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骨關節炎動物模型研究進展

2012-08-15 00:42:40郭玉冬王宸魏波
東南大學學報(醫學版) 2012年5期
關鍵詞:動物模型骨關節炎模型

郭玉冬,王宸,魏波

(東南大學附屬中大醫院骨科,江蘇南京 210009)

骨關節炎是常見的隨著年齡增加的退行性疾病之一[1]。隨著社會人口老齡化,其發病率逐年增高,嚴重危害人類的健康,同時也對社會經濟造成極大的負擔。骨關節炎動物模型是研究骨關節炎發病機制、危險因素及其治療方法的重要手段。骨關節炎是一種慢性多因素疾病[2],其動物模型的制作往往是通過模擬一種或數種致病因素誘發關節軟骨的退變來實現。因此目前各種骨關節炎模型從模型動物的選擇到模型的制作方法千變萬化。在本文中作者檢索目前常用的骨關節炎動物模型制作方法,并對其優缺點進行分析和評價。

1 模型動物的選擇

針對人類疾病的研究,模型動物的選擇要求二者具有同質性:動物模型能夠體現出該疾病的遺傳因素、自然病程、誘發因素、治療干預,并且能夠用于科學研究。

在開始一個骨關節炎動物實驗之前,選擇模型動物需要考慮到以下的原則[3]:(1)基因的同質性;(2)營養和運動同質性及可應用性;(3)動物的生存時間、疾病時間、發病年齡、發病率等;(4)匹配的對照群體的可獲得性;(5)解剖學及生理學特性,數量上:關節組織是否足夠研究?能否獲得足夠的關節液、關節滑膜;質量上:與人類組織的相似性,為負重關節或非負重關節;(6)標準動物來源充分、動物是否易于控制;(7)費用、倫理問題。

目前用于骨關節炎研究的模型動物品種繁多,各有利弊。主要種屬有嚙齒類、家禽類、哺乳類以及靈長類動物。嚙齒類:小鼠、大鼠、豚鼠;家禽類:雞、鴨、鵝等;哺乳類:家兔、狗、羊、豬等;靈長類:猿猴、狒狒、恒河猴。以下為最常用的幾種動物優缺點的分析。

小鼠:成年小鼠體重20~50 g,壽命約2年,對毒性敏感,雄性相對于雌性更易發病。該動物成本較小、飼養方便、易于獲取、重復性好、造模周期短,人類和嚙齒類動物在解剖及生理學上相似,故有利于大規模進行縱向臨床前研究。目前小鼠基因及可標記基因已經得到很好的注釋、翻譯,故可用于骨關節炎的基因表達、基因轉染、基因敲除等基礎研究。因其重復性好、易于獲取、造模周期短,可用于大規模藥物干預研究及治療藥物毒性研究。但是,小鼠跟人類的基因譜差異較大,和人類膝關節生物力學環境有差異,從而不能完全模擬人類骨關節炎。同時因小鼠關節較小,不利于關節內手術干預(如交叉韌帶切除、關節腔注射等)。因與人類疾病形態學上對照有限,每只動物只有少量組織(如關節軟骨、關節滑膜)可用于研究,這就形成了它的使用局限性。

大鼠:成年SD大鼠體重300~400 g,壽命約3年,雄性比雌性易于發病,對性激素敏感,其優點與小鼠相似,但費用略高于小鼠。大鼠因終身保持骺軟骨也不容易自發形成骨關節炎。SD大鼠關節較大,可行關節腔注射、交叉韌帶切除等誘發骨關節炎。大鼠生存能力強,抗感染能力強,手術耐受性較好,目前廣泛用于實驗室研究。

豚鼠:成年豚鼠體重400~700 g。Hartley豚鼠的膝關節是最常使用的自發性骨性關節炎模型[4]。

家兔:成年家兔體重1.5~2.5 kg,性格溫順,廣泛用于實驗室研究。家兔因膝關節較大,可行關節內操作,如內半月板切除、交叉韌帶切斷等誘導骨關節炎的發生。Moskowitz等[5]將兔的部分半月板切除誘發骨關節炎發生。但家兔手術耐受性較差,存活率不如大鼠。

大型動物:如犬、羊、豬,費用更加昂貴,需較大的飼養場地,由于藥理學研究需要大量動物,故他們不適宜作藥理學研究模型。但是,他們相對于小動物而言更適宜于軟骨的力學研究及細胞生物學研究。大型動物可進行關節腔內手術操作,如李忠等[6]用小型豬在關節鏡下將內側半月板切除來誘導骨關節炎獲得成功,該方法對關節損傷較小,這是小動物所無法比擬的。

