20-股骨头坏死动物模型的研究进展 二院 蒋鲁勇

股骨头坏死动物模型的研究进展
蒋鲁勇1庞清江2
【摘要】：目的总结股骨头坏死动物模型的研究进展，分析各种方法的优缺点及进一步研究方向。

方法查阅近年来国内外各种股骨头坏死动物模型制作的相关文献,进行综合分析。

结果激素性、创伤性、物理性、酒精性等各种方法在制作股骨头坏死动物模型中各有优点和局限性，尤其是后期股骨头塌陷，成为制作难点之一，激素+辅助制剂造模比较符合人类股骨头坏死的病理过程，值得进一步研究。

结论目前尚无一种模型能够很好地模拟人类股骨头坏死的全过程，各造模方法尚需进一步研究。

【关键词】股骨头坏死；动物模型；研究进展
RESEARCH ADV ANCES IN ANIMAL MODELS OF OSTEONECROSIS OF FEMORAL HEAD/JIANG Luyong1，P ANG Qingjiang2. 1Medical School,Ningbo University, Ningbo Zhejiang, 315211, P. R. China; 2Department of Orthopaedics, Second Hospital of Ningbo , Ningbo Zhejiang , 315010, P . R . China. Corresponding author : P ANG Qingjiang, E-mail: pqjey@ sina. com
【Abstract】Objective To give a review to the variety of animal models with osteonecrosis of the femoral head established by scholars in recent years, and to analyze the pros and cons of various models, in order to establish a clear path for further study. Methods The articles about the establishment of femoral head necrosis animal models were retrieved with the key words of “femoral head necrosis, animal m odel” at home and abroad for analysis. Results The hormona, traumatic, physical and alcohol – induced osteonecrosis of the femoral head, each of these methods had its own advantages and disadvantages. Especially the model of collapse of the femoral head was one of the difficulty. Steroid-induced in modeling approaches method which was more closely the pathological process of ONFH deserves more investigation.Conclusion There is no ideal animal model for the whole process of osteonecrosis of the femoral head date to now, the methods to establish the animal model still needs further improvement.
基金项目：浙江省自然科学基金资助项目（LY12H06002）
作者单位: 1 宁波大学医学院（宁波，315211）；2 宁波第二医院骨科中心（315030）
通讯作者：庞清江，教授，硕士导师，研究方向：人工关节、脊柱、骨质疏松，E-mail：pqjey@ sina. com
【Key words】Osteonecrosis of the femoral head Animal model Research advances
Foundation items: National Science Foundation of Zhejiang Province(LY12H06002)
股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head ONFH）又称股骨头无菌性坏死及缺血性坏死，是多种病因破坏股骨头的血液循环造成骨的活性成分（包括骨细胞、骨髓造血细胞和脂肪细胞）坏死的一种病理过程，晚期股骨头塌陷，致残率极高[1]。

因缺乏有效的防治方法，是骨科领域的难题。

自1739年Munro首次描述股骨头坏死以来，各国学者在该病的病因学及诊治方面进行了大量的研究工作。

但目前尚没有文献明确阐述股骨头坏死的发病机制，并且缺乏预防及早期治疗的有效措施。

其中，很大一部分原因就是缺少一个能够模拟人类股骨头坏死全过程的动物模型。

所以建立一个良好的ONFH动物模型以探索其发病机制及寻求更有效的预防治疗措施显得意义重大。

本文结合近年来国内外研究文献，就ONFH动物模型制作方法的研究进展作一综述如下。

1.模型动物的选择
理想的动物模型应该具备以下几点：1.能够模拟人类股骨头坏死从早期组织学改变到晚期股骨头塌陷的整个病理过程，并能够控制坏死区域接近软骨面且与周围活骨相连，最好还伴有与人类相似的坏死区附近的修复反应。

