骨关节炎动物模型的研究进展

卢向阳　唐芳　马武开　姚血明　陈琳英　周静

【摘 要】 骨关节炎病因尚不明确，需要动物模型来研究和预防该疾病。科研工作者采用的实验动物模型有很多种，近几年常用的动物模型有自发性、诱发性、转基因等，对这几类动物模型以及实验动物进行分析对比，以方便选择更合适的动物模型。

【关键词】 骨关节炎；动物模型；文献综述

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种由多种因素相互作用导致的以关节软骨损害为主的进行性骨关节疾病[1]。致病因素包括炎症、创伤、老龄化、肥胖、软骨细胞分化或遗传易感性等[2-3]。临床表现为关节痛、僵硬、肥大、活动受限。本病有一定的致残率，也是中年以上人群丧失劳动力、生活不能自理的主要原因。如今，我国老年化日趋严重，但还没有有效的方法治愈OA，只能控制症状和延缓疾病发展，不仅给患者带来巨大的痛苦，也给国家带来了社会负担。为解决这一问题，科研工作者们利用动物模型探讨OA的发病机制及治疗方法。OA动物模型主要有自發性动物模型、诱发性动物模型、转基因动物模型3种，所选实验动物主要有鼠、兔、大型哺乳动物等。本文对常用的动物模型和实验动物的选择进行具体分析对比，以便科研工作者选择更合适的造模方法。

1 实验动物的选择

实验动物的选择是医学科研工作者首先要考虑的问题。动物实验为现代医学的发展起到了不可磨灭的作用，临床上每一种新药物的产生和诊疗方法的突破，都离不开动物实验。选择实验动物要综合考虑动物疾病的发病机制、基因与人类的相似性、动物是否容易控制、费用、伦理等很多因素。

目前，常用的实验动物有小鼠、大鼠、豚鼠、家兔、大型哺乳动物等[4]。小鼠饲养方便、易于获取、费用合理、造模周期短；但小鼠跟人类的基因谱差异较大，因而不能完全模拟人OA。大鼠在实验研究中不仅具有小鼠的优势，还具有生存能力强、实验成功率高的特点，目前广泛用于实验研究。豚鼠是自发性OA模型最常用的动物，因为其发病率与人OA相似，且性格温顺、体型较小易于饲养、观察，花费较低。家兔性格温顺，被广泛用于实验室研究，家兔因膝关节较大，可行关节内操作，更适合OA动物模型的选择。大型哺乳动物所需费用比较昂贵，饲养成本大，由于OA实验研究需要大量动物，因而不合适；但是相对于小动物而言更适宜手术操作。有实验用刀在狗的膝关节软骨上造成软骨划痕，

2周后出现OA病理变化，该动物模型实验数据准确，实验中可根据情况选择[5]。

2 实验动物模型

2.1 自发性动物模型 自发性动物模型是指实验动物没有任何人为因素参与的在自然状态下形成的OA。Moskowitz等[6]记录了30多个天然自发OA模型，其中对Hartly豚鼠的研究最多。Wei等[7]研究证明，Hartly豚鼠软骨降解过程与人OA退行性变化相似。Hartly豚鼠达到约3月龄时，其膝关节软骨组织主要表现关节面粗糙不平，软骨细胞数异常，软骨中糖胺聚糖异常分布，这与人OA形成的机制相似。肖萍等[8]在对2月龄Hartly豚鼠做实验时，发现空白对照组1个月后即可自发出现软骨组织病理性改变。Yamamoto等[9]对C57黑鼠关节软骨组织分析研究发现，随着年龄的增加，OA的发病率和严重程度逐渐增加，且退化过程十分类似人OA。人类在自然状态下形成的OA与自发性动物模型形成的OA有很多的相似之处，主要发病机制是关节受累过重，比如体质量大、关节受力不均衡等。Bendele等[10]发现，减轻豚鼠体质量后，可降低豚鼠膝OA的发生率及减轻OA的严重程度。这为临床提供了思考，减轻体质量，避免肥胖，少负重可以预防、减轻OA症状。该类动物性格温顺，容易饲养，自然状态下病理机制稳定，是研究人OA形成机制的重要动物模型。但是该类动物自发形成的OA与人OA存在差异，而且形成时间长，不易掌握数据，费用高，导致该模型一般不作为实验研究的首选。

2.2 诱发性动物模型 诱发性动物模型是通过实验措施诱导OA的产生。科研人员可以通过人工干涉的方法更好地控制实验的发展趋势以及收集数据，相比自发性OA模型更加稳定，发病过程相对较短，是常选用的动物模型。一般将诱发性模型分为手术方法和非手术方法两大类，每类方法又具体分为很多种，以下是对实验中常用的几种诱发动物模型介绍。

