小型實驗動物顳下頜關節骨關節炎動物模型的研究進展

魏 欣，楊禾豐，胡 瑜，楊 春

(昆明醫科大學附屬口腔醫院口腔修復科，昆明650500)

顳下頜關節骨關節炎(temporomandibular joint osteoarthritis,TMJOA)屬于顳下頜關節紊亂病[1]，主要表現為張閉口時面部關節區疼痛、關節彈響呈摩擦音、張口受限等，對患者的日常生活產生影響，嚴重者可危及生命。TMJOA可能是關節內部分區域無癥狀的退行性病變，發病晚，早期無癥狀，病理改變不可逆轉[2]。骨關節炎是一種多病因，累及關節軟骨及軟骨下骨、韌帶、肌肉等的疾病，病理改變包括關節軟骨變性、軟骨下骨硬化、滑膜炎癥、骨贅形成、周圍結構異常等關節退行性改變。手術創傷、機械負荷、膠原蛋白、細胞因子、基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)均可影響骨關節炎的發生和持續[3]。

動物模型是研究TMJOA的重要實驗載體，有助于研究者更深入地認識TMJOA的發病機制、致病因素、疾病進展過程以及尋找有效的治療措施，從而提高治療效果，減緩疾病進展[4]，保護關節功能。選擇某種實驗動物作為疾病研究模型時，研究人員需要考慮該動物是否在解剖結構和生理功能上與人類有相似性，該動物是否容易獲得、實驗成本是否合適等。由于大型動物實驗成本較高，特殊自發性TMJOA的動物較少，兔類及鼠類等嚙齒類動物仍是常見的模型動物。目前，構建TMJOA動物模型的主要方法有化學誘導、外科手術、機械負荷、基因工程等，現就此進行綜述。

1 顳下頜關節解剖結構

顳下頜關節是人體內最復雜的關節，包括顳骨關節面(關節窩和關節結節)、關節盤、髁突、關節囊以及關節韌帶。顳下頜關節左右聯動，支持咀嚼、吞咽、語言以及部分表情等下頜運動[5]。與身體的其他關節相比，顳下頜關節具有不同的形態、功能、生物力學和生物學特性，且只承受有限的承載力[6]。組織學上，與由Ⅱ型膠原蛋白構成透明軟骨的其他關節相比，顳下頜關節髁突最淺的細胞層是纖維軟骨，主要由Ⅰ型膠原蛋白組成，而其余較深的細胞區則含有Ⅱ型膠原蛋白[3]。顳下頜關節纖維軟骨的發育也不同于透明軟骨的發育，既是關節軟骨也是軟骨下骨礦化的場所。因此，與其他關節相比，顳下頜關節軟骨和軟骨下骨內發生的細胞改變更有可能影響組織內的動態平衡[7]。

鼠類是建立TMJOA模型最為常用的動物。大鼠顳下頜關節由纖維組織和滑膜襯里組成的關節囊包裹。關節囊從上頜關節窩的邊緣延伸到髁突頸。關節腔被關節盤分隔為關節上腔和關節下腔。髁突的關節面為髁突軟骨和軟骨下骨。大鼠髁突軸是推進運動的矢狀軸，而人體的髁突軸是三維運動的橫向軸[8]。大鼠顳下頜關節的關節盤為雙凹形，中部較小，由纖維結締組織組成，其將關節分為上下兩腔，與人類相似[9]。顴弓從顳骨延伸到下頜骨髁突上，覆蓋髁突的前半部分,直至髁突頸和髁突外側，這與人體結構存在差異。在組織學上，大鼠顳下頜關節與人體的顳下頜關節有相似性，但人體髁突表面的軟骨細胞層次更多。因大鼠與人類顳下頜關節在解剖學和組織學上的相似性，能夠較好地再現顳下頜骨關節炎的病程，此外，鼠類還具有經濟、易獲得、易實施等優點，使其最常用于TMJOA的研究。

