小型实验动物颞下颌关节骨关节炎动物模型的研究进展

魏 欣，杨禾丰，胡 瑜，杨 春

(昆明医科大学附属口腔医院口腔修复科，昆明650500)

颞下颌关节骨关节炎(temporomandibular joint osteoarthritis,TMJOA)属于颞下颌关节紊乱病[1]，主要表现为张闭口时面部关节区疼痛、关节弹响呈摩擦音、张口受限等，对患者的日常生活产生影响，严重者可危及生命。TMJOA可能是关节内部分区域无症状的退行性病变，发病晚，早期无症状，病理改变不可逆转[2]。骨关节炎是一种多病因，累及关节软骨及软骨下骨、韧带、肌肉等的疾病，病理改变包括关节软骨变性、软骨下骨硬化、滑膜炎症、骨赘形成、周围结构异常等关节退行性改变。手术创伤、机械负荷、胶原蛋白、细胞因子、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)均可影响骨关节炎的发生和持续[3]。

动物模型是研究TMJOA的重要实验载体，有助于研究者更深入地认识TMJOA的发病机制、致病因素、疾病进展过程以及寻找有效的治疗措施，从而提高治疗效果，减缓疾病进展[4]，保护关节功能。选择某种实验动物作为疾病研究模型时，研究人员需要考虑该动物是否在解剖结构和生理功能上与人类有相似性，该动物是否容易获得、实验成本是否合适等。由于大型动物实验成本较高，特殊自发性TMJOA的动物较少，兔类及鼠类等啮齿类动物仍是常见的模型动物。目前，构建TMJOA动物模型的主要方法有化学诱导、外科手术、机械负荷、基因工程等，现就此进行综述。

1 颞下颌关节解剖结构

颞下颌关节是人体内最复杂的关节，包括颞骨关节面(关节窝和关节结节)、关节盘、髁突、关节囊以及关节韧带。颞下颌关节左右联动，支持咀嚼、吞咽、语言以及部分表情等下颌运动[5]。与身体的其他关节相比，颞下颌关节具有不同的形态、功能、生物力学和生物学特性，且只承受有限的承载力[6]。组织学上，与由Ⅱ型胶原蛋白构成透明软骨的其他关节相比，颞下颌关节髁突最浅的细胞层是纤维软骨，主要由Ⅰ型胶原蛋白组成，而其余较深的细胞区则含有Ⅱ型胶原蛋白[3]。颞下颌关节纤维软骨的发育也不同于透明软骨的发育，既是关节软骨也是软骨下骨矿化的场所。因此，与其他关节相比，颞下颌关节软骨和软骨下骨内发生的细胞改变更有可能影响组织内的动态平衡[7]。

鼠类是建立TMJOA模型最为常用的动物。大鼠颞下颌关节由纤维组织和滑膜衬里组成的关节囊包裹。关节囊从上颌关节窝的边缘延伸到髁突颈。关节腔被关节盘分隔为关节上腔和关节下腔。髁突的关节面为髁突软骨和软骨下骨。大鼠髁突轴是推进运动的矢状轴，而人体的髁突轴是三维运动的横向轴[8]。大鼠颞下颌关节的关节盘为双凹形，中部较小，由纤维结缔组织组成，其将关节分为上下两腔，与人类相似[9]。颧弓从颞骨延伸到下颌骨髁突上，覆盖髁突的前半部分,直至髁突颈和髁突外侧，这与人体结构存在差异。在组织学上，大鼠颞下颌关节与人体的颞下颌关节有相似性，但人体髁突表面的软骨细胞层次更多。因大鼠与人类颞下颌关节在解剖学和组织学上的相似性，能够较好地再现颞下颌骨关节炎的病程，此外，鼠类还具有经济、易获得、易实施等优点，使其最常用于TMJOA的研究。

