骨質疏松癥動物模型研究進展

張悅 李運峰

口腔疾病研究國家重點實驗室，國家口腔疾病臨床研究中心，四川大學華西口腔醫院正頜與關節外科，四川 成都 610041

機體的骨量多少是由成骨細胞和破骨細胞功能的平衡決定的，成骨細胞形成新骨，破骨細胞造成骨吸收。當成骨細胞活性大于破骨細胞活性時，新骨形成大于骨吸收，骨量增加，反之骨量減少。骨質疏松癥形成的機制即破骨細胞活性相對增加，導致形成骨吸收大于骨形成的負平衡狀態，從而使機體骨量減少、骨小梁結構破壞，骨組織生物力學性能減低、易于發生骨折。骨質疏松癥的發生與飲食、日常活動、體內激素變化、細胞因子以及臨床情況如糖尿病和糖皮質激素治療有關[1]。隨著人口老齡化進程的加速，骨質疏松癥尤其是絕經后骨質疏松癥的發生率逐漸上升，骨質疏松癥在醫學上和社會性的影響逐漸加深。骨質疏松癥有以下幾個特點：①潛行性的骨量喪失和生物力學性能下降。②容易發生骨折，好發于椎骨、髖關節、股骨轉子間、肱骨近心端以及腕關節。③導致慢性疼痛，喪失自主活動能力，活動性降低。④雙能X線吸收測量法(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)是一種精準有效的早期診斷骨質疏松癥的方法。⑤目前骨質疏松癥治療藥物眾多，但是長期效果不理想[2]。頜骨骨質疏松是骨質疏松癥的一種局部表現，在骨折和牽張成骨的患者中常常會導致成骨效果不佳，影響頜面外科手術的設計和治療效果。

本文對不同種類動物作為骨質疏松癥模型的優缺點、建立骨質疏松癥模型的方法、絕經后骨質疏松癥動物模型中對不同部位骨骼的影響以及骨質疏松癥的治療作簡要概述。

1 骨質疏松癥模型動物的選擇

使用動物模型進行實驗研究，可以用數量較少的動物得到較精確、穩定和可重復的結果。常用來作為骨質疏松癥動物模型的有鼠、兔、犬、豬、羊以及非人類靈長類動物等，各有其特點。

1.1 鼠

1.1.1大鼠：大鼠壽命一般為2～3年，老年期大鼠可作為模擬人臨床特征的動物模型。大鼠骨質疏松癥模型優點：(1)價格低廉，易于飼養。(2)骨骼代謝情況與人類類似：卵巢切除術后骨轉換率高，對雌激素的反應類似，骨量隨年齡的增長而降低，松質骨的重建和分布相似[3]。(3)大鼠去勢實驗條件容易控制，建模因素單一，實驗結果可靠，重復性較好。缺點：(1)由于大鼠去卵巢后骨皮質改建不明顯，不適用于研究去勢后對皮質骨的影響。(2)大鼠骨骼缺少哈佛系統，不能觀察到哈氏重建[4]。(3)大鼠體積小，血容量低，生命周期短，不能提供足夠的樣本行多骨活檢和大量血樣檢測。其藥代動力學不同于人的藥代動力學。(4)大鼠骨骺閉合時間較長，骨重建周期較短。

1.1.2小鼠：小鼠多用于研究老年性骨質疏松癥，SAM-P6(Senescence-accelerated mouse-P6)是一種衰老加速的小鼠，骨丟失隨年齡增長而增加，性別間差異無顯著性。可證實隨年齡增加出現骨脆性骨折[5]。近年對于SAM-P6形態和分子研究表明，松質骨骨量丟失明顯，而皮質骨沒有明顯變化；骨內膜表面和骨小梁間新骨形成減少，而骨髓腔脂肪增多[6]。

1.2 犬

犬的骨松質與骨皮質構成與人類骨骼類似，骨組織結構和骨代謝方面也與人類接近；具備豐富的哈佛氏重建，哈佛氏重建與人類相近，可以更好地模擬人類骨骼代謝過程；而且其體形較大，可滿足多次取骨活檢的需要，適用于長期多次取樣的實驗研究。其缺點在于：去勢手術對犬的骨量的影響并不明顯，甲狀旁腺激素的改變和雌激素耗竭對術后骨量亦無顯著影響[7-8]。

1.3 兔

兔作為動物模型廣泛用于醫學實驗研究中。兔的壽命一般為5～10年，性成熟期為5～6個月。優點：(1)價格低廉，飼養條件簡單。(2)單品種繁育能力強，繁育方便。(3)生命周期較長，體格適中，便于長期的動態觀察。(4)哈佛氏重建能力與人類似。(5)更適于骨植入物相關研究。

1.4 其他

Zarrinkalam等[9]研究表明，羊是椎骨骨質疏松癥研究的理想模型。經過去勢、低鈣飲食飼養和激素注射處理后成功建模后，羊椎骨骨密度降低25%以上，骨小梁密度下降33.4%，骨骼機械性能明顯降低。由于豬的解剖生理結構、骨骼代謝等與人類相似，被運用于多種疾病的研究。小型豬由于體格相對于普通豬來說較小，便于飼養和取樣，它已成為一種具有廣闊應用前景的新型實驗動物[10]。

