膝关节骨性关节炎动物模型研究进展*

张君涛,吴超超 综述,张栋林△,张 超 审校

(1.天津中医药大学第一附属医院骨伤科，天津 300380；2.天津中医药大学研究生院，天津 300193)

膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis,KOA)又被称为膝关节退行性骨关节病，临床表现为关节软骨变性、破坏及骨质增生，关节变形及关节周围组织功能减退等，是临床常见危害老年人健康的骨关节疾病，给社会增加沉重的负担。但其发病机制仍不明确，临床上也没有特异性的治疗措施，只能缓解症状，所以建立骨性关节炎动物模型来探索其发病机制和防治手段成为科研热点。KOA动物模型从造模方式上可分为手术方式、非手术方式、自发模型3类，本文就这3类KOA动物模型的研究近况做一综述。

1 手术方法

1.1关节内手术

1.1.1Hulth法 Hulth法是KOA手术造模的经典方法。苏达明等[1]采用Hulth法，切断膝关节内侧副韧带和前后交叉韧带，并整体切除内侧半月板，造模后6 周行X线检查证明成功建立兔KOA模型。肖春苟等[2]切除兔膝关节内侧半月板和切断内侧副韧带，术后1周强迫活动，4周成功复制兔KOA模型。

1.1.2前交叉韧带切断法 此法较Hulth法对动物创伤和生理结构改变小，能较全面反映 KOA 软骨退变的病理进程,是近年建立 KOA 动物模型采用较多的方法[3]。王君等[4]采用前交叉韧带切断(ACLT)法造模，造模3 d后，将实验兔术肢对侧肢体固定于腹部增加术肢负重，联合强制运动，4 周即可造模成功,此模型符合 KOA 临床特征，且造模时间较单纯ACLT模型时间短。

1.1.3半月板切除法 半月板具有稳定膝关节，缓冲压力负荷，减少关节摩擦等作用，缺失可造成膝关节磨损，诱发KOA样改变。BAGI等[5]采用切除大鼠膝关节内侧半月板的方法，10 周后影像学检查发现局部软骨受损和骨赘形成等KOA样改变，成功建立大鼠KOA模型。陈康等[6]应用兔单后肢双侧半月板切除联合前交叉韧带横断法，术后第2、6、10 周后大体观察和术肢标本病理改变都符合典型的KOA特征。

1.1.4软骨缺损法 软骨缺损法造模可较好地观察膝关节骨关节炎发展及修复进程。但研究者发现，软骨缺损直径小于3 mm，缺损深度未至软骨下骨，制模术后6周，缺损的软骨可获得局部或完全修复，这样，在造模研究中，材料的诱导作用有与膝关节软骨缺损的修复，之间的相关性就难以得到证明[7]。赵森泉等[8]为探讨何种运动强度以促进膝关节软骨全层缺损的修复采用在大鼠股骨面作一直径3.2 mm的全层软骨缺损方式造模，造模1周后选择低、中、高3种运动干预，连续8周后，血清基质金属蛋白酶3、基质金属蛋白酶抑制剂浓度及番红染色结果显示，中等强度的运动干预更加有助于提高软骨细胞增殖，促进软骨缺损部位的修复，增加修复效果。

1.2关节外诱导

1.2.1改变关节应力 膝关节内的正常应力环境对关节软骨保持正常生理特性有重要的意义，关节内应力增加或减小均可成功诱导建立KOA动物模型。杨松滨等[9]采用手术切断内侧副韧带并切除部分髌韧带的方法造模，造模4、8周时模型组动物血清中白细胞介素(IL)-1β、肿瘤坏死因子α(TNF-α)、基质金属蛋白酶(MMP)-13水平均升高,较对照组有显著差异，表明切断内侧副韧带并切除部分髌韧带的方法可获得较为理想的兔膝骨关节炎模型。余存泰等[10]在兔膝关节间隙上下各钻入1根克氏针,一组撑开克氏针两端建立关节低压应力动物模型，另一组拉紧克氏针两端建立关节高应力动物模型，术后管型石膏伸直位固定术肢，发现低压应力模型首先出现软骨细胞功能减退,软骨细胞代偿性增生,然后基质破坏,最终诱发软骨整体退变；高压应力模型退变首先表现为软骨基质破坏，同时软骨细胞代偿性增生，然后软骨细胞退变，最终导致整个关节软骨退变。