2 化學誘導模型

自發骨關節炎模型較難獲得，手術骨關節炎模型操作較復雜，而藥物誘導TMJOA是采用較為廣泛的方法之一。在人體和動物中，因關節下腔空間狹小，行關節腔注射較為困難，因而通常行關節上腔注射，誘發骨關節炎樣病變，建立TMJOA模型。目前常用的藥物有碘醋酸鈉(monosodium iodine acetate，MIA)、完全弗氏佐劑(complete Freund′s adjuvant，CFA)、血管內皮生長因子、Ⅱ型膠原酶等。

關節內注射MIA誘發骨關節炎被大部分學者采用[10]。MIA通過抑制甘油醛-3-磷酸脫氫酶的活性抑制糖酵解，造成關節軟骨細胞壞死，導致軟骨損傷和蛋白多糖丟失，從而損害關節功能，類似于人類骨關節炎的病因[10]。有研究者使用MIA 40 μL(25 mg/mL)Wistar大鼠顳下頜關節注射誘導TMJOA，7周后大鼠髁突出現典型的骨關節炎樣病變，如軟骨細胞紊亂、髁狀軟骨變薄、血管增生、軟骨下骨破壞等[11]。有學者將50 μL (10 mg/mL)碘乙酸鈉注射至新西蘭公兔顳下頜關節，60 d后可觀察到髁突表面扁平、不規則，軟骨基質嚴重丟失，關節盤穿孔，軟骨組織和骨異位，骨贅形成，該模型60 d后病程穩定無進展，類似于人類TMJOA的病理表現[12]。也有學者采用CFA建立SD大鼠TMJOA模型[13]。研究發現，將50 μL CFA注射至SD大鼠顳下頜關節發現，關節區出現明顯腫脹，軟骨細胞排列不規則，蛋白多糖明顯丟失[13]。血管內皮生長因子也可誘發SD小鼠TMJOA。研究發現，將50 μL(0.05 mg/mL)血管內皮生長因子165注射至SD大鼠顳下頜關節，每周1次，4周后可觀察到明顯的軟骨下骨吸收，大量破骨細胞，骨體積分數和骨小梁厚度明顯降低，蛋白多糖逐漸丟失，軟骨細胞排列不規則，軟骨細胞團簇，無細胞區增多[14]。Ⅱ型膠原酶也可用于建立SD大鼠TMJOA模型[15]。有研究將0.05 mL 2%的Ⅱ型膠原酶注射至SD大鼠顳下頜關節，4周后觀察到關節盤和髁突軟骨表面膠原纖維崩解，軟骨細胞減少，細胞層次模糊，髁突軟骨厚度變薄，骨小梁變窄，骨髓腔變大[16]。

3 外科模型

切除部分關節盤會顯著影響顳下頜關節髁突表面的承受力和吸收載荷的能力，導致髁突表面在小范圍內承受過多的機械力，誘發TMJOA。

鼠類動物是制備TMJOA外科模型的常用動物之一。有學者報道，顯微手術切除C57BL/6J小鼠顳下頜關節外側部分關節盤，術后可見蛋白多糖染色增加,8周時出現軟骨細胞團簇、12周時出現骨軟骨裂紋、16周時髁突軟骨明顯喪失，此外，軟骨退變的嚴重程度與關節盤切除的大小無關，而與手術后的時間有關[17]。Cohen等[18]通過手術切除C57BL小鼠一側的部分關節盤發現，手術側出現骨關節炎的病理表現，對側則表現出顳下頜關節早期關節軟骨變性。