非人類靈長類動物比如恒河猴，其組織器官、骨生物力學特性、雌性動物性周期與人類相似[11]，是很有潛力的動物模型。

2 骨質疏松癥動物模型的類型

2.1 糖皮質激素相關性骨質疏松癥模型

2.1.1糖皮質激素誘導嚙齒動物骨質疏松癥模型：糖皮質激素相關性骨質疏松癥是繼發性骨質疏松癥最常見的類型。接受糖皮質激素治療的患者，最開始出現骨密度快速下降是由于骨吸收增強，緊接著骨密度下降速度減緩，這是由于新骨形成減少。該類型骨質疏松癥中主要出現松質骨丟失，因此骨折好發于富含松質骨的部位，例如椎骨和股骨頸[12]。糖皮質激素相關性骨質疏松癥的研究常選用小鼠、大鼠、兔、犬和羊等作為實驗動物模型。

在嚙齒動物中，大鼠最常被選用作檢測糖皮質激素對于骨骼的影響效果。其中，大鼠的年齡、糖皮質激素的劑量以及持續用藥的時間是影響實驗結果的關鍵因素。2～3月齡的雌性SD大鼠持續低劑量[0.5 mg/(kg·d)]口服潑尼松龍6個月后，松質骨和皮質骨均未見明顯改變[13]。雄性大鼠連續注射氫化可的松16 d，劑量為32 mg/(kg·d)，可以觀察到皮質骨骨量的增加[14]。對成年雌性SD大鼠通過微小滲透泵持續灌注地塞米松(16.25 mg/d)19 d，使松質骨骨量增加[15]。對2月齡雌性Wistar大鼠連續注射甲基強的松[1、3、6、9 mg/(kg·d)]90 d，皮質骨骨量減少，松質骨骨量顯著增加，皮質骨和松質骨的新骨形成均有降低[16]。對32周齡雄性Wistar大鼠每周一次注射甲基強的松龍[7 mg/(kg·周)]，最終使皮質骨和松質骨骨量均降低[17]。予雄性SD大鼠口服潑尼松龍1.5、3.0、6.0 mg/(kg·d)，持續90 d，實驗結果顯示，骨干皮質骨和松質骨均無明顯改變，但是干骺端的皮質骨減少，松質骨骨形成和骨吸收均有下降[18]。

2.1.2糖皮質激素誘導大型動物骨質疏松癥模型：6～7月齡雌性白兔持續5個月口服潑尼松龍[0.7 mg/(kg·d)]，皮質骨和松質骨骨量均減少[19]。8月齡新西蘭大白兔注射甲基潑尼松龍[1 mg/(kg·d)]，可觀察到椎骨骨密度和骨量的減少[20]。1.6年齡雄性比格犬持續29周口服潑尼松龍(1.3 mg/kg)，可使椎骨骨密度減少，新骨形成減少，骨吸收未見明顯改變[21]。予9年齡羊持續3個月注射甲基強的松龍[0.25 mg/(kg·d)]，松質骨的新骨形成和骨吸收均有減少，但是骨量沒有明顯改變[22]。

高劑量的糖皮質激素可能會造成骨壞死[23]、免疫抑制等嚴重后果，甚至可能導致動物死亡[24]。最后，雖然糖皮質激素誘導法相對于去勢法來說，動物骨量丟失更加明顯，但是當停止使用糖皮質激素后，骨丟失效果會逆轉[25]。

大鼠、兔和羊適合作為糖皮質激素相關性骨質疏松癥模型的研究。其各自特點如下：大鼠疾病重復性好、價格低廉，但是缺少哈佛氏系統、骨改建周期短、骨骼無法達到完全成熟；兔有完整的哈佛氏系統、骨轉化快速、骨骼可完全發育成熟，不足的是兔缺乏松質骨；羊體格較大，可以提供充足血液或骨組織以供取材，但是羊作為骨質疏松癥動物模型耗時較長、費用昂貴，限制了其廣泛應用。

2.2 絕經后骨質疏松癥模型

絕經后卵巢功能下降，體內雌激素分泌減少，從而造成骨吸收增強，導致快速的骨丟失。最常選用的動物是切除卵巢的小鼠、大鼠、羊以及非人類靈長類動物。Jilka等[26]研究表明，切除卵巢后，小鼠隨即出現松質骨減少，但是皮質骨沒有明顯變化，17-β-雌二醇替代雌激素可以阻止骨量喪失。關于大鼠去勢后骨質變化的研究更為透徹，切除卵巢后14 d脛骨近心端骨量丟失最明顯，30 d時股骨頸骨量喪失最多，60 d時腰椎椎骨骨量丟失達到高峰[27-29]。切除卵巢對于皮質骨的影響如下，骨吸收主要發生于骨內膜，而新骨形成主要發生在骨膜，導致骨髓腔擴大。在切除卵巢后的90～120 d時，可以觀察到皮質骨厚度變薄和骨髓腔擴大的現象[30]。已有研究證實，切除羊卵巢后3個月骨吸收達到峰值，4個月時骨形成達到峰值。去勢手術6個月后，皮質骨表面空隙、類骨質增多，粗糙度增加，然而松質骨無明顯改變[31]。將羊固定進行長期重復性的檢測存在技術上的難度。Binkley等[32-33]研究表明，猴切除卵巢后3個月可以觀察到快速的骨轉化和骨量喪失，相關研究已經應用于許多骨質疏松癥新藥研究中。

