脊柱关节炎动物模型的研究现状*

赵金柱袁伟徐卫东

（1.解放军第401医院骨科，青岛266071；2.济南军区青岛第一疗养院门诊部，青岛266071；3.第二军医大学附属长海医院关节骨病外科，上海200433）

脊柱关节炎动物模型的研究现状*

赵金柱1袁伟2徐卫东3**

（1.解放军第401医院骨科，青岛266071；2.济南军区青岛第一疗养院门诊部，青岛266071；3.第二军医大学附属长海医院关节骨病外科，上海200433）

脊柱关节炎（spondyloarthritis，SpA）是一组具有相似的临床、遗传及病理生理特征的疾病，包括强直性脊柱炎（ankylosing Spondylitis，AS）、银屑病关节炎、炎症肠病相关性关节炎、反应性关节炎、幼儿特发性关节炎等。近十几年来，SpA的早期诊断及生物制剂治疗方面取得了重要进展，但对于它的一些关键性问题诸如发病机制等方面仍不完全清楚[1-3]。对于疾病的发病机制研究，病变部位的组织标本具有重要作用，但是SpA患者的组织标本特别是疾病早期阶段的组织标本很难获得[4]。因此，模拟人类SpA的动物模型的建立对揭示SpA的发病机制有着重要作用。本文中，我们对SpA常用造模动物、经典的动物模型进行了综述，以期对临床医生开展SpA的相关研究提供参考。

1 SpA造模常用动物

1.1 小鼠

属于脊柱动物门、哺乳纲、啮齿目、鼠科、鼷鼠属、小鼠种。从17世纪开始小鼠被用于解剖学研究及动物实验，20世纪初被广泛应用于遗传学、形态发生学及肿瘤学等学科领域的研究工作。由于小鼠繁殖快，饲养管理费用低，所以成为生物医学研究中广泛使用的实验动物，也是当今世界上研究最详尽的哺乳类实验动物。小鼠的品系很多，是实验动物中培育品系最多的动物。用于SpA模型研究的小鼠品系主要有：BALB/C，C-3H，DBA/1，DBA/2，C57BL/6，C57B1/10以及昆明鼠等。

1.2 大鼠

属脊椎动物门、哺乳纲、啮齿目、鼠科、家鼠属、褐家鼠种。19世纪美国费城Wistar研究所在开发大鼠作为实验动物方面做出了突出贡献，目前世界范围内使用的许多品系都起源于此。大鼠在生物医学研究方面具有许多优点，用量仅次于小鼠。目前应用于SpA研究的大鼠主要有：Lew is和Fisher大鼠。

用大鼠或小鼠做SpA模型的优点在于：价格低廉，饲养管理费用低；繁殖能力强，繁殖速度快，产仔多；基因易于控制；应用较多，可供参考的实验技术和实验经验较多。缺点：身体太小，生命周期短暂，血量少，不能反复、大量采血标本及取活检组织标本进行研究[5,6]。目前还没有用大型动物建立SpA模型的报道，其主要原因与大型动物的繁殖周期长、饲养管理难等有关，实验的重复性难以开展。但另一方面，大型动物如小型猪、犬、羊等在体型、血量等方面有一定优势，便于观察脊柱、骶髂关节等变化，另外也可对发病部位组织及血液反复取材，便于各项指标的反复进行、动态观察。

2 经典的SpA动物模型

2.1 HLA-B HLA-B2727转基因动物模型

转基因技术的应用和发展，使医学动物模型的研究进入了一个精确化的时代。目前，SpA相关的转基因动物模型主要为HLA-B27转基因小鼠及大鼠模型。

2.1.1 HLA-B27转基因小鼠模型：主要代表为HLAB27/β2微球蛋白-/-转基因小鼠。1988年Taurog等[7]较早报道了HLA-B27转基因小鼠的应用，在他们的研究中将编码人类MHC-I抗原H链的HLA-B27导入近交系C57BL/6（B6）和非近交系的B6×SJL/J的二代小鼠的胚胎种系里，成功建立了HLA-B27转基因小鼠模型，但这一模型并没有表现出自发的炎症疾病。

