的马血清,共给药2次,间隔为3周。病理过程与临床上系统性红斑狼疮患者产生的免疫复合物沉积的病理过程类似。在给药后72 h未发现骨坏死病灶,1周后骨坏死发生率高达86%,3周后又降至64%,但是仅有早期的骨坏死而且未出现在股骨头部位。
激素和其他非创伤因素联合应用建立的骨坏死动物模型
激素和LPS联合应用建立的骨坏死实验动物模型:Yamamoto等[58]首先应用糖皮质激素联合LPS来建立兔的骨坏死模型,并与单独应用LPS或激素进行比较。结果显示与单用糖皮质激素或LPS相比,联合应用组具有明显高的骨坏死发生率 (85%)和更广泛的骨坏死病灶分布,但是实验动物死亡率高达50%。目前许多学者使用Qin等[59]的方法建立兔激素相关性骨坏死模型来进行骨坏死的研究[60-63],造模方法为给予静脉注射1次低剂量的LPS(10 μg/kg)后以24 h为间隔给予肌肉注射3次高剂量的MPS(20 mg/kg)。给药后6周,93%的实验动物出现骨坏死,25%的病灶分布在近端骨骺区,而且没有实验动物死亡。这个模型具有很高的骨坏死发生率,且实验动物死亡率为零,是目前很好的激素相关性骨坏死模型。Wu等[64]也报道了MPS和LPS联合应用建立兔的骨坏死模型,相较更早报道的Qin等[59]的模型,增加了1次低剂量LPS(10 μg/kg),但结果相对略差:骨坏死发生率为90%,死亡率为6.2%。更晚一些,Guan等[65]也报道了激素和 LPS联合应用建立兔的骨坏死模型,并与单独应用激素比较获得了稍高的骨坏死发生率 (股骨头部:36.2%比30.0%),造模方法为间隔24 h给予2次高剂量LPS(40 μg/kg)后给予1次醋酸氢化泼尼松龙(20 mg/kg),没有实验动物死亡。但根据Kawamoto等[66]的报道,当 LPS的剂量超过 15 μg/kg会有较高的动物死亡率,但此研究中为零;且单独给予激素时股骨头部高达30%的骨坏死发生率也远远高于以往报道的其他类似研究[45-47],所以笔者认为这个研究的结果很可能是难以重复的。Okazaki等[67]使用大鼠间隔24 h给予2次静脉注射2 mg/kg LPS和3次肌肉注射20 mg/kg MPS来建立骨坏死模型,给药完成后1、2、3和4周分批处死,发现股骨近端的骨坏死发生率分别为33%、33%、67%和33%,但该研究中每组只有3~4只动物,笔者认为难以将其数据直接与其他模型进行比较。
激素和马血清联合应用建立的骨坏死实验动物模型:Matsui等[68]通过给予马血清引发血管炎后再给予大剂量糖皮质激素建立兔的骨坏死动物模型,并与单独应用马血清及激素进行比较。组织学检查发现联用组20个标本中有14个 (70%)在股骨干部出现骨坏死表现,其中7个显示为骨髓坏死,7个显示为骨髓和骨小梁同时坏死,单独应用马血清或激素组都没有发现骨坏死表现。此研究显示联合应用优于单独应用任何一种,但将此研究结果与其他学者单独应用激素造模的结果[45-56]进行比较,可以发现联合应用似乎并不具优势。后来,Wen等[69]也通过联合给予2次马血清和2次小剂量激素建立了兔的骨坏死模型,但并未提供骨坏死发生率的数据,所以无法与其他模型进行比较。根据以上结果,笔者认为目前还不能确定在产生骨坏死方面激素和马血清联合应用优于单独应用激素。
酒精性骨坏死模型在亚洲,尤其在中国大量饮酒很常见,而这经常会导致股骨头坏死[44]。Wang等[70]通过灌胃的方式每日给予小鼠46%的酒精,6个月后在股骨头的软骨下区发现了骨坏死。虽然仅是早期的骨坏死表现,但是也很好地复制了人类酒精性股骨头坏死,可以用于酒精性骨坏死的研究。
减压性骨坏死模型Chryssanthou[71]于1981年报道了小鼠的减压性骨坏死模型,造模方法为将小鼠短时间置于高气压环境中,模仿人类的致病机制;2个月以后发现了骨坏死。Lehner等[72]于1997年建立了成年羊的减压性骨坏死模型,7个月后发现长骨关节下区的骨坏死病灶,不过人类的减压性骨坏死病灶多发生在骨干。
