骨性关节炎的实验动物模型

钱丽萍 周乙华 瞿叶清 翟青新 余飞

南京大学医学院附属鼓楼医院科研部实验动物中心（南京210008）

骨性关节炎（osteoarthritis，OA）又名增生性关节炎、退行性关节炎，是一种临床上常见的关节退行性疾病。其主要表现为关节疼痛、活动障碍，关节畸形。OA可以在附肢骨骼的任意一个关节上发生。随着年龄的增长，骨性关节炎的发病率将会提高。其发病主要侵犯软骨、骨和滑膜组织，导致软骨损伤、骨赘形成及滑膜炎等。由于软骨细胞是软骨组织中的唯一细胞，损伤、退变后修复能力有限，使得该疾病预后较差，甚至致残，严重威胁患者生活质量。在基础研究以及临床研究中，OA的发病机制、疾病进程以及治疗方式研究多通过构建动物模型来完成。OA模型的构建方法主要包括：关节腔内药物注射、关节划痕、石膏固定制动、断离关节内主要韧带、切除半月板、基因改造、自发形成关节炎等。不同的动物具备不同的特性，应当根据不同的研究目的合理地选择动物模型。本文就常用的构建OA模型的几个种属实验动物作一综述。

1 啮齿目动物

啮齿目动物属于哺乳纲动物中种类最多、分布最广的一种动物。其繁殖量大，是实验研究中应用最广泛的一种动物。但由于其体型小，在手术造模的过程中会有一定困难，行手术造模时往往需要借助显微器械，并且软骨较薄，影像检查时难观察软骨损伤情况，有其局限性。

1.1 小鼠

小鼠90%的基因组与人类相似，适合遗传学研究。其性情温顺，繁殖速度快，繁殖量大，便于饲养和管理，常应用于和遗传相关的OA发病机制的研究。Griffin等［1］给9周龄雌性C57BL/6J小鼠以高脂饮食模拟肥胖导致的OA的发生，从而证明饮食引起的肥胖能通过影响骨骼肌的功能来引起OA发生。由于治疗OA的药物有限，亟待建立能够提高对OA发病的认识、探索新治疗方法的OA动物模型。而建立能够在关节表达骨形成蛋白（BMP）受体的小鼠模型为解决这一问题提供了研究工具［2］。 Kyrkanides等［3］发 现，OA可以加速和恶化阿尔茨海默病小鼠的病情，说明OA产生的炎症因子可以对中枢神经系统产生影响。Johnson等［4］采用 VII型胶原诱导的方法以及切断前交叉韧带、内侧半月板前角胫骨韧带、外侧半月板前角胫骨韧带的方法构建OA模型，观察一种小分子kartogenin对关节软骨的保护作用。裸鼠可以用作异体软骨再生的组织工程学研究。Vacanti等［5］将人软骨细胞种植在裸鼠的背部皮下，生成了新的人透明软骨。在分子生物学、组织工程学方面的研究将为OA的早期预防、治疗开拓新思路。

1.2 大鼠

大鼠和小鼠均属于鼠科，在诸多方面特性相似。而大鼠体型较大，更利于临床观察。目前往往应用于观察症状，包括步态和疼痛表现、细胞生物学研究、OA和神经系统相关性研究、组织工程研究等。Kellyy等［6］给大鼠关节注射碘乙酸钠诱导OA，研究OA引起疼痛的机制，模拟人OA的组织学变化，发现其膝关节自发放电性和机械敏感性增强。Lee等［7］采用SOX9基因转导的脂肪间充质干细胞置于纤维蛋白凝胶上，种植在OA大鼠软骨损伤的部分，经过21天的治疗，结果蛋白多糖、Ⅱ型胶原的表达量和对照组相比明显改善（P<0.01），推测过表达SOX9可以促进蛋白多糖和Ⅱ型胶原的合成，促进软骨生成。Allen等［8］将内侧半月板体部中间切断，模拟半月板外侧撕裂伤，构建大鼠OA模型，分析OA大鼠的步态来测定痛触觉和负重能力变化。结果显示，负重能力未受到影响，而步态变得不对称，并且健侧肢体走路时花的时间较患侧长（P<0.1），说明关节稳态被破坏后，出现了显著的代偿现象。Salo等［9］采用关节内注射免疫毒素的方法使2月龄大鼠膝关节失去传入神经支配，结果显示大鼠出现OA症状，推断随着年龄的增长，大鼠的神经元将会减少，这是引起自发性关节炎的进程的重要因素。大鼠虽然体型较小鼠大，但软骨仍然较薄，和人类相比，更易损伤，而由于其生长板的特殊性，软骨修复能力可能更强，在研究软骨损伤及再生方面有一定局限性［10］。1.3豚鼠