靈長類:恒河猴從5歲開始出現骨性關節炎實驗室表現,15年后可發展為臨床骨關節炎,這種關節炎在結構、化學、生物力學上均與人類相似[3]。由于時間的作用,這種模型特別適合研究關節軟骨的改變。由于關節軟骨組織及其分布在骨關節炎的發展中相當重要,這個動物模型在評估這些改變方面就顯得相當重要。由于恒河猴在生理上與人類一致,該動物模型對于證實系統因素的作用價值,如肥胖在關節退變中的地位,顯的相當重要。因猴居住于熱帶并食素,揭示了自發性關節退變不依賴于人類飲食習慣及溫度氣候。骨關節炎在靈長類動物均有發現。缺點是動物來源較少,飼養昂貴。

2 動物模型的分類

骨關節炎的動物模型大致可分為兩大類:自發性模型及試驗誘導性模型。Arlet等[7]根據病理特點將試驗誘導性模型又分為機械性及結構性模型。機械性模型通過改變正常關節組織的生物機械力而誘導骨關節炎。結構性關節炎通過物理、化學、內分泌、生物力學或免疫學改變一個或多個關節組織。

2.1 自發性骨關節炎模型

不僅人類,其他動物亦有可能自發形成關節炎。通常能用于研究的自發性骨關節炎的動物為實驗室飼養的小鼠、大鼠、豚鼠、狗,甚至于恒河猴。研究發現小鼠很少發生骨性關節炎,大鼠終身保持骺軟骨也是如此。然而,有學者在研究CD/BR大鼠踝關節時發現,26個月的大鼠出現軟骨細胞壞死,軟骨纖維及軟骨下骨重塑[3]。其在組織學上特性與骨關節炎相似。這證明了老年大鼠對骨關節炎易感,然而,相對于人類疾病而言,踝關節并不是一個關節炎好發部位。實驗室廣泛使用C57B1、STR/IN和NZY/BL種株的小鼠,以及ICR和SAM-P/3DE小鼠的顳下頜關節,該關節在動物2個月大小時即可發現關節軟骨表面超微結構的改變,這與人類骨關節炎早期表現相一致。目前小鼠的自發性骨關節炎模型包括:STR/ort小鼠模型[8]、Ⅱ型前膠原基因缺陷小鼠模型(半胱氨酸取代519位精氨酸,Arg→Cys519)等。

最常使用的自發性骨性關節炎模型是Hartley豚鼠的膝關節[9]。雄性Hartly豚鼠軟骨降解以負重區軟骨組織學改變為主,這與人類骨關節炎發生發展相似,約3個月大的豚鼠體重達到700 g時,其內側脛骨平臺可出現骨性關節炎表現。其組織學表現為軟骨表層不平整,軟骨細胞減少,膠原不同程度的溶解、斷裂及排列紊亂,軟骨中糖胺聚糖分布異常。de Bri等[10]和Bendele等[11]報道了不同年齡組的雄性Hartly豚鼠原發性骨關節炎模型,在12及18個月年齡組可觀察到關節軟骨重度降解。同時,Bendele等[12]發現給豚鼠節食,減輕其體重后,可降低豚鼠膝骨性關節炎的發生率及減輕其發生骨性關節炎的嚴重程度。Knott等[13]發現給予豚鼠富含η-3多不飽和脂肪酸飲食10~30周后,可緩解骨關節炎易感動物骨關節炎的發展進程。

2.2 試驗誘導性生物力學模型

分為關節不穩模型及生物力學負重區移位模型。前者包括髕骨脫位和髕骨切除術、前交叉韌帶切除術、半月板切除術等。關節不穩能夠避免嚴重的關節損傷而逐步地反映出所需的關節退變的過程。Pond等[14]在犬的膝關節前交叉韌帶切除術及Moskowitz等[5]所制作的兔的部分半月板切除術達到此標準。Bendele等[15]發現,半月板的撕裂較半月板切除更容易誘發骨關節炎。持續的關節不穩可引起軟骨及關節下骨的侵蝕退變,這些與自發性骨關節炎相似。研究表明去感覺神經支配本身不能誘導關節退變,但失神經支配可加速犬的前交叉韌帶模型的退變[3]。類皮質醇激素治療能減弱滑膜細胞、軟骨細胞和骨細胞的繁殖能力,促進前交叉韌帶切斷的關節退變。

2.2.1 關節內手術

關節內手術包括多種,最經典的是Hult法。Hult法是目前經典的骨關節炎模型制作方法。主要為麻醉后將動物膝關節前后交叉韌帶及內側副韌帶切斷,切除內側半月板,術中避免損傷關節軟骨,術后不固定傷肢,動物可自由活動。此方法籍手術形成關節不穩從而誘發骨關節炎,約術后3個月病理可觀察到關節軟骨破壞、龜裂。方銳等[16]研究發現該方法在兔的膝關節造模后6周為早期改變(滑膜充血、軟骨表明面不平整),8周為中期改變(軟骨細胞排列紊亂,基質染色不均),12周為晚期改變(骨贅形成軟骨下骨暴露)。