1.2.2破坏关节血液循环 膝关节血液循环改变是膝关节退变的影响要素之一。吴并生等[11]采用手术分离并结扎兔单侧股静脉的方法,造成股骨内高压状态，术后强迫活动，12周建立了符合早期KOA病理改变的动物模型。戴七一等[12]采用手术结扎并切断兔单侧臀下静脉、股静脉、大隐静脉的方式，造成股骨内高压诱发膝关节退变，在造模术后 8 周获得早中期兔KOA模型。

1.2.3卵巢切除 切除雌性实验动物卵巢致雌性激素缺乏可成功诱发KOA动物模型[13]。因此，王文胜等[14]采用卵巢切除联合跑步建立大鼠膝KOA模型，造模4周时模型+上坡跑步组Mankin评分已达损伤标准，而模型+下坡组Mankin评分达损伤标准时间为造模6周，动态观察表明卵巢切除联合上坡疲劳跑台训练较单纯卵巢切除法更早出现原发性KOA软骨损伤，造模效率更高。

2 非手术方法

2.1关节制动 膝关节长期制动可导致骨骼肌萎缩、韧带结构紊乱、半月板血供不足、关节内压力改变等变化，最终可出现与临床近似的膝关节退行性改变。钱洁等[15]通过用石膏伸直位固定大鼠从踝到髋关节，制动后3周即有膝软骨表层细胞凋亡、蛋白多糖和Ⅱ型胶原减少等早期退变特征，实验6周为中期KOA样改变，实验8周为晚期KOA样改变。

2.2寒冷刺激 寒冷刺激法造模时间较短，且操作简单，造模效率高，是研究KOA的发病机制的理想实验动物模型，林强等[16]采用寒冷刺激联合石膏固定的方法，将大鼠肢体于(4.0±0.8)℃水中处理4 h，然后在石膏伸直位固定4 h，连续6周后血清和滑膜组织中炎性细胞因子水平及关节软骨中ADAMTs-4、ADAMTs-5蛋白表达测定有统计学意义，成功建立大鼠KOA模型。

2.3关节撞击 MROSEK等[17]认为快速的高强度撞击刺激能够穿透关节软骨作用于软骨下骨，因而诱发KOA样改变，他们采用“落塔”微重力装置撞击成熟犬髌骨关节,6个月后组织学检查发现，刺激区软骨基质符合早期KOA病理改变。

2.4关节腔注射药物

2.4.1尿激酶型纤溶酶原激活物 石辉等[18]将尿激酶型纤溶酶原激活物注入兔膝关节腔，造成膝关节软骨退变,且退变程度随着时间增加逐渐加重，12周后可造模成功，此模型可为研究KOA的病因、病理改变、发病机理及探寻治疗手段提供良好的实验工具。

2.4.2木瓜蛋白酶 汪宗保等[19]将木瓜蛋白酶和L-半胱氨酸混合注射大鼠膝关节腔诱导建立大鼠KOA模型，通过环境扫描电镜发现注射4～6周可建立大鼠早期KOA模型，同时证明采用扫描电镜能压缩标本观测时间，比大体观察更早发现骨性关节炎的变化。

2.4.3胶原蛋白酶 黄永明等[20]将Ⅱ型胶原蛋白酶注入SD大鼠膝关节腔内，7 d后镜下观察发现，关节组织有早期KOA样改变，成功建立大鼠早期KOA模型，同时发现大鼠体质量、膝关节直径、组织病理、胸腺及脾脏重量和脏器系数等指标可为药物治疗KOA疗效和安全性评价、作用机制等方面的研究提供参考。

