股骨头坏死动物模型造模研究进展

范亚楠 张蕾蕾 李文龙 马向浩 刘又文

1.河南中医药大学洛阳研究生培养工作部，河南郑州450046；

2.河南省洛阳正骨医院髋部损伤二科河南省骨科医院髋部损伤二科，河南洛阳471002

股骨头坏死动物模型造模研究进展

范亚楠1张蕾蕾1李文龙1马向浩1刘又文2

1.河南中医药大学洛阳研究生培养工作部，河南郑州450046；

2.河南省洛阳正骨医院髋部损伤二科河南省骨科医院髋部损伤二科，河南洛阳471002

股骨头坏死是临床上较为常见的一种骨科疾病，该病对人类生存质量危害大，且近年来发病率呈上升趋势，严重威胁着人类的健康。但是关于本病的研究进展缓慢，一个重要的原因是迄今没有一种理想的动物模型可以用于股骨头坏死相关的研究。目前国内外常用的动物模型可分为两足动物和四足动物两大类，各类动物模型及其造模方法都有其优势和不足。本文通过对不同的造模方法的分析，为股骨头坏死研究中动物模型的选择提供依据，并重点讨论了动物模型的建立中需要进一步研究的动物选择、造模方法和评价手段等问题，为新动物模型的建立提供思路。

股骨头坏死；动物模型；研究进展

股骨头坏死（osteonecrosis of femora1 head，ONFH）是一种严重影响患者生存质量的骨科疾病。该病的致病因素多样，并且很难完全治愈，致残率很高，被称为不死的癌症。近年来关于ONFH病因及治疗方法的研究越来越深入，各类ONFH的模型的研究也相应增多。本文就近年来常用的ONFH动物模型及造模方法做一回顾。

1 四足动物ONFH模型的研究进展

1.1 大鼠模型研究

由于人和大鼠基因图谱的相似度非常高，大约共享有99%的类似基因，因此，鼠类动物在医学研究领域有着广泛的运用，在ONFH的相关性研究中也是如此。

1.1.1 大鼠酒精性ONFH模型由于啮齿类大鼠没有呕吐反射［1］，因此灌胃法更适用于大鼠的造模研究。郭天明等［2］以大剂量白酒给Wistar大鼠灌胃，24周后开始观察，直至大鼠出现早期ONFH改变。齐振熙等［3］以3组大鼠进行试验，实验组Ⅰ和组Ⅱ给予不同量白酒灌胃，对照组生理盐水灌胃，并配合高处取食饮水增加双后腿负重，20周后处死取材发现实验组股骨头坏死发生率及病理改变与对照组相比有显著差异，且高剂量白酒实验组较低剂量病变更明显。

1.1.2 大鼠激素性ONFH模型由于单纯注射激素大鼠死亡率较高，不易得到理想的动物模型，因此一般采用多种处理方式并行的方法进行实验。马信龙等［4］以两组大鼠进行造模实验：两组大鼠均给予地塞米松磷酸钠臀肌注射，并将实验组大鼠置于跑步机上匀速跑步增加机械应力。实验中切片显示，随着实验时间的推移，大鼠股骨头骨小梁逐渐变细，结构紊乱，骨髓腔脂肪细胞互相融合。另外，实验组与对照组相比坏死出现较早，修复反应较明显，力学性能也相应减弱。董玉雷等［5］采用腹腔注射LPS（20 μg/kg）联合臀肌注射甲强龙（40 mg/kg），8周后造模成功率达80%。

1.1.3 大鼠创伤性ONFH模型Pe1ed等［6］采用手术方法切断大鼠股骨头圆韧带、全部切除股骨颈近端骨膜组织的方法成功制备出大鼠创伤性ONFH模型。但是由于大鼠股骨头较小，制备过程复杂，所以在创伤性ONFH研究中应用较少。