2.3 老年性骨質疏松癥模型

老年性骨質疏松癥是由于年齡的老化引起的骨質疏松癥。SAMP6可作為老年性骨質疏松癥模型，它是目前僅有的一種能證明增齡性骨脆性骨折的動物。SAMP6在4月齡時骨量達到峰值，之后骨量逐漸丟失，并且上述變化在雌雄之間無差異，與老年性骨質疏松癥患者的病理變化相似[34]。

2.4 失用型骨質疏松癥模型

機體長期無負重、制動或長期臥床會導致失用型骨質疏松癥的發生，通常見于長期臥床不起患者或失去自主活動能力的老年人。通常使用坐骨神經切除法、脊髓半橫斷、石膏固定、懸吊法[35]、套筒法等方法建立失用型骨質疏松癥模型。在吊尾實驗中，小鼠被懸吊尾巴，上肢可以自由活動，獲取食物。可以觀察到新骨形成減少，骨吸收增加或不變[36]。也有實驗結果表明[37]，小鼠懸吊兩周后，新骨形成不顯著，骨喪失明顯增多。制動法也可以達到降低新骨形成，增加骨吸收的效果[38]。此外，年齡也是一個重要的因素，實驗證實，處于生長期的嚙齒動物對于失重法更為敏感[39]。已有研究證實，糖皮質激素在失用型骨質疏松癥模型中沒有明顯作用[40]，因為失重法和對照組大鼠血漿皮質類固醇含量沒有明顯差別，腎上腺切除法也不能阻止失用型骨質疏松癥骨量的喪失。失用法建造骨質疏松癥模型對長骨的影響明顯，但是對牙槽骨影響不明顯，可以通過拔牙的方法模擬失用型牙槽骨疏松。

3 雌激素減少致骨質疏松癥動物模型對不同部位影響的差別

Liu等[41]研究指出，腰椎和髂骨去勢手術后骨丟失量相似(去勢手術后36周時，骨密度降低51.6%)，脛骨(75%)、股骨(70.4%)骨丟失量最多，脊柱骨喪失36.6%。去勢術后，長骨、腰椎和髂骨的骨小梁破壞明顯，頜骨的骨喪失相對穩定(上、下頜骨BMD分別減少2.5%、3.7%)。Francisco等[42]研究表明，去勢手術后脛骨近心端骨質骨量變化最快且最明顯，24周齡大鼠骨質疏松癥模型建立最快[42]。Francisco等[42]研究結果顯示，脛骨近心端骨小梁反而比對照組增厚。此研究對于骨質疏松動物模型實驗中檢測部位的選取具有重要的參考價值。

在雌激素減少致骨質疏松癥動物模型中，之所以對不同部位骨骼影響不同，可能原因有：椎骨和長骨的組成、機械負荷不同，可能影響骨轉化和骨量[43-45]；脛骨近心端骨小梁增厚可能是一種補償機制，即通過增厚剩余骨小梁厚度來彌補變薄的骨小梁，以繼續承擔日常負荷[46-48]。

Kishi等[49]研究表明，不同部位骨骼對骨質疏松癥相關藥物治療的反應也不同。干骺端對PTH治療最為敏感，腰椎和骨干其次，顱骨和尾椎則改善很小。這對于研究骨質疏松癥治療相關藥物實驗中取材部位的選取具有重要的意義。

4 結論

通過建立動物模型以研究人類骨質疏松癥的病因以及治療和預防措施是必不可少的方法，可以避免對人體造成的危害以及倫理學的限制，鼠、兔、犬、豬、羊以及非人類靈長類動物常被選用。每種種屬作為模型動物各有其優缺點，總的來說，小型動物容易飼養，價格低廉，方便檢測，但是由于解剖和生理結構與人類相差較大，其應用受到一定限制；大型動物與人類更為相似，是很有潛力的骨質疏松癥動物模型。人類絕經后骨質疏松癥是最常見的一種類型，其動物模型常通過切除卵巢來建立，主要導致松質骨骨量減少。通過糖皮質激素誘導建立骨質疏松癥動物模型，主要引起皮質骨骨量的減少，同時又與實驗動物的年齡、糖皮質激素的劑量以及用藥持續時間密切相關。總之，實驗時應根據研究目的和實驗條件等因素綜合考慮，選擇最合適的動物模型，才能保證實驗結果的可靠性和準確性。