股骨头坏死动物模型造模方法的研究进展

李 明，李钊炜*，唐保明，李泽清，张 渊，任 荣，胡一博

（青海大学附属医院创伤骨科，青海 西宁 810001）

股骨头坏死动物模型造模方法的研究进展

李 明，李钊炜*，唐保明，李泽清，张 渊，任 荣，胡一博

（青海大学附属医院创伤骨科，青海 西宁 810001）

股骨头坏死是骨科领域常见及难治的疾病，为研究其发病机制和治疗方法，学者们在该疾病的动物模型研究做出了很多研究，本文就最近几年来国内外对其动物造模方法进行分析整理，从中了解动物造模的最新的发展，发现新的、合适的造模思路，为将来股骨头坏死研究以及建立更好的动物模型提供参考。

股骨头坏死；动物模型；研究进展

股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）是骨科领域常见及难治的疾病，由激素、创伤、酒精等多种病因造成的股骨头缺血，进一步发展成骨髓造血细胞、脂肪细胞坏死及骨小梁萎缩、成骨细胞坏死和股骨头塌陷、髋关节功能障碍的一种疾病。国际骨循环学会（Association Research Circulation Osseous ARCO）将股骨头坏死定义为：股骨头血供中断或受损，引起骨细胞和骨髓成分死亡以及伴随其后的组织修复，继而导致股骨头结构改变、股骨头塌陷，引起关节疼痛、关节功能障碍的疾病[1]。美国每年新增股骨头坏死患者1～2万人，占到全髋置换手术的5～18%[2]。国内外各国学者在股骨头坏死的研究方面进行了许多的工作，但是其各项研究及该病的诊断及治疗方面研究进展仍非常的令人失望，除了该疾病病因多，发病机制复杂外，缺乏一种能够模拟股骨头坏死患者关节塌陷的自然病程和疾病的进展的动物模型，这也是股骨头坏死研究进展令人失望的一个十分重要的原因。目前还很难建立一个从早期的组织学及影像学改变到晚期的股骨头塌陷等表现都与人类相似的模型[3]。

建立一种好的股骨头坏死的动物模型是研究其发病机制及评价其临床治疗效果的基础。股骨头坏死的动物模型已经成为这个领域研究的难点之一。目前，ONFH动物模型的建立主要用于探讨股骨头坏死的机制，研究股骨头坏死的早期诊断，探讨股骨头坏死临床药物治疗及手术治疗等方面。本文就最近几年来国内外对其动物造模方法进行分析整理，从中了解动物造模的最新的发展，发现新的、合适的造模思路，为将来股骨头坏死研究以及建立更好的动物模型提供参考。

1 物理方式及化学灭活型方式建立的股骨头坏死的动物模型

液氮冷冻股骨头坏死动物模型具有造模时间较快、动物存活率高的优点而成为比较常见采用的股骨头坏死造模方法。Jin等[4]对12只成年比格犬建模，术后8周其股骨头出现了塌陷形成了蘑菇云。徐俊等[4]建立了三足犬动物模型，在电脑程序帮助下运用了液氮冷冻系统建模，结果多数实验组动物出现股骨头变形，囊性变。Velez等[5]联合使用血管结扎及液氮冷冻技术建立了羊模型，最后显示实验动物出现股骨头坏死特征性双线征和股骨头塌陷。Conzemius等[6]联合使用血管结扎及液氮冷冻技术建立了鸸鹋模型，结果显示组织学改变与人类ONFH早期和晚期病理改变相似。高温加热的损伤可以造成骨坏死的观点为越来越多的学者所接受，在持续稳定为43～45℃的热损伤时，会造成细胞的死亡。Li等通[7]过微波加热建立兔股骨头坏死模型，在第12周，约69%造模动物出现股骨头塌陷。Fan等[8]发明了一种冷热交替装置来建立鸸鹋股骨头坏死模型，16周后20只造模动物全部出现跛行。Shabat等[9]报道通过给予2-丁氧基乙醇建立兔的骨坏死模型，该模型有利于研究镰状细胞病和其他血红蛋白疾病引起的骨坏死的机制。Ichiseki等[10]运用氧化剂丁硫氨酸亚砜胺制作了大鼠模型，这一模型适用于股骨头坏死易感基因的筛查。