相比小鼠和大鼠，豚鼠在OA研究方面应用得较少，主要通过化学药物、外科手术和自发性OA来建立豚鼠OA模型。可应用于OA生物标记的测定以及组织水平的检测。 Bowyer等［11］采用MRI检测软骨量损失作为生物标记检测OA豚鼠软骨损伤情况，评价多西环素对OA的保护作用。用豚鼠作为OA模型，对于研究者来说，其优势在于豚鼠OA和人类OA相比，其组织病理学相似性非常高，和人类具有类似的评分体系，并且关节滑液可见、关节内的生物标志——软骨寡聚基质蛋白及硫酸角质素易于检测［12］。

2 兔

兔体型适中，行走时主要由下肢负重，接近人类的下肢负重情况，性情温顺，是最常用的OA模型。而通过兔前交叉韧带切断法构建兔OA模型可重复性较好，Mankin评分分值也较高，是研究OA关节软骨退变较理想的模型［13］。Uchii等［14］采用暴露左膝腓侧副韧带及髌韧带 ，将内侧半月板切除3～4 mm（大约30%～40%）的方法构建兔OA模型，通过免疫组化来观察成纤维细胞样生长因子8（FGF-8）对OA发病的影响。兔具有很强的自愈能力［15］，这点与大鼠、小鼠类似，和人类有着明显差异，在模拟人OA的发生以及进程上不够理想。兔作为OA模型，其缺陷包括和实验相关的抗体、细胞因子等较难获得，在遗传学、分子生物学及细胞生物学实验方面不够理想。

3 马

用马构建模型来评价OA病理生理进程以及治疗效果已有十多年历史［16］。马体型较大，适合手术构建OA模型。而马关节疾病和人的相似性较高，适合作为OA转化研究的模型，以及治疗OA引起软骨损伤的对照研究模型［17］。马的关节软骨损伤恢复较慢，与人的软骨损伤情况接近［18］。成年马下肢膝关节软骨的厚度1.75 mm，较接近人关节软骨的厚度（2.35 mm）［19］，适合于作为观察软骨损伤过程的模型。但饲养马要求具备较大的场地，对手术操作者技能要求较高，所以，在OA模型的研究中，马并非常用实验动物。

4 羊

山羊和绵羊均可用作构建OA模型的实验动物。与大型动物比较，羊的体型适中，温顺，易于管理，适合用作临床前实验的模型，尤其在细胞生物学方面应用得较多。Murphy等［20］通过关节内注射自体骨髓间充质干细胞治疗由前交叉韧带切断及内侧半月板切除诱导的羊OA模型，治疗9周后，其关节表面光滑程度、组织病理情况均优于对照组。羊的半月板较大，并且OA后半月板损伤的病情与人类接近，适于进行OA半月板退变的研究［21］。

5 犬

犬作为家畜，在长期驯化的过程中，已经具备了特别的社交和认知能力［22］。相对而言，犬更能够宣泄和表达疼痛、不适等症状。实验外科常用Beagle犬作为动物模型。不论临床表现还是发病机制，犬自发性OA以及髋关节发育不良均与人类的情况类似。犬更能模拟人OA症状，包括疼痛和跛行。虽然犬原发性OA较少见，但通过特定的驯养方法可以使犬更易感OA［23］。