在該方法的基礎上,出現了很多模型制作的新方法。如Armstrong等[17]保留交叉韌帶及內側副韌帶,僅切除內側半月板,半年后觀察到軟骨細胞肥大、邊緣骨贅形成等骨關節炎的表現。特別提出的是Appleton等[18]利用被動活動來加速關節不穩的大鼠膝關節的退變。該試驗通過前交叉韌帶切除制造雄性大鼠膝關節不穩模型,休息1周后再通過一個特殊的傳動裝置訓練大鼠行走,促使其被動活動(30 min·次-1,3次·周-1),最早約2周后發現大鼠膝關節軟骨退變、軟骨下骨改變及軟骨下骨丟失。故該作者認為:該骨關節炎模型可用于人類早期或晚期骨關節炎的研究,同時可通過調整被動活動的量來控制骨關節炎發生發展的程度,有利于對該疾病做出進一步的研究。亦有學者通過驅趕大鼠、使用跑步機等,使其被迫活動,促進軟骨退變。Welch等[19]發現單純切除內側半月板前角的大鼠膝關節在6周內無明顯改變,12周后關節評分有顯著改變;而同時內側半月板部分切除模型中,4周時即發現關節評分顯著增加。其他的方法主要有:單純交叉韌帶橫斷術、單純內側半月板切除術、內側半月半部分切除術[20]、關節軟骨刻痕術(該方法直接損傷軟骨)[21]、髕骨脫位及髕韌帶切斷術等。

2.2.2 關節腔注射法

關節腔可注射多種藥物,通過破壞細胞外基質或關節軟骨細胞來誘導骨關節炎。Muehleman等[22]將木瓜酶(Chymopapain)注入新西蘭大白兔膝關節通過破壞軟骨基質來誘導軟骨退變。Kikuchi等[23]通過向兔膝關節腔內注入不同劑量的膠原酶來誘導關節軟骨退變。1周后出現組織炎性反應,約6周后組織學可以發現關節軟骨及滑膜變性,這與膠原酶劑量呈正相關。Guzman 等[24]將 單 體 碘 乙 酸 (Monosodium iodoacetate,MIA)注入大鼠膝關節,1周內軟骨細胞出現變性壞死,部分出現軟骨全層性改變。Beyreuther等[25]復制該模型時(50 μl,3 mg MIA)發現 5 d 后大鼠膝關節出現炎癥反應。石輝等[26]向兔關節腔內注射尿激酶誘導骨關節炎,發現12周后模型符合骨關節炎組織病理學改變。鄧宇等[27]分別向兔膝關節腔內注入二型膠原酶0.5 ml(2 mg)及木瓜酶0.3 ml(4.8 mg)誘導骨關節炎模型,其結論是關節腔內分別注射二種蛋白酶均可成功建立骨關節炎動物模型,低劑量的膠原酶比稍高劑量的木瓜酶更能導致嚴重的軟骨退變。

關節腔內注射藥物可分為化學類、酶類、激素類等[3]。化學類包括鋨酸、塞替派、秋水仙堿、氮芥、碘醋酸鹽、蛋白變性劑(甲醛)。酶類包括木瓜酶、胰蛋白酶、透明質酸酶、膠原酶,尿激酶等。激素類包括催產素、腎上腺皮質激素。其他如細菌、酵母多糖、白細胞介素-1、腫瘤壞死因子、轉化生長因子-β2。

2.2.3 關節外誘導法

2.2.3.1 卵巢切除術 該方法運用由雌激素的缺乏所致骨關節炎的原理,模擬絕經后骨關節炎,該模型可用于研究雌激素及其類似物對關節軟骨的保護作用。Hoegh-Andersen等[28]將7個月大的SP-D大鼠卵巢切除,術后9周可發現輕度的膝關節軟骨退變,再過6周卻沒有進一步的退變。作者還發現關節軟骨退變的同時有一過性的尿CTX-2增加。暫時的退變是因為體重增加還是因為雌激素受體減少所致,目前尚不明確。選擇性雌激素受體調節劑可用于骨關節炎的早期研究,因時間短、操作容易,特別適用于絕經后骨關節炎的研究。Bellido等[29]通過切除母兔卵巢同時肌肉注射加潑尼龍4周構建骨質疏松模型,第7周行膝關節內側副韌帶切開并切斷交叉韌帶構建骨關節炎模型,第22周取樣觀察軟骨下骨的微結構的損傷情況,發現骨質疏松能加重骨關節炎軟骨下骨微結構的損傷,他們認為早期骨關節炎與骨質疏松共存時,加重軟骨下骨的重吸收,促使關節軟骨的破壞加重。