2 酒精性相关性的动物模型

在我国，长时间酗酒引起股骨头坏死也比较多见，目前认为股骨头坏死程度与饮酒量、饮酒史的长短有关。Ikemura等[11]研究报道乙醇能造成脂肪代谢紊乱，且乙醇剂量越高，该效应越明显。目前对于酒精相关性股骨头坏死的动物模型，其方法包括酒精灌胃法和股骨头局部注射法。Wang等[12]通过胃内灌注方式每日给予含46%的乙醇的烈酒，建立小鼠股骨头坏死模型，6个月后在股骨头的软骨区发现了骨坏死，该动物模型对于酒精相关性股骨头坏死的发病机制及评估临床的诊治有一定的帮助。Okazaki等[13]利用Lieber-DeCarli酒精液体饲料（含5%乙醇）饲养大鼠，发现饲养1周后便有部分大鼠出现了股骨头坏死（3/8）. Manggold 等[14]向股骨头中心注射纯乙醇建立了羊股骨头坏死模型，结果出现骨坏死。Simank等[15]将酒精注入绵羊股骨头中心，最后发现股骨头中心部位坏死。饲养乙醇或灌胃酒精模仿了人类嗜酒的过程，但动物的股骨头坏死率不高，全部没有股骨头坏死晚期表现，灌胃剂量的选择及造模时间是其成功的关键点。

3 激素性股骨头坏死的动物模型

目前，临床上肾病综合征、支气管哮喘、系统性红斑狼疮、器官移植、等疾病需要较长时间使用激素治疗，且使用剂量较大，其引起股骨头坏死的并发症，严重危害患者健康。

（1）单纯激素性股骨头坏死的动物模型

Miyanishi等[16]进行了使用激素在兔骨坏死的研究，结果显示醋酸甲基泼尼松龙是股骨头坏死动物模型诱导的有效药物。Motomura等[17]给兔子注射不同剂量醋酸甲基强的松龙，最后发现注射激素剂量与股骨头坏死发生率有一定关联性。Yang等[18]将地塞米松分别以间断和连续方式给予小鼠口服，结果发现与临床治疗中间断使用激素可减少股骨头坏死发生率的结果相符合。

（2）激素+脂多糖的动物模型

脂多糖能激活细胞内的分子信号，参与多种细胞因子及粘附分子的表达，使机体处于高凝状态，影响末梢循环进而形成股骨头坏死。Ma等[19]应用LPS联合激素建立兔子动物模型，发现甲基强的松龙+脂多糖诱导股骨头坏死的发生率，远远要高于单独使用激素或脂多糖的股骨头坏死的发生率。Qin等[20]建立兔激素型股骨头坏死模型，给药6周后，93%的模型兔股骨头出现坏死，这种造模方式具有方式简单，方便操作，容易成功、动物存活率高等优点，被认为是一种比较好的激素性股骨头坏死模型。有学者[21]通过联合使用内毒素及泼尼松对小鼠造模，结果发现脂多糖导致小鼠的体质量明显下降的同时其脾脏的质量却明显上升，并且坏死股骨头中肿瘤因子α明显增高。说明了LPS在股骨头坏死造模中所起到的作用与肿瘤因子α有着密切的联系。Zheng等[19]对鸸鹋序贯注射内毒素及甲基龙，研究人员认为，内素毒及甲基龙的序贯使用是建立激素性鸸鹋动物股骨头坏死模型一种较为理想的方法，可以作为激素性股骨头坏死的临床前期研究的模型。

（3）激素+异体血清股骨头坏死的动物模型

实验动物注射异体血清后，能够发生脉管系统炎症，再使用激素诱导股骨头坏死，这种造模方法符合人类股骨头坏死的疾病发生、发展的自然过程。Matsui等[22]给予兔子注射马血清，结果发现33%兔子股骨干骺端发生骨坏死，同时肾脏组织中有免疫性复合物附着，与临床工作中患者使用激素后比较容易发生股骨头坏死的现象比较一致。Isuji等[23]给予兔子经静脉注射无菌、灭活的马血清，结果发现其病理发生过程与临床上系统性红斑狼疮患者发生的免疫复合物附着的病理过程非常相像，但是仅有早期的骨坏死而且未出现在股骨头部位。