1.1.4 其他方法制备大鼠ONFH模型1998年Mihara等［7］以强迫高笼大鼠站立高处取食的方法与低笼大鼠对比。15周时组织学结果显示，高笼中大鼠40%发生ONFH，10%出现骨化障碍，骨髓滋养动脉处股骨头软骨损伤，这种现象在低笼大鼠中极少出现。齐振熙等［8］通过制备速发型链脲佐菌素-糖尿病模型，测定骨代谢相关指标，发现糖尿病大鼠因胰岛素不足继发的骨质疏松导致股骨头的骨强度下降，随后在髋关节应力的作用下出现ONFH病变。

另外由于大鼠骺生长板终身存在，因此这类模型也可以作为儿童股骨头骨骺坏死（Perthes病）的病理研究。

1.2 兔模型研究

作为常用的实验动物，兔子也被广泛应用于ONFH的实验研究。

1.2.1 兔激素性ONFH模型早期的兔激素性ONFH模型没有复制出明确的组织学坏死，无法进行深入研究。随着实验设备和技术的提高，该问题逐渐得到解决，较为成功地复制了组织学坏死。杨卫强等［9］通过对新西兰兔臀肌注射醋酸氢化可的松的方法进行造模，股骨头切片发现从第2周开始出现变化，但是单纯应用激素动物模型死亡率较高且ONFH发生率低，因此多数学者开始采用激素联合内毒素等进行实验。苏强等［10］通过比较不同剂量内毒素联合甲基强的松龙制作兔ONFH模型，结果显示小剂量内毒素（20 μg/kg）不仅可以降低动物死亡率，且可得到典型的ONFH模型。

1.2.2 兔酒精性ONFH模型刘忠堂等［11］报道应用白酒灌胃法成功建立兔ONFH模型，并通过研究认为酗酒引发的脂代谢紊乱是造成酒精性ONFH的重要原因。铁伟宾等［12］通过酒精灌胃联合马血清静注成功制备出家兔酒精性ONFH模型，与单纯酒精灌胃比较，这种法模型制备成功率更高，ONFH病理变化更明显，病变集中在股骨头软骨下区。

1.2.3 兔创伤性ONFH模型卢强等［13］采用手术方法暴露兔股骨颈，并利用皮筋加压模拟股骨头缺血再灌注，发现缺血再灌注可加重幼年兔股骨头骨髓骨细胞损伤。亦有学者采用截断股骨头后经移位埋置于同侧的骼窝处肌肉内，2周后移位的股骨头发生ONFH［14］。另外还有彭吾训等［15］采用微波灭活法、杨明亮等［16］采用酸碱中和法、王卫明等［17］采用液氮冷冻法等局部灭活的方法制备兔ONFH模型，这些方法均能出现典型的骨坏死，但是发病机制与临床相差较远，对ONFH的病理研究意义不大。

1.3 犬模型研究

犬体型较大，更适合外科方法造模。刘兆玉等［18］采用手术方法纵行切断成年犬髋关节囊，结扎、切断股骨头圆韧带和旋股外侧动脉，保留旋股内侧动脉与髓腔滋养动脉，3 d后病理切片检查即出现异常，MRI检查在术后7 d出现改变。血管结扎虽然能复制出ONFH模型，但是这种方法造模时间长，骨的修复明显，很难造出典型的ONFH模型。李鸿帅等［19］选取成年Beag1e犬，克氏针固定一侧前肢使呈三足负重，配合股骨头局部注射无水酒精的方法成功制备ONFH模型，并通过研究发现三足负重模式下持续的生物应力会阻碍骨坏死后的修复反应，使坏死骨小梁的力学强度持续降低，最终导致坏死骨塌陷的形成。另外，阮康明［20］通过液氮冷冻法和脂多糖联合甲基强的松龙这两种方法均成功建立了犬ONFH动物模型，并通过比较发现液氮冷冻法的成功率高，可控性好，更适合于标准化治疗的研究；而激素联合内毒素模型，动物全身药物反应大，成功率较低，重复性差，但此模型接近人股骨头坏死演变过程，可用于临床上激素性ONFH的病因、病理方面的研究。巩建宝［21］在MRI的引导下利用氩氦刀靶向冷冻系统对Beag1e犬进行冷冻复温，认为氩氦刀靶向冷冻系统可以简化模型建立过程，且两个冷冻-复温循环的方法建立的ONFH模型病变进展更快，可以明显缩短实验时间。