其原因可能是随着HLA-B27分子与β2微球蛋白结合，其属性可能被小鼠的β2微球蛋白所改变所致。在此基础上，Khare等[8]报道了HLA-B27/β2微球蛋白-/-小鼠模型，该模型将HLA-B27转基因技术应用到β2微球蛋白缺乏的小鼠中，结果大部分的HLA-B27/β2微球蛋白-/-雄性小鼠出现了后爪部肿胀、强直等自发性关节炎的表现并伴随指甲的改变、脱发等。此类小鼠模型在无菌环境下并没有出现自发性关节炎的表现，而是需在暴露于常规的细菌环境后的2～4周后发病。

2.1.2 HLA-B27转基因大鼠模型：主要代表为HLAB27/人类β2微球蛋白转基因大鼠。1990年，Hammer等[9]报道了HLA-B27人类/β2微球蛋白转基因大鼠的成功建立，他们将HLA-B2705和人类β2微球蛋白基因导入对实验诱导的炎症疾病易感的大鼠种系中（Lew is，Fisher，PVG，SD），结果在实验的6～10周，在Lew is的21-4H和Fisher344的33-3大鼠种系中观察到以下病理改变：以骶髂关节炎、下肢为主的外周关节炎为特征的多脏器炎症性疾病的表现，并伴随关节外表现诸如心脏、炎症性肠病和银屑病样皮肤和指甲病变，同时还有人类脊柱关节病所没有的骨炎的表现。此外，该研究还发现疾病的发生及程度依赖于转基因的拷贝数量。这一器官系统受累的模型表现出和人类HLA-B27相关疾病的显著相似性。HLA-B27/人类β2微球蛋白转基因大鼠的诞生强烈支持了HLA-B27在疾病病理生理中的作用，这些结果证实了HLA-B27在SpA多器官系统病程中发挥了中心作用。

在国内，HLA-B27转基因鼠模型的报道始于2000年[10]，2002年自发性炎症疾病双转基因鼠成功建立[11]，与国外不同之处为他们以我国昆明鼠为研究对象，导入的基因为HLA-B2704亚型和人β2微蛋白基因。

综上，通过转基因技术已在小鼠和大鼠内成功建立了HLA-B27转基因动物模型，此类模型表现出与人类SpA相似的病理改变，强烈的证实了SpA与HLA-B27的遗传相关性。然而，目前关于HLA-B27在SpA发病机制中的假说均没有在动物模型中被进一步证实。同时，目前的动物模型的证据似乎是反驳而不是确认有关HLA-B27抗原提呈的重要性[12]。

2.2 起止点炎强直模型

近期的研究指出持续的炎症和结构损伤进程导致了脊柱和骶髂关节的强直，并长期致残，起止点炎是结构性损伤的病理基础[13]。起止点炎强直模型的建立为研究炎症、结构性损伤及新骨形成之间的关系提供了有利模型。

2.2.1 ANKET（ankylosing enthesopathy）小鼠：此小鼠在一定的环境下可自发的出现起止点炎强直的病理表现，与人类SpA有许多相似之处。Lories[14]将不同窝系的成年（12周）雄性DBA/1小鼠群居笼养，每笼4～6只，每两周观察1次关节炎的表现情况，并在不同的时间段处死，对后爪部行组织切片并进行组织学研究。结果发现，ANKET的发病率为50%～100%，除关节炎的临床症状外，指甲的畸形很明显。病理学检查发现这一模型以起止点细胞增殖和软骨形成分化导致强直为特征，以弥散的中性粒细胞侵润为特征的趾炎发生率为12%，并出现指甲骨膜炎及甲床的进行性破坏。尽管趾炎和指甲骨膜炎在疾病表现中很少，这些数据强烈支持成年DBA/1小鼠与人类银屑病关节炎有许多共同特征。该模型对研究SpA强直的分子机制尤其有帮助。此外，ANKET也可自然发生于有C57B1/10遗传背景的近交系小鼠中。早期的报道[15]也描述了ANKENT小鼠模型在成年C57B1/ 10小鼠影响踝关节和跗骨关节，但是在C57B1/10品系中ANKET的发病率与DBA/1模型相比要低一些。与HLA-B27转基因模型一样，ANKENT模型也依赖于细菌定植，在无菌环境下不会出现。