2.所选动物与人类的亲缘性、解剖和生理学特点尽可能接近。

3.在坏死修复过程中具备与人类相似的正常股骨头生物应力。

4.动物模型的重复性好、监测评价标准明确、模型动物来源广泛并且经济可行。

目前较常用的模型动物主要分为双足类动物（如鸡、鸸鹋）和四足类动物（如大鼠、兔、犬、羊、猪等）。

双足类动物的最大特点就是双下肢负重符合人类下肢生物学应力，保证了生物力学在ONFH病程中的影响作用。

国内外学者均使用过鸡和鸸鹋建立激素性股骨头坏死模型，并且Conzemius等[2]用鸸鹋成功模拟出了人类ONFH后期的股骨头塌陷，对ONFH的研究有重要意义。

但是鸟类动物与人类亲缘性较远，解剖学、生理学上认识也相对较少，并且鸸鹋作为澳大利亚国鸟体型庞大、价格昂贵、来源有限，饲养要求较高并受地域限制，使该动物模型在ONFH研究中
难以推广。

用于建立ONFH模型的四足类动物均为哺乳动物，与人类的亲缘性较近。

最常用的是大鼠和兔，因体型较小、价格低廉、便于饲养而易于推广。

大鼠的基因90%与人类一致，发生骨坏死的病理特征与人类相似，并且没有呕吐反射，比较适合通过酒精灌胃的方法制作ONFH模型。

齐振熙等[3]用56度白酒8ml/kg*d 对SD大鼠灌胃，20周后制模成功，模拟了人类酒精性股骨头坏死。

近年来随着激素广泛应用，其与股骨头坏死的关系也越来越被人重视，Mikami等[4]对大鼠给予一次性注射甲基强的松龙40mg/kg造成大鼠ONFH模型，坏死率高达93%。

但以大鼠为模型的实验均较难出现后期股骨头塌陷，这也是大鼠制模的一大劣势。

兔较多地被用于制作激素性ONFH模型，但与其他四足类动物一样，其股骨头负重与人类不一致，制备的模型大多关节面完整，呈现ONFH早期病变特点而缺乏后期的股骨头塌陷。

犬体型较大，适合外科手术，用于创伤性ONFH 建模。

羊的长骨粗大，脂肪丰富，是制作减压性骨坏死动物模型的最佳选择。

此外，有学者结合双足类动物生物力学方面的优势，通过让四足类动物采取强迫站立位，进而加强下肢的机械应力作用，使股骨头的机械应力更接近于人类，取得了不错的效果。

Mihara等[5]将Wistar大鼠分别放在高、低笼中饲养，高笼中的大鼠需采取双下肢站立位才能进食。

15周后组织学结果显示：高笼中的大鼠40%发生股骨头坏死，而低笼中的大鼠则几乎没有。

这也验证了下肢机械应力在ONFH发生过程中的作用。

2.制模方案的选择
2.1 激素性ONFH动物模型
糖皮质激素及其代谢产物是一类作用很强的血管生长抑制剂，长期大剂量使用时，会导致股骨头微血管密度的下降，血流灌注量减少，发生缺氧及各系细胞脂肪变性。

当达某一阈值时即发生骨坏死。

自1957年Pietuograndi和Mast Romarino首次报道使用激素引起ONFH后，世界各国学者用大量的动物实验充分证实了激素是ONFH的一个独立危险因素。

目前激素造模有以下几种方法。

2.1.1单纯激素诱导法股骨头坏死的出现与激素类型、剂量有密不可分的关系，目前动物实验常用的有地塞米松、醋酸甲基泼尼松龙、甲基强的松龙、氢化泼尼
松等。

Miyanishi等[6]对不同类型的糖皮质激素致股骨头坏死的作用进行了比较，显示醋酸甲基泼尼松龙具有较强的致股骨头坏死的作用。

而地塞米松因其临床应用广泛、半衰期长、作用效果持续，也常用于ONFH模型的制备。

齐振熙等[7]每周2次向新西兰大白兔臀肌注7.5mg/kg醋酸氢化泼尼松，6周后建模成功。

2.1.2激素+马血清诱导法临床上大部分ONFH患者在应用激素之前就存在血液脉管系统或免疫系统的基础疾病，而异体血清能够引起模型动物的脉管系统炎症，所以先给予马血清造成脉管炎后再用激素诱导ONFH比较符合人类ONFH 的疾病过程。