1.4 羊模型研究

Vé1ez等［22］采用低温冷冻和血管结扎的方法建立羊ONFH模型，在第6、12周组织学检查发现术侧股骨头出现ONFH晚期表现，但是随后的影像学检查却没有出现塌陷。谭振等［23］则采用股骨头钻孔液氮冷冻的方法对羊股骨头进行处理。术后2周行CT检查显示股骨头出现大量硬化骨，负重区出现低密度影，切片检查显示11只山羊出现不同程度ONFH，提示股骨头钻孔液氮冷冻是一种简便、高效的造模方法。Zhu等［24］向受试羊股骨头局部注射无水酒精，25周时羊股骨头出现塌陷，关节间隙变窄，组织学检查提示骨小梁破坏，骨髓坏死，微循环重建不足。

1.5 猪模型研究

Swiontkowski等［25］应用外科手术造成小猪股骨颈骨折并行内固定治疗的方法模拟临床常见的创伤性ONFH。但是随后Sei1er等［26］采用同样的方法在小型猪上进行实验，实验结果与之前差别很大。因此笔者认为这种造模方法可控性差，难以重复实验。Drescher等［27］则采用将硅胶填塞于幼猪髋关节囊内的方法增大关节囊内压力，成功建立幼猪ONFH模型。

2 两足动物的股骨头坏死模型研究进展

虽然从生物学角度讲，上述哺乳动物和人类关系更为密切。但是人类ONFH最终出现的股骨头塌陷与两足负重的生物力学模式联系密切，而这些四足动物则主要由前肢负重，后肢承重反而较小，并且在造模成功后四足动物会保护性地限制患肢负重，进一步降低患肢的生物应力，导致模型动物无法完全模拟人类ONFH的进程。因此，一些学者设计应用两足动物建立ONFH模型，以期能观察到类似人类病程的软骨面塌陷。

2.1 鸡模型研究

程田等［28］应用三黄鸡作为实验对象，连续3 d以20 mg/kg的大剂量地塞米松胸肌注射，成功建立ONFH模型，认为短期内大剂量激素可造成鸡ONFH。李广贤［29］采用外科手术方法切断鸡一侧股骨头圆韧带，找出股骨头周围血管并结扎，术后2周切片检查发现骨髓出现水肿现象；12周时股骨头形态发生改变并伴有严重软骨下骨折。这种方法为创伤性ONFH模型的建立提供了新的思路。另外，王义生等［30］采用马血清静注联合酒精灌胃对三黄鸡进行处理，发现鸡可以作为研究酒精性ONFH的动物模型，且在马血清致敏条件下建立鸡酒精性ONFH可控性更好，实验周期也明显缩短。

2.2 鸵鸟模型研究

鸡ONFH模型制作成功后，开始有学者研究利用更大体型两足动物进行实验。王鹏飞［31］取健康鸵鸟行股骨头影像学、组织学和生物力学检查发现其组织属性接近人类股骨头，具备ONFH动物模型的条件。随后应用液氮冷冻法建立ONFH模型，术后观察发现鸵鸟股骨头出现塌陷，并且该病理过程与人类相似。笔者认为鸵鸟体型大，股骨头标本病变明显且方便观察，可作为ONFH动物模型深入研究，建立更加完善的模型制备方案。

2.3 鸸鹋模型研究

自2002年Conzemius等［32］应用两足大型动物鸸鹋制备出发展至股骨头塌陷的ONFH动物模型以来，关于鸸鹋的研究逐渐增加。鸸鹋在双足负重动物中体型仅次于鸵鸟，加之其生性好动，股骨头承受的压力较大，制作ONFH模型十分符合。范猛等［33］利用探针向鸸鹋股骨头负重区注射8 mL无水乙醇，1周后MRI检查即出现股骨水肿现象，组织学检查显示有坏死骨出现并有活跃的骨修复，但是该模型没有出现股骨头塌陷现象。曲春涛［34］利用导航装置钻孔后对30只实验鸸鹋行液氮冷冻和射频加热交替的方法进行处理。实验过程中，24只造模成功的鸸鹋12只出现单侧坏死，12只出现双侧坏死。第16周时，部分鸸鹋出现股骨头塌陷合并髋关节轻度脱位的ONFH晚期表现，整个病理过程与人类相似。但是由于鸸鹋是澳洲特产的动物，来源较少，饲养困难，因此不能大规模地应用于实验研究。

