骨关节炎动物实验模型的研究进展

骨关节炎动物实验模型的研究进展

骨关节炎(Osteoarthritis)是一组有不同病因但有相似的生物学、形态学和临床表现的疾病。该病不仅发生关节软骨损伤，还累及整个关节，包括软骨下骨、韧带、关节囊、滑膜和关节周围肌肉，最终发生关节软骨退变，纤维化，断裂，溃疡及整个关节面的损害。

本病的病理过程是以应力较高部位的关节软骨接触面广泛纤维化为特点，并伴有软骨下骨的骨质象牙化和硬化，关节边缘常常出现骨赘形成和骨的改建活动，关节滑膜囊的纤维化，与常见的滑膜非特异性炎症[1]。但是骨关节炎的致病机理仍然是一个充满争议和需要继续探索的课题，为了澄清骨关节炎发病和病程进展过程中，在关节组织中细胞分子水平的变化，这就需要使用实验动物模型观察。通过动物实验可以确定软骨基质的降解方式以及滑膜、软骨中的生物合成作用是如何被抑制的，同时还可以用来评价潜在的拮抗药物，为发现新的抗骨关节炎药物奠定基础。现就常用的骨关节炎实验动物模型的制备方法，应用优缺点和意义讨论如下。

1 关节腔内注射化合物诱导骨关节炎

多种化合物以关节内注射方式注入动物关节以后，可以出现许多类似于骨关节炎的病理改变。木瓜蛋白酶引起实验动物骨关节炎的机制可能在于其对软骨基质中蛋白多糖的分解作用，并能除去软骨细胞膜上有丝分裂抑制因子[2]。向C57Bl10小鼠关节内注射细菌源性胶原酶诱导骨关节炎的实验研究证实，在关节不稳定的程度与软骨损伤的严重程度（数量）和形成骨赘的大小之间，存在着显著的相关性[3]。关节内注射IL-1模型已经成功的用于确定某些蛋白酶抑制剂，但是否有抗骨关节炎药物的潜力有待研究。

2 骨关节炎制动造模方法

保证关节的正常活动和负重才能维持关节软骨的构成成分、结构和功能。固定肢体使关节制动可以诱发关节软骨萎缩，致使软骨变薄、水肿，蛋白聚糖含量下降，结构改变以及合成数量的下降，同时还有胶原合成及含量的增加。因为这些软骨改变与我们所见的人类骨关节炎病理改变相似，所以这种模型特别用于软骨退变过程的研究。但在着重软骨基本形态学的研究差别上，这一模型的使用逐

渐减少。骨关节炎的软骨中，软骨细胞灶性增殖呈细胞团或细胞巢，通常活跃至骨关节炎的后期，而与此对比的固定关节的观察发现，软骨细胞没有这种变化，不形成灶性细胞团却常出现坏死，特别是在夹板固定牢靠无任何活动的时候。软骨的这种改变可能是软骨细胞缺乏营养造成的，因为制动肢体缺乏运动和负重。而且，如果允许制动的肢体小范围活动，那么软骨退变的范围将明显减少。

3 自发性骨关节炎模型

许多种类的动物可以自发形成骨关节炎，如拉布拉多犬，德国牧羊犬和比格犬，可随年龄增加发生骨关节炎，但在此模型中，早期的病理形态变化特征和人的骨关节炎相比，出现了更为严重的滑膜炎和关节囊的纤维化。许多品系的小鼠都可以出现自发性骨关节炎，较常用的有：斑点杂交鼠，STR/ORT，C57Bl品系小鼠。该模型骨关节炎病程的典型特征包括：关节间隙变窄，骨赘形成，局部软骨损伤，染色显示的蛋白聚糖减少。恒河猴和食蟹猴都有较高的自发性骨关节炎的发病率，其流行病学和病理学改变与人相似，其关节的大小可以满足放射学、组织学和生物化学的研究，另外对实验研究广泛使用的平行对照而言，这种动物也容易找到与实验组年龄相匹配非骨关节炎的对照。但缺点是此动物活动范围大又有较长的生命跨度，研究可能要持续许多年，还可能受到无法控制的环境因素以及伦理和资金条件的限制。

4 前交叉韧带横断模型（ALCT模型）

Stoop等[4]切断Wistar大鼠的膝关节前交叉韧带，于第2、3、14、28、70天处死动物，取膝关节软骨常规组织学及免疫组化检测变性的Ⅱ型胶原，在前交叉韧带切断后软骨损害最早改变发生于表层带的软骨细胞和软骨基质。术后14天出现表层带软骨细胞数量减少，剩余的软骨细胞肿胀，表层带纤维化。术后4周、10周，上述改变更明显。在纤维化的区域，变性的Ⅱ型胶原降解产物染色明显增加，胶原酶分裂位点染色与变性胶原分布相同，但染色明显较淡；在胶原发生纤维化前及没有出现纤维化的部位不能检测到胶原的损害。Myers证实在开放手术中使用电烧止血和关节内冲洗与不使用止血方式的手术相比，滑膜炎的发生率由原来的69％下降到24％。但开放性横断前交叉韧带后会造成早期软骨增生，并在4~5年后形成骨关节炎，以及包括软骨全层侵蚀及关节内的多种改变[8]。

近年采用较多的建立OA模型的方法是ACLT手术法，ACLT模型手术简单创伤小，稳定性好，对动物生理结构改变较少，能全面反映OA软骨退行性变化的病理过程，但该法造模时间长，一般需6周以上才能造模成功[5]。

常用的Hulth造模法，切除兔膝关节前后交叉韧带及内侧副韧带，切除内侧半月板，破坏家兔膝关节正常的力学轴线，由正常的外翻10度变为内翻，关节最大压力由正常的外侧胫骨平台转移到内侧胫骨平台与股骨内髁关节承担，关节的负重面减少，局部关节软骨所承受的压应力相对增加，韧带的破坏加重关节的不稳定，从而形成了关节软骨变形的起始环节。

5 骨关节炎负重模型

家兔全身麻醉后，在右后腿膝关节内侧作切口至关节腔，推开髌骨、髌韧带，屈曲膝关节，暴露前交叉韧带并切断，以前抽屉实验确认断裂后，逐层缝合，3天后以石膏将左腿固定于腹部，右腿负重，每日跑步训练2小时，术后1周伤口络合碘护理，分笼饲养，每兔一笼。

负重模型能明显缩短OA发生发展的时间。提示负重增加OA关节液中细胞因子的产生，在同样造模时间内，较ACLT模型组造成OA病变更为严重[6]。

6 动物半月板切除骨关节炎模型

半月板是膝关节的缓冲装置，是位于股骨和胫骨的髁部之间的半月形纤维软骨盘。半月板的作用在于承重，并使压力分布均匀；增加关节稳定性；润滑作用并且通过滑液的表面扩散，有助于关节软骨的营养；并且具有保护关节软骨的作用。Lozoya等[7]切除Wistar大鼠膝半月板的30％~50％，致膝关节不稳，关节载荷传导紊乱，所有大鼠均出现关节软骨退行性变，软骨表面粗糙、侵蚀、纤维化，甚至完全缺失。Colombo及同事切除兔外侧半月板的同时还切除外侧副韧带及籽骨，此方法造成的家兔骨关节炎的病变一致性好，并在后来的研究中被广泛用来评估众多抗骨关节炎药物在软骨病变进程中的药效作用。

7 其他的动物骨关节炎模型

因为人的骨关节炎的发病率与职业相关（如一些要求重复机械性活动的工作），可以对动物关节再现与应力相关的病理变化实验，强制家兔跑踏轮锻炼5