4 手术创伤性股骨头坏死的动物模型

创伤性股骨头坏死临床上很常见，对实验动物进行手术，模拟临床工作中常常遇到的创伤因素导致股骨头缺血坏死的发生的情况。 Swiontkowski等[24]运用手术的方式建立了股骨头坏死的动物模型，结果显示股骨头都存在一定程度的骨坏死并伴有骨小梁结构的改变。.Aruwajoye等[25]运用手术的方式建立了在的Yorkshire小猪单侧未成熟的股骨头上建模，结果显示在骨小梁及骨髓区分布有大量的坏死细胞，这一种动物模型是研究LCPD的经典动物模型，可用于股骨头坏死发生机理及预防方法的研究。Gao等建立了狗股骨头坏死模型，组织学显示股骨头内含有骨髓细胞碎片，陷窝细胞和（或）细胞核缺损，脂肪细胞增多。有学者用新西兰兔造模，手术切除髋关节囊，模拟临床上股骨头坏死的早期阶段，实验结果显示股骨头骺板有坏死斑的发生，这种情况与人类股骨头坏死的早期阶段相一致。Peskin等[24]实验结果显示有连接股骨头骨骺和干骺端的骨桥形成，这为临床上股骨头变形的发生提供了一种相对合理的解释。Wen等[25]使用手术方式切断股骨颈，然后使用转基因的骨髓间充质干细胞移植进行治疗，实验发现转基因的骨髓间充质干细胞移植技术可能是治疗股骨头坏死早期阶段的一种较理想的方法。

5 总结与展望

综上所述，目前，由于股骨头坏死疾病病因多，发病机制复杂，以及人和动物的客观上存在的种种差异，还没有一种理想的动物造模方法可以完全复制与人类股骨头坏死患者关节塌陷的自然病程、病理过程完全一致。目前的动物模型都有其优势，但也都存在其不足。物理方式建立的模型，如液氮冷冻等，可作为模拟临床手术等治疗方法研究的动物模型，较其他方法制备的模型更适合于动物模型造模方法的标准化的研究。激素性相关性及酒精性相关性股骨头坏死的动物模型适合于病因、病理及综合性研究。激素+辅助制剂造模比较符合人类股骨头坏死的自然病理过程。手术创伤性方式动物模型模拟了临床实际工作中最多见的股骨头坏死的类型，有利于股骨头坏死的分期，但其不能根据不同的病因进行造模，难以推广。因此，建立理想的股骨头坏死模型是一项时间长久的研究课题，随着社会经济、科技的发展，必将发现更加符合人类股骨头坏死的自然病理、病程的动物模型，从而推动股骨头坏死疾病诊疗工作的进步。

[1]中华医学会骨科分会显微修复学组及中国修复重建外科专业委员会骨缺损及骨坏死学组。成人股骨头坏死诊疗标准专家共识(2012年版)[J/CD].中华关节外科杂志:电子版,2012,6:479-484.

[2]Babis GC,Sakellariou V,Parvizi J.Ostenecrosis of the femoral head.Orthopedics.2011;34(1):39.

[3]Conzemius MG,Brown TD, Zhang Y,et al.A new animal modelof femoral head osteonecrosis:one that progresses to human-like mechanical failure[J].J Orthop Res,2002,20(2):303-309.

[4]徐 俊,张长青,孙建琪,等.计算机辅助下低温手术建立三足犬股骨头坏死模型的初步报告[J].中国修复重建外科杂志,2008, 22(3):76-280.

[5]Velez R,hernandez-Fernandez A,Caminal M,al.Treatment of femoral head ostenecrosis with advanced cell therapy in sheep. Arch Orthop Trauma Surg.2012;132(11):1611-1618.

[6]Conzemius MG,Brown TD,Zhang YD,et al,A new animal modal of femoral osteonecrosis:one that progresses to human-like mechanical failure.J Orthop Res,2002,20(2):303-309.

[7]Fan M,Peng J,Wang A, et al.Emu modal of full-range femoral head osteonecrosis induced focally by an alternating freezing and heating insult.J Int Med Res.2011;39(1):187-198.

[8]Shabat S,Nyska A,Long PH,et al.Osteonecrosis in a chemically induced rat model of human hemolytic disorders associated with thrombosis- a new model for avascular necrosis of bone.Calcif Tissueint,2004,74:220-228.

[9]Ichiseki T,Kaneuji A Ueda Y,et al.Osteonecrosis development in a noval rat model characterized by a single application of oxidative stress.Arthritis Rheum,2011,63(7).

[10]Wang Y,Yin Li Y,et al.Preventive effects of puerarin on alcoholinduced osteonecrosis.Clin Orthop Relat Res,2008,466:1059-1067.

[11]Okazaki S,Nagoya S,Tateda K.Experimental rat model for alclhol-induced osteonecrosis of the feoral head Int J Exp Pathol.2013;94(5):312-319.