6 猪

家猪关节软骨较厚，股骨内侧髁软骨的厚度达到1.5 mm～2.0 mm［24］，而且猪的软骨损伤后亦难恢复。这种情况对于观察软骨及软骨下骨的损伤过程极为有利。但由于家猪体型肥大，性情相对暴烈，在实验环境下不便于处理。小型猪能克服这些缺陷，但价格较高。所以，在关节炎的研究中，猪和马一样，并非常用的动物模型。

7 小结与展望

OA是引起人体关节功能障碍的主要原因之一。对OA的研究一直以来都是国内外的热点。OA的进行性变化将会影响到关节所有的组织，导致关节功能减退、疼痛，从而导致全身性疼痛，降低生活质量，减少预期寿命。研究关节内稳态的生物学特性以及发病机制对防治OA显得尤为必要［25］。不论是自然环境还是人工环境下，所有的哺乳动物都有可能患上进行性骨关节疾病［26］。哺乳动物主要靠下肢负重，其下肢生物力学与人具有相似性，所以目前主要采用哺乳动物来构建OA模型。虽然鸟类也可以用作OA模型，但鸟类OA模型并不能清楚地反映人类OA进程，并且极少发生自发性OA，不适宜用作比较研究［27］。

关于OA模型的建立，最早可以追溯到1911年，国外学者采用实验方法来模拟人类OA。该方法在动物关节软骨局部应用碘酊或者过氧化氢造成关节软骨损伤，从而引起OA。随后，不断有学者在机械损伤、压力损伤、化学刺激、发病机制以及生物学特性等方面进行深入研究［28］。年龄增长、机械压力、创伤、遗传易感性以及代谢性疾病都是OA的高危因素［14］。研究前应当选择合适的实验动物来模拟导致OA的不同因素。一个完美的OA动物模型应该能够准确地模拟人类OA，但由于动物的特性与人类有较大差异，做到这点很困难［29］。 因此，根据不同的实验需要，通过正确地评估，合理地选择实验动物，改良模型构建方法将是今后研究的方向。

［1］Griffin TM，Fermor B，Huebner JL，et al.Diet-induced obesity differentially regulates behavioral，biomechanical，and molecular risk factors for osteoarthritis in mice.Arthritis Res Ther，2010，12（4）：R130.

［2］Young MF.Mouse models of osteoarthritis provide new research tools.Trends Pharmacol Sci，2005，26 （7）：333-335.

［3］Kyrkanides S，Tallents RH，Miller JN，et al.Osteoarthritis accelerates and exacerbates Alzheimer’s disease pathology in mice.J Neuroinflammation，2011，8：r112.

［4］Johnson K，Zhu S，Tremblay MS，et al.A stem cell-based approach to cartilage repair.Science，2012，336：644-647.

［5］Vacanti CA，Langer R，Schloo B，et al.Synthetic polymers seeded with chondrocytes provide a template for new cartilage formation.Plast Reconstr Surg，1991，88（5）：753-759.

［6］Kellyy S，Dunham JP，Murray F，et al.Spontaneous firing in C-fibers and increased mechanical sensitivity in A-fibers of knee joint-associated mechanoreceptive primary afferent neurones during MIA-induced osteoarthritis in the rat.Osteoarthritis Cartilage，2012，20（4）：305-313.

［7］Lee JM，Im GI.SOX trio-co-transduced adip ose stem cells in fibrin gel to enhance cartilage repair and delay the progression ofosteoarthritisin the rat.Biomaterials，2012，33（7）：2016-2024.

［8］Allen KD，Mata BA，Gabr MA.Kinematic and dynamic gait compensations resulting from knee instability in a rat model of osteoarthritis.Arthritis Res Ther，2012，14（2）：R78.

［9］Salo PT，Hogervorst T，Seerattan RA，et al.Selective joint denervation promotes knee osteoarthritis in the aging rat.J Orthop Res，2002，20（6）：1256-1264.