2.2.2 Ank/Ank小鼠：是指缺失Ank基因功能复制的小鼠，此种小鼠可自发的发生关节和关节周围软组织的纤维化和骨化，导致脊柱和关节的强直，与人类SpA有许多相似的表型。Mahowald等[16]于1988年报道了该模型，此类小鼠以外周关节炎症为首发症状，随之而来的是四肢由远到近的强直，前足先于后足受累，最终中轴关节受累产生严重的脊柱强直。关节外表现包括龟头炎和皮肤硬化损害。在放射学上可发现广泛的骨侵蚀和关节及关节周围组织的钙化，椎体韧带骨赘形成产生竹节样改变。该模型的发病机制为Ank基因的突变导致细胞内焦磷酸盐的增加和细胞外焦磷酸盐的减少，这些会导致羟基磷灰石的沉淀并最终出现软组织的骨化强直[17]。然而，Timms等[18]的研究发现没有明显的证据支持ANKH的基因多样性是AS易感性的因素。

2.3 炎症驱动模型

炎症免疫是SpA起病环节的主要病理过程，抗TNF策略在SpA患者治疗中的成功验证了TNF-α等炎性因子在炎症过程中的关键作用[19-21]。因此，基于TNF过度表达的动物模型及蛋白多糖诱导关节炎动物模型为SpA及相关疾病的发病机制研究提供了重要价值。

2.3.1 TNFΔARE小鼠模型：该模型是模仿人类SpA的最有益的炎症疾病模型[22,23]。ARE（AU-rich-elements）被认为具有导致mRNA快速降解从而能抑制基因表达的功能。TNFΔARE模型删除了小鼠TNF基因中的ARE，进而导致了其TNFmRNA转录后调节的固有缺失。这进而导致了造血和基质组织内稳定状态TNFmRNA水平的升高，导致内源性TNF的过渡产

生和表达。这一动物模型出现了以类似炎症性肠病、骶髂关节炎、脊柱炎、外周关节炎和起止点炎为特征的炎性疾病。

TNFΔARE小鼠模型确认了TNF在SpA发病中的重要作用，同时也提示了基质细胞或成纤维样细胞在关节炎发生中的关键作用。然而，为什么基质细胞优先在特定的部位诸如肌腱附着点而不是其他部位被优先激活还不清楚。基质细胞的局限定位提示在这种模型中生物力学因素可能扮演了重要的角色。

2.3.2 软骨蛋白多糖诱导的多发性关节炎小鼠模型：该模型以进展性的多关节炎为主要特征，在BALB/C和一些C3H小鼠品系中被人类软骨蛋白多糖所成功诱导。Glant等[24]用软骨素酶消化的人类胎儿软骨蛋白多糖和弗氏完全佐剂对BALB/C和C3H小鼠进行免疫。然后定期观察小鼠的外观变化和组织学改变，发现最初的表现为关节的红肿，这与滑膜、关节周围组织的水肿和细胞的增殖有关，这一表现在实验的7～9周达到高峰。随后出现关节严重的滑膜炎、骨和关节软骨的侵蚀，偶尔有生长板的侵蚀。在腰椎和尾部近侧的椎间盘也出现了炎症和退变改变。16～20周时出现明显的进行性多发性关节炎、关节畸形和功能受限。这一免疫反应在只接受佐剂的对照组小鼠中并没有发生。在其后的研究中也观察到，聚蛋白多糖诱导的关节炎模型表现出以单核细胞侵润和骶髂关节及椎间盘软骨表面侵蚀为特征的病理改变，骶髂关节软骨化生的最终结局导致骶髂关节的完全融合[25,26]。