化学性骨坏死模型溶血及凝血异常的患者,如地中海贫血和镰状细胞病的患者会出现骨损伤[73]。2-丁氧基乙醇体内代谢后形成正丁氧基乙酸,会使血液产生类似的异常。Shabat等[73]报道了通过给予2-丁氧基乙醇建立兔的骨坏死模型,给药24 d后,8只动物中有1只在股骨干出现了骨坏死改变。该模型虽然成功率很低,但有利于研究镰状细胞病及其他血红蛋白疾病引发的骨坏死的机制。
近来,Kuroda等[74]报道了一个新的兔的骨坏死动物模型,造模方法为给予1次大剂量肌肉注射MPS,然后通过电凝破坏股骨头周围血运,结果8周内出现骨坏死表现,12周时5只动物中有2只出现股骨头塌陷,24周时所有标本都发现骨性关节炎的改变。这个结果优于单纯进行手术方式血运破坏[10]或者单独应用激素造模[45-47]。不过从该研究中已塌陷标本的micro-CT图像上,仅能发现软骨下骨的变形,并没有典型的塌陷表现。而且其组织学图像上可以发现修复反应表现为坏死骨边缘的原位新骨形成,即限制性修复[59],而非人类股骨头塌陷通常表现的破坏性骨修复方式[75]。
近几十年来,学者们一直在努力建立一个病因和发病机制以及坏死后表现都与人类相仿的骨坏死实验动物模型。通过对文献的回顾,笔者发现创伤性或者非创伤性的造模方法都没有建立理想的骨坏死实验动物模型,每个模型都有一定的缺陷。创伤性骨坏死模型的优势在于可以控制骨坏死的位置,使其位于股骨头部,而且可以建立晚期的骨坏死模型,尤其是鸸鹋冷冻骨坏死模型成功进展到了股骨头塌陷,而且塌陷率较高。但除了略高的并发症发生率和过大的骨坏死病灶,Conzemius等[3]的冷冻鸸鹋模型的致病因素也与人类发病因素不同;如果能使用鸸鹋建立非创伤性的塌陷的股骨头坏死模型将更为理想。非创伤性动物模型具有与人类发病类似的病因,但是只能产生早期的骨坏死,而且骨坏死的病灶大多集中于骨干区而不是在股骨头,提示可能具有不同的病理机制。同时使用激素和手术破坏血运的方式造模可以获得比单一方式更高的骨坏死发生率,但是也使得其既不能很好地模仿人类的病因,又不能使病灶仅仅局限于股骨头部。
与成年动物相比,小猪对手术破坏血运的反应更明显,而且成功进展到了明显的股骨头扁平,是很好的LCPD动物模型,但同时需要明确幼儿的LCPD和成人的股骨头坏死在病理机制、自然病程和治疗方面均不同[76]。在未发育成熟的股骨头上所观察到的现象,并不能直接推广应用到成年人的股骨头上[21]。
与四足动物相比,两足动物鸸鹋具有体型和髋关节生物力学特性与人类相似的优点[5,29],因为坏死区所承载的力学负荷也会影响到股骨头的塌陷[75],两足动物和四足动物之间的髋关节力学特性的差异可能是影响塌陷是否产生的关键因素。鸡的激素性模型与其他四足动物相比并无优势,这可能是因为禽类对于激素的反应不如哺乳类敏感。
由于目前还没有一个理想的骨坏死动物模型,笔者在比较了不同模型的优势和不足之后,根据研究目的的不同,对于模型的选择提出如下建议:Hofstaetter等[21]使用手术破坏血运的方式建立的小猪骨坏死模型,在研究LCPD的机制和防治方面具有优势;Qin等[59]给予兔1次低剂量的 LPS和3次高剂量的MPS建立的激素相关性骨坏死模型具有很高的骨坏死发生率,且病死率为零,适用于激素相关性骨坏死的研究;如果要验证股骨头坏死治疗方法的有效性,则Conzemius等[3]建立的鸸鹋冷冻股骨头坏死塌陷模型具有优势。
综上所述,近年来大量骨坏死实验动物模型被用于骨坏死的研究,提高了对于骨坏死机制的认识,也改善了治疗手段,但目前仍有大量的工作要做。目前可根据研究目的的不同来选择不同的动物模型;而模仿临床病因,多种方式联合造模及使用两足动物鸸鹋将是骨坏死实验动物模型的发展方向。
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