2.2.1 手术方法 手术方法诱导OA，主要是通过造成关节正常受力改变，导致关节应力长时间处于失衡状态使关节变形产生的动物模型，也有部分手术方法是通过破坏相关组织影响软骨细胞的正常生长而产生的OA模型。目前常用的造模方法主要有Hulth模型、半月板切除法、前交叉韧带切断法、卵巢切除法、臀肌切断法等。

2.2.1.1 Hulth模型 Hulth模型是最经典的手术造模方法[11]，分为Hulth法和改良Hulth法。其中Hulth法是直接全部切除动物膝关节内侧半月板，并切断内侧副韧带及前后交叉韧带，使关节破坏，应力失衡，造成关节腔狭窄，关节面摩擦增大，术后任其活动，不固定伤肢，形成类似人OA的病理性改变。王婧等[12]在SD大鼠膝关节行Hulth法造模术后4周，出现关节软骨表面粗糙不平等OA病理特征。方锐等[13]发现在兔膝关节行Hulth法造模后12周出现类似OA表现。Hulth模型破坏动物维持关节稳定的几条主要韧带，使关节受力失衡，局部关节软骨负重增加，加快关节软骨变形，该类模型适合研究因韧带损害导致的OA的治疗及关节置换等方面的研究。但Hulth法对关节损伤比较大，很难避免关节感染和创伤对模型动物生理破坏。因而王云峰等[14]对Hulth法进行改良，将家兔右膝内侧半月板以及前交叉韧带切断，但不切断后交叉韧带，分别于造模后2，6，10，14周时观察膝关节的组织学变化，结果在14周内成功复制出不同时期的膝OA，证实了此种改良方法的可行性。改良Hulth法相对于Hulth法操作较为简单，手术创伤较小，实验模型较稳定，实验数据较可靠，有利于动物模型造模成功，为OA的深入研究打下了基础。

2.2.1.2 半月板切除法 半月板是维持膝关节稳定的重要结构，可传布膝关节负荷力，能最大限度地增大关节间的接触面和减少磨损，从而保证了膝关节长期负重运动不受损伤[15]。Welch等[16]发现，切除大鼠膝关节内侧半月板模型中，4周时即发现关节评分显著增加，证明半月板切除法可以制备膝OA模型。宋涛等[17]对膝关节半月板切除的患者进行随访，发现基本出现OA样病理改变，得出结论：半月板切除后最终会导致膝OA。半月板切除法比Hulth法操作简单，手术创伤小，动物模型稳定，容易控制实验方向，可在较短时间内完成造模，是手术方法造模比较可靠的方法之一。但这种造模方法对实验动物本身仍有不小的损伤，容易造成创伤性感染，因而该模型多用于研究因创伤引起的关节炎的发病机制，不适于探讨药物对OA生化代谢影响方面的研究[18]。

2.2.1.3 前交叉韧带切断法 前交叉韧带切断法是将实验动物膝关节前交叉韧带切除造成局部关节应力发生改变，导致软骨细胞发生病理改变而引起OA。王婧等[12]將SD大鼠麻醉后剪断其膝前交叉韧带，不固定伤肢，任其自由活动，术后

6周观察到严重软骨缺损，软骨下骨开始硬化，说明前交叉韧带切除法可造成OA改变。孙先润等[19]切断SD大鼠右侧膝关节前交叉韧带，于术后28 d

见全膝形态明显改变，膝关节骨密度增高及滑膜纤维化增生等OA病理变化。前交叉韧带切断法较Hulth法有了较大的改进，本模型手术创伤小，模型稳定，成功率高，操作简便，是实验中常用的OA模型。但本法和半月板切除法一样易出现创伤性关节炎、滑膜炎症和术后感染，该模型也是研究创伤性关节炎较好的模型之一，因此实验方法应根据实验自身需求选择[20]。因而在临床上对于创伤性关节炎应避免负重，卧床为主，尽早修复创伤对OA的预防和缓解有很大帮助。

2.2.1.4 卵巢切除法 卵巢切除法是将实验动物卵巢切除致使雌激素缺乏而间接影响软骨细胞改变引起OA的方法。李楠等[21]对SD大鼠行卵巢切除法，术后3个月大鼠出现不同程度关节软骨层变薄，排列紊乱等OA病变表现，证明单纯卵巢切除术可以成功建立OA动物模型。李钊等[22]经背部切口切除大鼠双侧卵巢，术后12周可见软骨表面粗糙，表浅层软骨细胞减少，软骨细胞排列紊乱。该模型因其特殊的致病机制，适用于研究雌激素及其类似物对关节的保护作用和绝经期妇女关节损害，因而临床上对于女性OA患者，应检查体内雌激素水平，并使之维持正常水平。但是其应用面比较窄，操作复杂，造模时间长，手术条件要求严格，很难实际应用。