这一模型是目前唯一侵犯中轴骨系统的系统性自身免疫小鼠模型，其特征性的病理改变使其在自身免疫性关节炎的研究中有独特的作用。其诱导多发关节炎的免疫诱导机制[27-29]和骨化机制[30]得到了更进一步的研究。此外，对小鼠脊柱炎易感基因的确认[31]、SpA的机制研究有所裨益。近期，基于此类模型上的优化关节炎模型亦有报道[32,33]。因此，这一模型可能会成为SpA机制研究中的首选模型。

3 展望

本文总结的各类经典动物模型对SpA发病机制的研究探索提供了有利的帮助，在提出许多新的研究视角的同时，也对一些传统的观点形成挑战。同时我们也应认识到，尽管目前有许多SpA动物模型，但所有的现有模型仍不能完全模拟人类SpA的疾病过程。因此，更加符合人类SpA炎症、结构损伤及新骨形成等病理过程的动物模型有待进一步研究，以满足日益迫切的对该疾病发病机制、诊断和治疗研究的科研需求。

[1]Dougados M,Baeten D.Spondyloarthritis.Lancet,2011, 377(9783):2127-2137.

[2]Golder V,Schachna L.Ankylosing spondylitis:an update. AustFam Physician,2013,42(11):780-784.

[3]Sm ith JA.Update on ankylosing spondylitis:current concepts in pathogenesis.Curr Allergy Asthma Rep,2015,15 (1):489.

[4]ThomasGP,Brown MA.Genomicsof ankylosing spondylitis.Discov Med,2010,10:263-271.

[5]崔淑芳,陈学进.实验动物学.第4版.上海:第二军医大学出版社,2013:140-156.

[6]杜力军,赵玉男.实验动物与实验动物模型.北京:中国医药科技出版社,2012:13-24.

[7]Taurog JD,Low en L,Forman J,et al.HLA-B27 in inbred and non-inbred transgenic mice.Cell surface expression and recognition as an alloantigen in the absence of human beta 2-m icroglobulin.J Immunol,1988,141(11):4020-4023.

[8]Khare SD,Luthra HS,David CS.Spontaneous inflammatory arthritis in HLA-B27 transgenicm ice lacking beta 2-m icroglobulin:a model of human spondyloarthropathies.J Exp Med,1995,182(4):1153-1158.

[9]Hammer RE,M aika SD,Richardson JA,et al.Spontaneous inflammatory disease in transgenic rats expressing HLAB27 and human beta2m:an animalmodelof HLA-B27-associated human disorders.Cell,1990,63(5):1099-1112.

[10]丁海明,吕厚山,陈占昆,等.HLA-B2704转基因小鼠模型的建立.中华风湿病学杂志,2000,4(1):11-14.

[11]王东,吕厚山,张斌,等.自发性炎性疾病双转基因小鼠的研究.中华外科杂志,2002,40(3):216-218.

[12]Glatigny S,Fert I,Blaton MA,etal.Proinflammatory Th17 cellsareexpanded and induced by dendritic cells in spondylarthritis-prone HLA-B27-transgenic rats.A rthritis Rheum, 2012,64(1):110-120.

[13]Machado P,Landewe R,Braun J,etal.Both structuraldamage and inflammation of the spine contribute to im pairment of spinalmobility in patients w ith ankylosing spondylitis. Ann Rheum Dis,2010,69(8):1465-1470.

[14]Lories RJ,M atthys P,de V lam K,etal.Ankylosing enthesitis,dactylitis,and onychoperiostitis inmale DBA/1mice:a model of psoriatic arthritis.Ann Rheum Dis,2004,63(5): 595-598.

[15]Weinreich S,Capkova J,Hoebe-Hew ryk B,etal.Grouped caging predisposesmalem ice to ankylosing enthesopathy.

Ann Rheum Dis,1996,55(9):645-647.

[16]M ahowald M L,K rug H,Taurog J.Progressive ankylosis in m ice.An animalmodel of spondylarthropathy.I.Clinical and radiographic findings.Arthritis Rheum,1988,31(11): 1390-1399.

[17]Ho AM,Johnson MD,Kingsley DM.Role of themouse ank gene in control of tissue calcification and arthritis.Science,2000,289(5477):265-270.