3 小结

笔者认为，理想的ONFH模型应具备以下要求：①模型动物的ONFH位置应与人类的病变区域相同，并且在坏死与修复的过程中承载正常的负重。②模型动物的ONFH过程应该具备模拟人类从早期的组织学改变到晚期的股骨头塌陷的整个病理进程。③模型动物在生理学和髋关节的解剖学、生物力学方面应当与人类相似。④造模操作简单易行，可重复性强，模型制备周期短。⑤造模的成功率高，模型动物的死亡率低。⑥模型动物的来源广泛易得，价格低，饲养简便。

综上所述，迄今为止还没有建立起理想的ONFH动物模型。关于ONFH模型的建立，笔者认为需要在以下几个方面做进一步研究：①模型动物的选择：虽然目前在四足动物的研究中取得巨大成功，但是由于四足动物和人类负重模式的差异，不能很好地模拟出股骨头塌陷现象。②造模方法：在动物ONFH模型建立的过程中，一些造模方法虽然比较成熟，但是不符合人类ONFH的发病原因，另外还有部分造模方法可能会引起骨折等并发症，和人类ONFH病程差别较大。③评价手段：既往研究中对ONFH模型的评价主要以组织病理学评价为主，这种评价方式能够准确反映模型的坏死程度，但是需要处死动物以获取评价材料，对动物模型的后续研究造成影响，不能从动物整体上得到造模的结果，也不利于对某一治疗方法效果的评价，因此一种无创的ONFH动物模型评价方法也是非常必要的。

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Research progress of establishing animal models with osteonecrosis of femoral head

FAN Ya'nan1ZHANG Leilei1LI Wenlong1MA Xianghao1LIU Youwen2
1.Luoyang Working Department for Postgraduate Education，He'nan University of Chinese Medicine，He'nan Province，Zhengzhou450046，China；2.The Second Department of Hip Injury，He'nan Luoyang Bonesetting Hospita1 the Second Department of Hip Injury，Orthopaedic Hospita1 of He'nan Province，He'nan Province，Luoyang471002，China

Osteonecrosis of femora1 head is a kind of common bone disease in c1inica1 practice，and this kind of disease can bring severe negative inf1uence to the 1ife qua1ity of human.The incidence of osteonecrosis of femora1 head is rising in recent years，which brings great threaten to human hea1th.But the progress of research on this disease is s1ow，one of the reasons is that there is no idea1 anima1 mode1 can be used in it.Now the anima1 mode1s that are common1y used can be divided into two types：bipeds and tetrapods，each tape and method of making mode1 has its advantages and disadvantages.This paper provides evidence for the anima1 choice in the study of osteonecrosis of femora1 head by ana1yzing different methods of making mode1，and emphasizes on the important prob1ems during estab1ishing anima1 mode1s：the se1ection of anima1s，the method of making mode1 and eva1uation means of new anima1 mode1s，in this way can we provide new ideas for the estab1ishment of new anima1 mode1s.

Osteonecrosis of femora1 head；Anima1 mode1s；Research progress

R681.8

A

1673-7210（2016）07（c）-0058-04

2016-03-28本文编辑：张瑜杰）

国家自然科学基金资助项目（81473704）。

范亚楠（1991.4-），男，河南中医药大学洛阳研究生培养工作部2015级中医骨伤专业在读硕士研究生；研究方向：中医药治疗腰髋疾病。

刘又文（1963.9-），男，主任医师，河南省洛阳正骨医院髋部损伤二科科主任；研究方向：髋关节周围骨折的治疗、股骨头坏死的早期诊断和治疗、微创全髋关节置换术的研究。