2 化学诱导模型

自发骨关节炎模型较难获得，手术骨关节炎模型操作较复杂，而药物诱导TMJOA是采用较为广泛的方法之一。在人体和动物中，因关节下腔空间狭小，行关节腔注射较为困难，因而通常行关节上腔注射，诱发骨关节炎样病变，建立TMJOA模型。目前常用的药物有碘醋酸钠(monosodium iodine acetate，MIA)、完全弗氏佐剂(complete Freund′s adjuvant，CFA)、血管内皮生长因子、Ⅱ型胶原酶等。

关节内注射MIA诱发骨关节炎被大部分学者采用[10]。MIA通过抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶的活性抑制糖酵解，造成关节软骨细胞坏死，导致软骨损伤和蛋白多糖丢失，从而损害关节功能，类似于人类骨关节炎的病因[10]。有研究者使用MIA 40 μL(25 mg/mL)Wistar大鼠颞下颌关节注射诱导TMJOA，7周后大鼠髁突出现典型的骨关节炎样病变，如软骨细胞紊乱、髁状软骨变薄、血管增生、软骨下骨破坏等[11]。有学者将50 μL (10 mg/mL)碘乙酸钠注射至新西兰公兔颞下颌关节，60 d后可观察到髁突表面扁平、不规则，软骨基质严重丢失，关节盘穿孔，软骨组织和骨异位，骨赘形成，该模型60 d后病程稳定无进展，类似于人类TMJOA的病理表现[12]。也有学者采用CFA建立SD大鼠TMJOA模型[13]。研究发现，将50 μL CFA注射至SD大鼠颞下颌关节发现，关节区出现明显肿胀，软骨细胞排列不规则，蛋白多糖明显丢失[13]。血管内皮生长因子也可诱发SD小鼠TMJOA。研究发现，将50 μL(0.05 mg/mL)血管内皮生长因子165注射至SD大鼠颞下颌关节，每周1次，4周后可观察到明显的软骨下骨吸收，大量破骨细胞，骨体积分数和骨小梁厚度明显降低，蛋白多糖逐渐丢失，软骨细胞排列不规则，软骨细胞团簇，无细胞区增多[14]。Ⅱ型胶原酶也可用于建立SD大鼠TMJOA模型[15]。有研究将0.05 mL 2%的Ⅱ型胶原酶注射至SD大鼠颞下颌关节，4周后观察到关节盘和髁突软骨表面胶原纤维崩解，软骨细胞减少，细胞层次模糊，髁突软骨厚度变薄，骨小梁变窄，骨髓腔变大[16]。

3 外科模型

切除部分关节盘会显著影响颞下颌关节髁突表面的承受力和吸收载荷的能力，导致髁突表面在小范围内承受过多的机械力，诱发TMJOA。

鼠类动物是制备TMJOA外科模型的常用动物之一。有学者报道，显微手术切除C57BL/6J小鼠颞下颌关节外侧部分关节盘，术后可见蛋白多糖染色增加,8周时出现软骨细胞团簇、12周时出现骨软骨裂纹、16周时髁突软骨明显丧失，此外，软骨退变的严重程度与关节盘切除的大小无关，而与手术后的时间有关[17]。Cohen等[18]通过手术切除C57BL小鼠一侧的部分关节盘发现，手术侧出现骨关节炎的病理表现，对侧则表现出颞下颌关节早期关节软骨变性。

兔类因体积较鼠类大，手术操作相对更容易而被广泛用于手术建模。有学者采用手术方法造成新西兰兔颞下颌关节的关节盘穿孔，12周后可见髁突软骨厚度明显变薄，软骨细胞明显减少，出现骨关节炎改变，从而成功建立TMJOA模型[19]。研究显示，关节盘穿孔对髁突软骨下骨的三维显微结构有显著影响，软骨下骨参与了骨关节炎的发展[19]。兔颞下颌关节盘宽的直径为3.0～3.5 mm，有学者通过在新西兰兔颞下颌关节盘外侧部分造成直径为2.5 mm 的穿孔，从而建立颞下颌关节髁突软骨退行性改变和颞下颌关节盘异位骨形成的动物模型[20]。4周时髁突表现出广泛的表面不规则，12周时髁突肿胀畸形，表面出现糜烂、溃疡，髁突宽度增加2 mm；4周和8周时可见髁突表面软骨细胞团簇形成、软骨增厚、番红O染色消失，12周时软骨损伤明显，软骨侵蚀至软骨下骨，细胞弥漫性丢失，蛋白多糖含量增加，颞下颌关节盘穿孔部位周围有骨性组织生成[20]。