[18]Timm s AE,Zhang Y,Bradbury L,et al.Investigation of the role of ANKH in ankylosing spondylitis.Arthritis Rheum, 2003,48(10):2898-2902.

[19]Poddubnyy D,Rudw aleitM.Adalimumab for the treatment of ankylosing spondylitis and nonradiographic axial spondyloarthritis:a five-year update.Expert Opin Biol Ther, 2013,13(11):1599-1611.

[20]Machado MA,Barbosa MM,Almeida AM,etal.Treatment of ankylosing spondylitiswith TNF blockers:ameta-analysis.Rheumatol Int,2013,33(9):2199-2213.

[21]Gottlieb AB,Kalb RE,Blauvelt A,et al.The efficacy and safety of infliximab in patients w ith plaque psoriasis who had an inadequate response to etanercept:results of a prospective,multicenter,open-label study.JAm Acad Dermatol,2012,67(4):642-650.

[22]Kontoyiannis D,Pasparakis M,Pizarro TT,et al.Impaired on/off regulation of TNF biosynthesis inm ice lacking TNF AU-rich elements:implications for jointand gut-associated immunopathologies.Immunity,1999,10(3):387-398.

[23]Armaka M,Apostolaki M,Jacques P,et al.Mesenchymal cell targeting by TNF as a common pathogenic principle in chronic inflammatory joint and intestinal diseases.J Exp M ed,2008,205(2):331-337.

[24]Glant TT,M ikecz K,Arzoumanian A,et al.Proteoglycaninduced arthritis in BALB/cm ice.Clinical features and histopathology.A rthritis Rheum,1987,30(2):201-212.

[25]Bardos T,Szabo Z,CzipriM,etal.A longitudinal study on an autoimmune murine model of ankylosing spondylitis. Ann Rheum Dis,2005,64(7):981-987.

[26]Vegvari A,Szabo Z,Szanto S,etal.Twomajor interacting chromosome loci control disease susceptibility in murine model of spondyloarthropathy.J Immunol,2005,175(4): 2475-2483.

[27]Stoop JN,Tibbitt CA,van EdenW,etal.The choice of adjuvant determines the cytokine profile of T cells in proteoglycan-induced arthritis but does not influence disease severity.Immunology,2013,138(1):68-75.

[28]Hamel KM,Cao Y,Olalekan SA,et al.B cell-specific expression of inducible costimulator ligand is necessary for the induction of arthritis in mice.Arthritis Rheumatol, 2014,66(1):60-67.

[29]M isják P,Bősze S,Horváti K,et al.The role of citrullination of an immunodom inant proteoglycan(PG)aggrecan T cellepitope in BALB/cm icewith PG-induced arthritis.Immunol Lett,2013,152(1):25-31.

[30]Haynes KR,Pettit AR,Duan R,et al.Excessive bone formation in amousemodel of ankylosing spondylitis is associated w ith decreases in Wnt pathway inhibitors.Arthritis Res Ther,2012,14(6):R253.

[31]Glant TT,Adarichev VA,Boldizsar F,etal.Disease-promoting and-protective genomic locionmouse chromosomes 3 and 19 control the incidence and severity of autoimmune arthritis.Genes Immun,2012,13(4):336-345.

[32]Ishikawa LL,Colavite PM,da Rosa LC,etal.Commercial bovine proteoglycan is highly arthritogenic and can be used as an alternative antigen source for PGIA model.Biomed Res Int,2014,2014:148594.

[33]G lantTT,RadacsM,NagyeriG,etal.Proteoglycan-induced arthritis and recombinanthuman proteoglycan aggrecan G1 domain-induced arthritis in BALB/c mice resembling two subtypes of rheumatoid arthritis.Arthritis Rheum,2011,63 (5):1312-1321.

2095-9958（2015）04-0 173-04

10.3969/j.issn.2095-9958.2015.02-017

上海市科委动物模型专项基金项目（14140903802）

**通信作者：徐卫东，Email：proxuw d@hotmail.com