1992年日本学者Matsui等[8]首次采用激素+马血清法制作兔ONFH 模型，静脉注射马血清2次，剂量为10ml/kg，前后间隔2周，第二次注射马血清后连续3天经腹膜注射甲基强的松龙40mg/kg/d，组织切片上4~6周出现骨髓坏死，6~8周后出现骨坏死。

造模的成功率达70%。

2.1.3激素+脂多糖诱导法内毒素是革兰氏阴性细菌细胞壁中的一种成分，叫做脂多糖。

脂多糖能激活血管内皮细胞内的信号通路，介导多种粘附分子和炎症细胞因子的表达，诱导内皮细胞凋亡，致使内皮下胶原暴露，不仅引起血小板聚集，还可激活凝血因子VII，使机体处于高凝状态，影响末梢循环进而形成股骨头坏死[9]。

激素联合脂多糖（LPS）的方法建立ONFH动物模型因其骨坏死率高、并发症少等优势而被推广应用。

张晨[10]等采用细菌LPS联合甲基强的松龙注射诱导ONFH模型，选取50只兔作为实验组首先应用细菌LPS10ug/kg经耳缘静脉注射1次，24h后甲强龙20mg/kg肌注3次，每次间隔24h。

注射激素期间，每天按10万U/只兔腹腔注射青霉素预防感染。

10只作为对照组常规饲养。

6周后应用MRI筛选对照组动物双侧股骨头MRI表现为正常黄骨髓信号，T2W1显示均质的中等强度信号。

模型组死亡5只，剩余45只中33只双侧股骨头出现MRI 信号异常，以脂样型表现为主，表现为T2W1不均匀高信号，造模成功率为7
3.3%。

激素+马血清或脂多糖的方法较单纯激素诱导法更符合人类ONFH疾病发展过程，且有成功率高、并发症少等优势，值得推广。

2.2 手术创伤性ONFH动物模型
机械创伤是临床上导致股骨头坏死的常见原因。

通过破坏、阻断股骨头血
供诱导ONFH模型，如人为制造髋关节脱位、结扎旋股内、外侧动静脉，切断圆韧带，环形切除股骨颈骨膜及关节囊等。

熊文等[11]联合应用创伤和酸碱法制备股骨头缺血性坏死动物模型，通过手术结扎土狗股骨头周围血管(包括臀下动静脉、旋股内外侧动静脉)以及脱位方法破坏股骨头血供，并在保护周围软组织的情况下向髓内缓慢注射0.2 ml 12 mol/L盐酸，15 min后再缓慢注射0.2 ml 12 mol/L氢氧化钠，术后每周拍片1次，直至出现股骨头塌陷X线表现，然后处死取患髋行病理切片观察.结果93.3%的土狗出现典型的股骨头坏死,X线片见关节间隙明显狭窄，股骨头变扁平；组织学检查见骨小梁坏死，肉芽组织增生及反应性新生骨形成。

Hofstaetter等[12]通过手术切除兔的髋关节囊，环形剥除股骨颈的骨膜并结扎圆韧带，沿股骨颈钻孔至髓腔，破坏髓内血供。

术后6个月未发现股骨头塌陷，术后12个月15只兔子中有2只出现股骨头塌陷。

此法虽出现后期股骨头塌陷，但塌陷率低、造模时间过长,限制其推广。

2.3 物理性ONFH动物模型
2.3.1液氮冷冻法传统的液氮冷冻法造成整个股骨头坏死，与人类ONFH局灶性坏死存在很大差别，目前已被淘汰。

王江泳等[13]取10只新西兰大白兔，在不造成髋关节脱位的情况下，用液氮棉球冷冻股骨头负重区，造成股骨头局灶性坏死，4周时有3例股骨头关节面出现塌陷，8周时有l例股骨头出现骨性关节炎样变化，虽然塌陷率不高，但在四足动物中制备出伴有股骨头塌陷的ONFH模型还是难能可贵的。

