骨质疏松症动物模型研究进展

张悦 李运峰

口腔疾病研究国家重点实验室，国家口腔疾病临床研究中心，四川大学华西口腔医院正颌与关节外科，四川 成都 610041

机体的骨量多少是由成骨细胞和破骨细胞功能的平衡决定的，成骨细胞形成新骨，破骨细胞造成骨吸收。当成骨细胞活性大于破骨细胞活性时，新骨形成大于骨吸收，骨量增加，反之骨量减少。骨质疏松症形成的机制即破骨细胞活性相对增加，导致形成骨吸收大于骨形成的负平衡状态，从而使机体骨量减少、骨小梁结构破坏，骨组织生物力学性能减低、易于发生骨折。骨质疏松症的发生与饮食、日常活动、体内激素变化、细胞因子以及临床情况如糖尿病和糖皮质激素治疗有关[1]。随着人口老龄化进程的加速，骨质疏松症尤其是绝经后骨质疏松症的发生率逐渐上升，骨质疏松症在医学上和社会性的影响逐渐加深。骨质疏松症有以下几个特点：①潜行性的骨量丧失和生物力学性能下降。②容易发生骨折，好发于椎骨、髋关节、股骨转子间、肱骨近心端以及腕关节。③导致慢性疼痛，丧失自主活动能力，活动性降低。④双能X线吸收测量法(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)是一种精准有效的早期诊断骨质疏松症的方法。⑤目前骨质疏松症治疗药物众多，但是长期效果不理想[2]。颌骨骨质疏松是骨质疏松症的一种局部表现，在骨折和牵张成骨的患者中常常会导致成骨效果不佳，影响颌面外科手术的设计和治疗效果。

本文对不同种类动物作为骨质疏松症模型的优缺点、建立骨质疏松症模型的方法、绝经后骨质疏松症动物模型中对不同部位骨骼的影响以及骨质疏松症的治疗作简要概述。

1 骨质疏松症模型动物的选择

使用动物模型进行实验研究，可以用数量较少的动物得到较精确、稳定和可重复的结果。常用来作为骨质疏松症动物模型的有鼠、兔、犬、猪、羊以及非人类灵长类动物等，各有其特点。

1.1 鼠

1.1.1大鼠：大鼠寿命一般为2～3年，老年期大鼠可作为模拟人临床特征的动物模型。大鼠骨质疏松症模型优点：(1)价格低廉，易于饲养。(2)骨骼代谢情况与人类类似：卵巢切除术后骨转换率高，对雌激素的反应类似，骨量随年龄的增长而降低，松质骨的重建和分布相似[3]。(3)大鼠去势实验条件容易控制，建模因素单一，实验结果可靠，重复性较好。缺点：(1)由于大鼠去卵巢后骨皮质改建不明显，不适用于研究去势后对皮质骨的影响。(2)大鼠骨骼缺少哈佛系统，不能观察到哈氏重建[4]。(3)大鼠体积小，血容量低，生命周期短，不能提供足够的样本行多骨活检和大量血样检测。其药代动力学不同于人的药代动力学。(4)大鼠骨骺闭合时间较长，骨重建周期较短。

1.1.2小鼠：小鼠多用于研究老年性骨质疏松症，SAM-P6(Senescence-accelerated mouse-P6)是一种衰老加速的小鼠，骨丢失随年龄增长而增加，性别间差异无显著性。可证实随年龄增加出现骨脆性骨折[5]。近年对于SAM-P6形态和分子研究表明，松质骨骨量丢失明显，而皮质骨没有明显变化；骨内膜表面和骨小梁间新骨形成减少，而骨髓腔脂肪增多[6]。

1.2 犬

犬的骨松质与骨皮质构成与人类骨骼类似，骨组织结构和骨代谢方面也与人类接近；具备丰富的哈佛氏重建，哈佛氏重建与人类相近，可以更好地模拟人类骨骼代谢过程；而且其体形较大，可满足多次取骨活检的需要，适用于长期多次取样的实验研究。其缺点在于：去势手术对犬的骨量的影响并不明显，甲状旁腺激素的改变和雌激素耗竭对术后骨量亦无显著影响[7-8]。

1.3 兔

兔作为动物模型广泛用于医学实验研究中。兔的寿命一般为5～10年，性成熟期为5～6个月。优点：(1)价格低廉，饲养条件简单。(2)单品种繁育能力强，繁育方便。(3)生命周期较长，体格适中，便于长期的动态观察。(4)哈佛氏重建能力与人类似。(5)更适于骨植入物相关研究。

1.4 其他

Zarrinkalam等[9]研究表明，羊是椎骨骨质疏松症研究的理想模型。经过去势、低钙饮食饲养和激素注射处理后成功建模后，羊椎骨骨密度降低25%以上，骨小梁密度下降33.4%，骨骼机械性能明显降低。由于猪的解剖生理结构、骨骼代谢等与人类相似，被运用于多种疾病的研究。小型猪由于体格相对于普通猪来说较小，便于饲养和取样，它已成为一种具有广阔应用前景的新型实验动物[10]。

非人类灵长类动物比如恒河猴，其组织器官、骨生物力学特性、雌性动物性周期与人类相似[11]，是很有潜力的动物模型。

2 骨质疏松症动物模型的类型

2.1 糖皮质激素相关性骨质疏松症模型

2.1.1糖皮质激素诱导啮齿动物骨质疏松症模型：糖皮质激素相关性骨质疏松症是继发性骨质疏松症最常见的类型。接受糖皮质激素治疗的患者，最开始出现骨密度快速下降是由于骨吸收增强，紧接着骨密度下降速度减缓，这是由于新骨形成减少。该类型骨质疏松症中主要出现松质骨丢失，因此骨折好发于富含松质骨的部位，例如椎骨和股骨颈[12]。糖皮质激素相关性骨质疏松症的研究常选用小鼠、大鼠、兔、犬和羊等作为实验动物模型。