2.2.2 非手术方法 非手术方法是指通过外界压力致使关节应力失衡和机体系统循环障碍使实验动物发生OA样改变而建立动物模型的方法。目前主要有关节固定法、关节腔内注射法、骨内高压法等。该类方法操作简便、经济适用，不受手术创伤影响。

2.2.2.1 关节固定法 关节固定法又叫关节制动，根据制动部位可分为屈曲位和伸直位制动，屈曲位制动因限制关节运动，减少关节附近肌肉和韧带收缩运动而导致关节软骨的萎缩性变化，伸直位制动是使关节应力发生改变而产生关节软骨退变，因而临床上多使用伸直位制动法。唐进等[23]用管型石膏将兔左后膝关节伸直位固定6周后，软骨组织可见细胞减少，排列不规则，部分软骨表面有破坏，说明伸直位关节制动可导致关节炎病变。田世坤等[24]

将兔膝关节伸直位固定，4周后出现软骨退行性改变的OA症状。该方法直接在关节外操作，无手术创伤影响，操作简单，材料易于获取，适合于外界因素导致的关节炎的研究。其缺点是动物会在固定过程中感觉不适而撕咬扯坏固定的材料，影响实验结果和进程，甚至吞服固定材料感到不适，有些材料如石膏等容易导致动物死亡，因而模型制备的成功率不高，甚至导致实验失败[25]。所以在选择该动物模型时要考虑到各种因素，并且在实验过程中尽可能一次性固定完美，避免耗材耗时。关节固定造模成功提示我们，对于OA的预防和缓解症状，应适当运动，避免运动限制以减轻软骨

退变。

2.2.2.2 关节腔内注射法 关节腔内注射药物可分为化学类、酶类、激素类等，化学因子刺激软骨能快速形成类似人OA的终末期软骨病理改变，常见的注射药物有胶原酶、碘醋酸盐、碘乙酸盐、木瓜蛋白酶、菲律宾素等。其中最常用的是木瓜蛋白酶，关节腔内注射能较快诱导OA，较其他注射药物具有造模成功率高、造模时间短等优点[26]。

嵇波等[27]分别在造模第1，4，7 d将木瓜蛋白酶溶液与半胱氨酸溶液的混合液注射入兔膝关节腔内，造模4周后均出现OA病理改变。王平乐等[28]

将质量分数为1.6%的木瓜蛋白酶生理盐水溶液注射入兔膝关节腔内，造模2周后可观察到关节软骨变薄，表面粗糙甚至有纤维样改变等关节炎病理改变。王婧等[12]在鼠膝关节腔内注入100 μL碘乙酸溶液，造模4周后，软骨出现明显损伤；6周后，关节面软骨层腐蚀殆尽。该模型造模时间短，能在短期内形成类似人OA的软骨终末病理改变，是最快形成的OA动物模型，其创伤较小，模型稳定，容易产生，适用于OA终末期软骨病理、治疗药物及方法疗效研究。临床上应避免此类药物进入关节腔内。但不同动物、不同部位所需的药物剂量不同，实验中很难掌控，容易给实验带来一定

误差。

2.2.2.3 骨内高压法 骨内高压法是骨内静脉受阻导致静脉淤滞、骨内压升高形成的早中期膝OA。戴七一等[29]结扎并切断兔的右侧臀下静脉，右下腹部的股静脉和大隐静脉，造模8周后关节面可出现明显缺损和骨赘形成，达到OA初中期的变化。黄肖华等[30]分别在股静脉远、近端双重结扎造模，造模8周后出现软骨细胞排列紊乱，各层细胞数明显减少等OA病理表现。贺文楠等[31]行结扎股静脉并切断腓肠肌内外侧头造模，造模8周后出现滑膜增厚，软骨纤维化，12周后出现软骨面剥脱，有骨赘形成，证实了结扎股静脉可诱发OA样病变。该方法打破了骨内和骨外软组织血液循环之间的动态平衡，导致机体经络气血阻滞不通，符合不通则痛的中医理论。该模型对实验动物的整体伤害较小，有利于后续实验研究；但是对结扎静脉的肢体伤害较大，可能会导致伤肢供血不足而坏死，引起动物不适甚至死亡，使实验成功率低，因此该模型对实验水平要求较高。临床上对于静脉淤阻形成的OA应活血化瘀通络，使血液畅行，对于OA预防应避免血管阻塞。