2.4.4碘乙酸盐 许世兵等[21]将碘乙酸盐注射到SD大鼠膝关节腔内，2周后影像学和组织病理观察发现，膝关节股骨下端和胫骨平台关节面失平整，关节变形和关节软骨缺损，软骨细胞排列紊乱，股骨和胫骨端骨小梁面积显著减少，骨髓腔细胞增生等现象，成功建立大鼠KOA模型。另外，此研究采用活体成像技术可快速获取影像资料、动态跟踪观察，避免实验过程中动物损耗，实现同一个动物模型的动态观察。

其他物质如透明质酸酶、聚乙烯亚胺、雌二醇、肾上腺皮质激素、菲律宾菌素、软骨碎片或者异物等注入动物膝关节腔内也可致膝关节软骨退变，建立KOA动物模型[22]。

3 自发动物模型

3.1自发动物模型优点 自发KOA动物模型可避免其他方式造模操作误差等带来的影响,是研究KOA发病机制、膝关节关节软骨生化改变及KOA防治效果比较等方面的理想模型。

3.2自然自发模型 研究者发现C57黑鼠可天然自发形成骨关节炎[23]，在C57黑鼠自发的基础上增加运动以增加关节负荷，C57 黑鼠KOA自发率显著增加[24]。MURAOKA 等[25]研究发现12个月龄的雄性 Hartley 豚鼠膝关节，可观察到表层软骨细胞丢失，糖胺聚糖异常分布，胶原溶解、断裂和排列紊乱等退变特征，与人类KOA病理改变相似。但自然自发模型造模时间较长，限制了其在研究中的应用。

3.3转基因模型 随着转基因技术的发展和应用，使转基因KOA动物模型成为可能。通过基因工程技术敲除调控软骨细胞凋亡的相关基因可使软骨细胞过度凋亡，模拟KOA的病理过程[26]。RODRIGUEZ等[27]研究发现敲除小鼠Col11a1基因，可导致Ⅺ型胶原不能合成正常的胶原纤维，使小鼠表现出KOA样的病理特征。HYTTINEN等[28]研究发现Col2a1等位基因与软骨内骨形成有相关性，失活其等位基因可导致软骨形成障碍，导致关节软骨软化。于斐等[29]采用敲除15个月龄小鼠沉默信息调节因子1(SIRT1)的基础上腹腔注射Tamoxifen并切断单侧膝关节前交叉韧带和切除内侧半月板诱导建立膝关节骨关节炎模型，此KOA模型膝关节的退变与老年人KOA的发生过程相似。转基因KOA动物模型，由于造模成本高，与人类KOA的发病机制是否一致等问题，使得该类模型在KOA发病机制、防治等方面的研究较少采用。

4 展 望

建立动物模型来探讨KOA发病机理和寻求安全有效的治疗手段成为研究KOA的重要方法。造模方法很多，但每种方法都有其优缺点，手术途径制作的模型，操作较复杂，创伤较大，但诱导成功率高，稳定性好；关节内注造模，造模时间短，受其他因素干预少，主要适用于软骨病变及药物防治的研究，但注射模型诱发的软骨基质分解代谢强烈，病程及组织病理学变化与关节不稳所导致KOA差异较大。自发模型和转基因模型收到外界干扰较少，能够避免造模操作的误差对研究的影响，是研究KOA发病机制等方面理想的模型，但自发造模时间较长的缺点限制了其在研究中的使用。转基因模型因造模成本高，其诱发机制和人类的发病机制的相似性还有待确定，使得转基因模型较少被采用。现阶段的研究还没有发现一种较完美的动物模型，因此研究者需要根据研究的需要，结合各种KOA动物模型的特点，选择适合的动物模型。

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