［10］Libbin RM，Rivera ME.Regeneration of growth plate cartilage induced in the neonatalrathindlimb by reamputation.J Orthop Res，1989，7（5）：647-682.

［11］Bowyer J，Heapy CG，Flannelly GK，et al.Evaluation of a magnetic resonance biomarker of osteoarthritis disease progression：doxycycline slows tibial cartilage loss in the Dunkin Hartley guinea pig.Int J Exp Pathol，2009，90（2）：174-181.

［12］KrausVB，HuebnerJL，DeGrootJ，etal.The OARSI Histopathology Initiative - Recommendations for Histological Assessments of Osteoarthritis in the Guinea Pig.Osteoarthritis Cartilage，2010，18 （Suppl 3）：S35 –S52.

［13］Lozano J，Saadat E，Li X，et al.Magnetic resonance T（1 rho） imaging of osteoarthritis： a rabbit ACL transection model.Magn Reson Imaging，2009，27（5）：611-616.

［14］Uchii M，Tamura T，Suda T，et al.Role of fibroblast growth factor 8 （FGF8） in animal models of Osteoarthritis.Arthritis Res Ther，2008，10（4）：R90.

［15］Wei X，Gao J，Messner K，et al.Maturation-dependent repair of untreated osteochondral defects in the rabbit knee joint.J Biomed Mater Res，1997，34（1）：63-72.

［16］Frisbie DD，Kawcak CE，McIlwraith CW，et al Evaluation of polysulfated glycosaminoglycan or sodium hyaluronan administered intra-articularly for treatment of horses with experimentally induced osteoarthritis.Am J Vet Res，2009，70（2）：203-209.

［17］Frisbie DD，Kisiday JD，Kawcak CE，et al.Evaluation of adipose-derived stromalvascular fraction or bone marrow-derived mesenchymal stem cells for treatment of osteoarthritis J Orthop Res，2009，27（12）：1675-1680.

［18］Koch TG，Betts DH.Stem cell therapy for joint problems using the horse as a clinically relevant animal model.Expert Opin Biol Ther，2007，7（11）：1621-1626.

［19］Frisbie DD，Cross MW，McIlwraith CW.A comparative study of articular cartilage thickness in the stifle of animal species used in human preclinical studies compared to articular cartilage thickness in the human knee.Vet Comp Orthop Traumatol，2006，19（3）：142-146.

［20］Murphy JM，Fink DJ，Hunziker EB，et al.Stem cell therapy in a caprine model of osteoarthritis.Arthritis Rheum，2003，48（12）：3464-3474.

［21］Burger C，Mueller M，Wlodarczyk P，et al.The sheep as a knee osteoarthritis model：early cartilage changes after meniscus injury and repair.Lab Anim，2007，41（4）：420-431.

［22］Tomasello M，Kaminski J.Behavior.Like infant，like dog.Science，2009，325（5945）：1213-1214.

［23］Vainio O.Translational animal models using veterinary patients– An example of canine osteoarthritis （OA）.Scandinavian Journal of Pain，2012，3（2）：84-89.

［24］Hembry RM，Dyce J，Driesang I，et al.Immunolocalization of matrix metalloproteinases in partial-thick-ness defects in pig articular cartilage：a preliminary report.J Bone Joint Surg Am，2001，83A（6）：826-838.

［25］Lotz M.Osteoarthritis year 2011 in review： biology.Osteoarthritis Cartilage，2012，20（3）：192-196.

［26］Lascelles BD.Feline degenerative joint disease.Vet Surg，2010，39（1）：2-13.

［27］Rothschild BM，Panza R.Osteoarthritis is for the birds.Clin Rheumatol，2006，25（5）：645-647.

［28］Ehrlich MG，Mankin HJ，Jones H.Biochemical confirmation of an experimental osteoarthritis model.J Bone Joint Surg Am，1975，57（3）：392-396.

［29］Hunziker EB.Biologic repair of articular cartilage.Clin Orthop Relat Res，1999，367（Suppl）：S135-146.