Conzemius等[2]用澳洲鸸鹋采取血管结扎联合股骨头内局部液氮注射冷冻法制备ONFH动物模型。

结果19只鸸鹋中有16只在平均11.75周的时候出现跛行，13只在组织学上出现与人类ONFH晚期病理改变相似的股骨头表面塌陷，其中6只甚至出现了新月征。

此法成功制备了能进展至晚期股骨头坏死的ONFH动物模型，并提高了股骨头塌陷率，可能与鸸鹋双足负重、体型硕大、下肢生物力学与人类相近有关。

但鸸鹋来源有限、价格昂贵，使其在实验研究方面使用受限。

2.3.2高温灭活法高温物理损伤可以造成骨坏死，虽然与人类ONFH病理过程相差甚大，但因其坏死后表现与人类ONFH相似，在研究治疗方面有一定价
值。

Li等[14]使用微波加热兔股骨头法，建立ONFH动物模型，在55℃的条件下加热股骨头10min，术后12周69%的兔子在组织学上出现了股骨头塌陷。

但从组织学上看软骨也受损伤，为该法缺点之一。

2.4 酒精性ONFH动物模型
过量饮酒引起的ONFH在我国很常见，其发病主要与脂质代谢紊乱、局部血管炎症和骨质疏松有关。

Zhu等[15]将酒精注射到羊股骨头内成功制备了ONFH 动物模型。

但人类酒精性ONFH是饮酒后经胃肠道吸收后产生全身效应，进而特异性地作用于股骨头而引起的病理过程，与局部直接注射引起的ONFH存在差异。

齐振熙等[3]采用大鼠酒精灌胃法，此法比较接近人类ONFH发病机制且大鼠无呕吐反射，酒精计量准确。

但此法造模周期较长，大鼠四肢负重与人类存在差异，尚需进一步研究改进。

2.5 其他ONFH动物模型
2.5.1减压法Sobakin等[16]将羊放置在2.79atm气压下24h，然后以0.91atm/min 速度迅速下降至常压，骨扫描显示长骨近端、远端均存在骨坏死。

该法主要机制是迅速减压过程中产生的气泡影响骨微循环，最终导致骨坏死，但其坏死部位与人类ONFH存在差异。

2.5.3糖尿病法糖尿病能造成血液高凝状态，导致微循环障碍，成为ONFH的致病因素之一。

齐振熙等[17]通过大鼠腹腔内链脲佐菌素(STZ)注射的方法建立DM模型,再采用高笼喂养DM大鼠，12周时组织学显示股骨头软骨层较薄，软骨下骨小梁变细，间距增大，结构紊乱，骨小梁断裂更为显著，小梁中大部分骨细胞坏死，空缺骨陷窝增多非常显著，造血细胞数量减少，空缺骨陷窝计数达19．8％。

该法通过建立大鼠DM模型联合联合生物力学诱导成功制备ONFH动物模型，有助于糖尿病性股骨头缺血坏死(DANFH) 的相关研究。

3.总结
以上就是目前国内外较为成功的ONFH动物模型制作方法。

激素+辅助制剂造模比较符合人类ONFH病理过程，但难以模拟股骨头塌陷；大型双足动物鸸鹋比较符合人类下肢生物力学条件，但珍贵稀有难以推广；四足类哺乳动物与人类亲缘性好，但其下肢负重与人类差距甚大。

总之，目前尚没有一种方法能够模拟人类ONFH的病理全过程，尤其是后期的股骨头塌陷，成为造模难点之一。

虽然相继有报道制作出伴有后期股骨头塌陷的ONFH模型，但塌陷率低、实验动物珍贵等其他缺点不容忽视。

正是由于缺乏良好的ONFH动物模型，使得对ONFH预防及治疗的研究受阻。

如何建立良好的ONFH模型是一项长期的课题，随着研究方式不断进步，实验方法不断改进，必将发现更符合人类ONFH病理演变规律的动物模型，以推动ONFH的预防和治疗研究。

4.参考文献
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