兔類因體積較鼠類大，手術操作相對更容易而被廣泛用于手術建模。有學者采用手術方法造成新西蘭兔顳下頜關節的關節盤穿孔，12周后可見髁突軟骨厚度明顯變薄，軟骨細胞明顯減少，出現骨關節炎改變，從而成功建立TMJOA模型[19]。研究顯示，關節盤穿孔對髁突軟骨下骨的三維顯微結構有顯著影響，軟骨下骨參與了骨關節炎的發展[19]。兔顳下頜關節盤寬的直徑為3.0～3.5 mm，有學者通過在新西蘭兔顳下頜關節盤外側部分造成直徑為2.5 mm 的穿孔，從而建立顳下頜關節髁突軟骨退行性改變和顳下頜關節盤異位骨形成的動物模型[20]。4周時髁突表現出廣泛的表面不規則，12周時髁突腫脹畸形，表面出現糜爛、潰瘍，髁突寬度增加2 mm；4周和8周時可見髁突表面軟骨細胞團簇形成、軟骨增厚、番紅O染色消失，12周時軟骨損傷明顯，軟骨侵蝕至軟骨下骨，細胞彌漫性丟失，蛋白多糖含量增加，顳下頜關節盤穿孔部位周圍有骨性組織生成[20]。

4 機械負荷

5 基因工程

骨關節炎是一種涉及遺傳和環境的多因素疾病[28]。骨關節炎的病理發展遵循典型的組織學和分子模式。組織學上骨關節炎的特點是進行性破壞、關節軟骨丟失、膠原蛋白破壞，分子模式由高溫必需因子A1啟動，細胞盤狀結構域受體2(discoidin domain receptor 2，DDR2)膜受體與其配體Ⅱ型膠原接觸，導致MMP-13上調，因MMP-13活性增加促使軟骨降解(包括膠原和蛋白多糖)[29]。在TMJOA中，髁突軟骨中與疼痛相關的細胞因子高溫必需因子A1、DDR2以及MMP-13表達顯著升高，顳下頜關節是疼痛性骨關節炎的常見部位[30]，因顳下頜關節與其他關節存在共性，骨關節炎的遺傳模型已被部分學者用來研究TMJOA。有學者應用Ⅱ型膠原α1突變的遺傳性小鼠TMJOA模型研究轉化生長因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)在TMJOA相關的炎癥通路中所起作用是否與在膝關節中類似。研究發現，突變體模型的髁突軟骨Mankin評分與骨關節炎的病理改變一致，免疫熒光檢測TGF-β1在突變型髁突軟骨中高表達，推測TGF-β1是TMJOA診斷和治療的潛在靶點[31]。有學者通過沉默成年期小鼠軟骨細胞中的成纖維細胞生長因子受體3建立TMJOA模型，4月齡時可觀察到顳下頜關節軟骨呈現骨關節炎樣缺損的早期特征，包括髁突軟骨表面出現裂痕，軟骨中番紅O染色較少，較深層軟骨細胞過度肥大，認為成纖維細胞生長因子受體3信號通路在維持成年期顳下頜關節軟骨結構完整性上有作用[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 結

TMJOA是一種由不同的病理機制引起的復雜疾病。動物模型是研究這種疾病發生、發展的一個重要工具。小型實驗動物因具備實驗成本低、遺傳背景清晰等優點，是制備TMJOA動物模型的首選。目前有多種建立TMJOA模型的方法，但均具有優缺點。注射式模型具有操作簡單、損傷可控以及重復性好的優點，但其只能對炎癥的單一因素進行模擬，不能全面反映TMJOA的致病因素。對于外科侵入性模型,其優點是能夠使實驗動物更快地發生TMJOA，且重復性好，但并不能模擬人類的自然發病過程，其次手術中對關節結構的破壞可能會干擾TMJOA的自然進展。對于機械負荷模型，其優點在于操作簡單、易行、創傷小，可以一種更加接近自然的方式誘導TMJOA，但其需要較長的實驗時間，且方法多樣，尚無統一標準。對于基因工程模型，其優點在于發病自然，能更好地模擬發病過程，但與人類TMJOA的發病機制可能存在不同，且敲除模型中的失活基因可能會干擾健康軟骨的正常早期發育。

盡管TMJOA模型種類豐富，但各模型的優缺點十分明顯，且目前大部分模型是單一因素模型，并不能全面地反映疾病的病因和病程。多因素模型有報道，但數量較少。因此，有必要評估各類模型，改進建模方法，從而為深入研究TMJOA提供更為適合的動物模型。