4 机械负荷

5 基因工程

骨关节炎是一种涉及遗传和环境的多因素疾病[28]。骨关节炎的病理发展遵循典型的组织学和分子模式。组织学上骨关节炎的特点是进行性破坏、关节软骨丢失、胶原蛋白破坏，分子模式由高温必需因子A1启动，细胞盘状结构域受体2(discoidin domain receptor 2，DDR2)膜受体与其配体Ⅱ型胶原接触，导致MMP-13上调，因MMP-13活性增加促使软骨降解(包括胶原和蛋白多糖)[29]。在TMJOA中，髁突软骨中与疼痛相关的细胞因子高温必需因子A1、DDR2以及MMP-13表达显著升高，颞下颌关节是疼痛性骨关节炎的常见部位[30]，因颞下颌关节与其他关节存在共性，骨关节炎的遗传模型已被部分学者用来研究TMJOA。有学者应用Ⅱ型胶原α1突变的遗传性小鼠TMJOA模型研究转化生长因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)在TMJOA相关的炎症通路中所起作用是否与在膝关节中类似。研究发现，突变体模型的髁突软骨Mankin评分与骨关节炎的病理改变一致，免疫荧光检测TGF-β1在突变型髁突软骨中高表达，推测TGF-β1是TMJOA诊断和治疗的潜在靶点[31]。有学者通过沉默成年期小鼠软骨细胞中的成纤维细胞生长因子受体3建立TMJOA模型，4月龄时可观察到颞下颌关节软骨呈现骨关节炎样缺损的早期特征，包括髁突软骨表面出现裂痕，软骨中番红O染色较少，较深层软骨细胞过度肥大，认为成纤维细胞生长因子受体3信号通路在维持成年期颞下颌关节软骨结构完整性上有作用[32]。其他可用于研究TMJOA的基因模型包括Prg4-null小鼠模型[33]、Shox2SHOX KI/KI小鼠模型[34]、DDR-1敲除小鼠模型[35]、Dunkin-Hartley豚鼠模型[36]。

6 小 结

TMJOA是一种由不同的病理机制引起的复杂疾病。动物模型是研究这种疾病发生、发展的一个重要工具。小型实验动物因具备实验成本低、遗传背景清晰等优点，是制备TMJOA动物模型的首选。目前有多种建立TMJOA模型的方法，但均具有优缺点。注射式模型具有操作简单、损伤可控以及重复性好的优点，但其只能对炎症的单一因素进行模拟，不能全面反映TMJOA的致病因素。对于外科侵入性模型,其优点是能够使实验动物更快地发生TMJOA，且重复性好，但并不能模拟人类的自然发病过程，其次手术中对关节结构的破坏可能会干扰TMJOA的自然进展。对于机械负荷模型，其优点在于操作简单、易行、创伤小，可以一种更加接近自然的方式诱导TMJOA，但其需要较长的实验时间，且方法多样，尚无统一标准。对于基因工程模型，其优点在于发病自然，能更好地模拟发病过程，但与人类TMJOA的发病机制可能存在不同，且敲除模型中的失活基因可能会干扰健康软骨的正常早期发育。

尽管TMJOA模型种类丰富，但各模型的优缺点十分明显，且目前大部分模型是单一因素模型，并不能全面地反映疾病的病因和病程。多因素模型有报道，但数量较少。因此，有必要评估各类模型，改进建模方法，从而为深入研究TMJOA提供更为适合的动物模型。