2.2.3.2 臀肌切斷術 白希壯等[30]通過選擇性切斷動物臀肌誘導髖關節發生骨性關節炎。結果顯示術后12周軟骨細胞增生,軟骨表面膠原纖維變粗、紊亂、同時出現糜爛及潰瘍,與早期骨關節炎表相一致。該方法主要通過改變關節的生物力學環境促使骨關節炎的發生,因手術部位遠離關節,避免了手術所致關節創傷及血腫刺激的炎癥反應,為研究骨關節炎提供了一個良好的模型。

2.2.3.3 關節固定法 Evans等[31]最早發現在家兔關節制動60 d后出現軟骨不可逆性退變。Okazaki等[32]發現家兔伸直位固定膝關節后,約1~2周即可出現關節軟骨退變,同時發現p53 mRNA在此過程中發揮重要作用。該模型主要是用石膏固定動物下肢關節,不論是屈曲位、伸直位還是中立位,均可誘發骨關節炎的發生,其原理可能為通過改變軟骨的生物力學環節,促使軟骨退變。尚平等[33]發現新西蘭大白兔膝關節過伸位固定較過屈位固定更易誘發骨關節炎,但兩者無統計學差異,同時發現過屈位固定方法簡便易行、固定牢固、家兔適用性好、成功幾率較高。

2.2.3.4 其他關節外模型 孫剛等[34]通過阻斷家兔股靜脈及臀下靜脈回流,造成膝關節骨內靜脈壓力增高,在術后8周可觀察到骨關節炎改變。該方法可避免關節內手術,但造模時間較長,若聯合使用關節固定法,約術后35 d出現骨關節炎改變。劉蜀彬等[35]將兔股骨干骺端髓內血供破壞誘導骨關節炎的發生。賀文楠等[36]通過結扎股靜脈并切斷腓腸肌內外側頭制造兔的膝關節骨關節炎,發現4周后出現軟骨破壞。

3 骨關節炎模型的鑒定

骨關節炎模型的鑒定主要以基因學、形態學、組織病理學、生物化學方面為主。基因學鑒定可通過DNA指紋分析(fingerprinting)[37]。為了在肉眼所見損傷之前評估該模型[3],有二種技術可以應用:(1)解析MRI及組織影像分析[38]。MRI不僅能確定損失的關節軟組織及軟骨體積,還能評估關節軟骨中的含水量。組織學影像分析技術在數量上能更精細地確定關節內細胞與細胞外基質成分的局部解剖關系。Mohammad等[39]研究表明MRI能夠發現早期骨關節炎關節軟骨丟失和半月板退變,MRI可通過測量關節軟骨厚度的改變而成為骨關節炎早期診斷的一種非侵入方式。(2)共焦顯微鏡的應用能提供關節組織結構的三維重建,為顯示小的結構組成、酶、示蹤因子的分布提供了可能。共焦顯微鏡在動物模型的血清及滑膜液中尋找軟骨骨關節炎活動及損傷相關標記物開始嶄露頭角。但在尋求血清及關節液標記作為臨床上評估骨性關節炎程度方面卻沒用達到預期效果。Umemoto等[40]發現通過用18F-氟化物(2.5 MBq·kg-1)靜脈注射后行正電子成像術(PET)可用于發現早期骨關節炎改變。其試驗證實:對于大鼠前交叉韌帶切斷模型,2周后可發現脛骨、股骨內側有核素濃聚;4周后股骨內側、脛骨內外側均有核素濃聚;8周后所有的關節周圍均發現核素濃聚。

隨著人類生活水平的提高,壽命逐漸延長,骨性關節炎發病率也逐漸增加。目前對于骨性關節炎的病因及治療并未徹底明確,對于該疾病的研究仍然需花費我們大量的精力。對于該疾病的病因學研究,主要以自發性小鼠模型為主,因其基因已被人類很好的注釋,但由于只能獲取少量組織學標本,不利于對其進行組織學的研究。而對于已經出現骨性關節炎表現的治療研究,可用各種關節誘導模型,學者們采用最多的是手術制作的關節不穩模型。這些模型可選擇大型動物,如犬類、豬等,有利于我們獲取大量組織標本用于研究,但造模時間較長,花費較多。

目前尚沒有一種完美的動物模型,需要進一步探索及開發最好的動物模型。在此之前我們需要熟悉各種動物模型的特點,根據自己研究的需要,選擇最合適的動物模型。

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