[12]Manggold J,Sergi C,Becker K,et al.A new animal modal of femoral head necrosis induced by intraosseous injection of ethanol. Liab Anim,2002,36:173-180.

[13]Simank H G,Mang gold J Sebald W,et al.Bone morphogenetic protein-2 and growth and differentiation factor-5 enhance the Healing of necrotic bone in a sheep model[J].Growth Factors,2001,19(4):247-257.

[14]Miyanishi K,Yamamoto T,Irisa T,et al.Effects of different corticosteroids on the development of osteonecrosis in rabbits[J]. Rheumatology(Ox-ford),2005,44(3):332-336.

[15]Motomura T,Yamamoto T,Irisa T,et al.Dose effects of corticosteroids on the development of osteonecrosis rabbits .J Rhe umatol,2008,35(12):2395-2399.

[16]Yang L,Boyd K,Kaste SC,et al.A mouse model for glucocorticoidinduced osteoncrosis:effect of a steroid holiday.J Orthop Res,2009,27(2):169-175b.

[17]Qin L,Zhang G,Sheng H,et al. Multipe bioimaging modalities in evaluation of an experimental osteoncrosis induced by a combination of lipopolysaccharide and methylprednisolone. Bone,2006,39:863-871.

[18]Ryoo S,Lee S,Jo S,et al.Effect of lipopolysaccharide on mouse model of steroid-induced avascuiar necrosis in the femoral .J Microbiol Biotechnol.2014;24(3):394-400.

[19]Zheng LZ,Liu Z,Lei M,et al.Steriod-associated hip joint collapse in bipedal emus.PLoS One.2013;8(10):e76797.

[20]Matsui M,Ohzono K,Nakamura N,et al.The immune reaction to heterologous serum causes osteonecrosis in rabbits.Virchows Arch,1995,477(2):205-211.

[21]Aruwajoye OO,Patel MK,Allen MR,et al.Microcrack density and nanomical properties in the subchondral region of the immature piglet femoral head following ischemic osteonecrosis Bone.2013;52(2):632-639.

[22]Gao YS,Guo SC,Ding H,et al.Caspase-3 may be employed as an early predictor for fracture-induced osteoncrosis of the femoral head in a canine model.Mol Med Rep,2012,6:611-614.

[23]When Q,Jin D,Zhou CY,et al.HGF-transgenic MSCs can improve the effects of tissue self-repair in a rabbits model of traumatic osteoncrosis of the femoral head.Plos one.2012;7(5):e37503.

[24]Peskin B,Shupak A,Misselevich I,et al.Transpyseal Osseous bridges in experimental osteoncrosis of the femoral head of the rat[J],J Pediar Orthop B,2001,10(3):214-218.

[25]Wen Q,Jin D,Zhou CY,et al.HGF-transgenic MSCs can improve the effects of tissue self-repair in a rabbits model of traumatic osteoncrosis of the femoral head.PLoS One,2012,7:e37503.

本文编辑：李 豆

Research progress of modeling method for animal model of avascular necrosis of femoral head

LI Ming, LI Zhao-wei*, TANG Bao-ming, LI Zeqing, LI Ze-qing,
ZHANG Yuan, REN Rong, HU Yi-bo (Department of orthopaedics,af fi liated hospital of Qinghai university,Qinghai Xining 810001,China)

Avascular necrosis is a common and refractory disease, orthopedic field to study the pathogenesis and treatment methods,scholars research in animal models of the disease has made a lot of research, this article chooses the building method of the avascular necrosis of the femoral head at home and abroad, observes, so that to grasp the building of new changes, to find new suitable building ideas, femoral head necrosis for the future research and build better animal models to provide the reference.

Femoral head necrosis；Animal model；Research progress

R68

A

ISSN.2095-6681.2017.12.4.03

青海省科技厅自然科学；项目名称：富血小板血浆(PRP)与高原地区脊柱结核病的关系研究；项目编号：2014-ZJ-761

李钊炜（1971～），男，青海省西宁市人，汉，研究生，主任医师，硕士研究生导师；青研究方向：四肢骨盆创伤及脊柱矫形；Tel:13709743526，E-mail：18697126038@163.com，通讯地址：青海省西宁市同仁路29号；邮编：810001

李 明（1977年～），男，江苏省南京市人，汉，硕士研究生在读，住院医生，研究方向：研究四肢及骨盆创伤。