在啮齿动物中，大鼠最常被选用作检测糖皮质激素对于骨骼的影响效果。其中，大鼠的年龄、糖皮质激素的剂量以及持续用药的时间是影响实验结果的关键因素。2～3月龄的雌性SD大鼠持续低剂量[0.5 mg/(kg·d)]口服泼尼松龙6个月后，松质骨和皮质骨均未见明显改变[13]。雄性大鼠连续注射氢化可的松16 d，剂量为32 mg/(kg·d)，可以观察到皮质骨骨量的增加[14]。对成年雌性SD大鼠通过微小渗透泵持续灌注地塞米松(16.25 mg/d)19 d，使松质骨骨量增加[15]。对2月龄雌性Wistar大鼠连续注射甲基强的松[1、3、6、9 mg/(kg·d)]90 d，皮质骨骨量减少，松质骨骨量显著增加，皮质骨和松质骨的新骨形成均有降低[16]。对32周龄雄性Wistar大鼠每周一次注射甲基强的松龙[7 mg/(kg·周)]，最终使皮质骨和松质骨骨量均降低[17]。予雄性SD大鼠口服泼尼松龙1.5、3.0、6.0 mg/(kg·d)，持续90 d，实验结果显示，骨干皮质骨和松质骨均无明显改变，但是干骺端的皮质骨减少，松质骨骨形成和骨吸收均有下降[18]。

2.1.2糖皮质激素诱导大型动物骨质疏松症模型：6～7月龄雌性白兔持续5个月口服泼尼松龙[0.7 mg/(kg·d)]，皮质骨和松质骨骨量均减少[19]。8月龄新西兰大白兔注射甲基泼尼松龙[1 mg/(kg·d)]，可观察到椎骨骨密度和骨量的减少[20]。1.6年龄雄性比格犬持续29周口服泼尼松龙(1.3 mg/kg)，可使椎骨骨密度减少，新骨形成减少，骨吸收未见明显改变[21]。予9年龄羊持续3个月注射甲基强的松龙[0.25 mg/(kg·d)]，松质骨的新骨形成和骨吸收均有减少，但是骨量没有明显改变[22]。

高剂量的糖皮质激素可能会造成骨坏死[23]、免疫抑制等严重后果，甚至可能导致动物死亡[24]。最后，虽然糖皮质激素诱导法相对于去势法来说，动物骨量丢失更加明显，但是当停止使用糖皮质激素后，骨丢失效果会逆转[25]。

大鼠、兔和羊适合作为糖皮质激素相关性骨质疏松症模型的研究。其各自特点如下：大鼠疾病重复性好、价格低廉，但是缺少哈佛氏系统、骨改建周期短、骨骼无法达到完全成熟；兔有完整的哈佛氏系统、骨转化快速、骨骼可完全发育成熟，不足的是兔缺乏松质骨；羊体格较大，可以提供充足血液或骨组织以供取材，但是羊作为骨质疏松症动物模型耗时较长、费用昂贵，限制了其广泛应用。

2.2 绝经后骨质疏松症模型

绝经后卵巢功能下降，体内雌激素分泌减少，从而造成骨吸收增强，导致快速的骨丢失。最常选用的动物是切除卵巢的小鼠、大鼠、羊以及非人类灵长类动物。Jilka等[26]研究表明，切除卵巢后，小鼠随即出现松质骨减少，但是皮质骨没有明显变化，17-β-雌二醇替代雌激素可以阻止骨量丧失。关于大鼠去势后骨质变化的研究更为透彻，切除卵巢后14 d胫骨近心端骨量丢失最明显，30 d时股骨颈骨量丧失最多，60 d时腰椎椎骨骨量丢失达到高峰[27-29]。切除卵巢对于皮质骨的影响如下，骨吸收主要发生于骨内膜，而新骨形成主要发生在骨膜，导致骨髓腔扩大。在切除卵巢后的90～120 d时，可以观察到皮质骨厚度变薄和骨髓腔扩大的现象[30]。已有研究证实，切除羊卵巢后3个月骨吸收达到峰值，4个月时骨形成达到峰值。去势手术6个月后，皮质骨表面空隙、类骨质增多，粗糙度增加，然而松质骨无明显改变[31]。将羊固定进行长期重复性的检测存在技术上的难度。Binkley等[32-33]研究表明，猴切除卵巢后3个月可以观察到快速的骨转化和骨量丧失，相关研究已经应用于许多骨质疏松症新药研究中。

2.3 老年性骨质疏松症模型

老年性骨质疏松症是由于年龄的老化引起的骨质疏松症。SAMP6可作为老年性骨质疏松症模型，它是目前仅有的一种能证明增龄性骨脆性骨折的动物。SAMP6在4月龄时骨量达到峰值，之后骨量逐渐丢失，并且上述变化在雌雄之间无差异，与老年性骨质疏松症患者的病理变化相似[34]。

2.4 失用型骨质疏松症模型

机体长期无负重、制动或长期卧床会导致失用型骨质疏松症的发生，通常见于长期卧床不起患者或失去自主活动能力的老年人。通常使用坐骨神经切除法、脊髓半横断、石膏固定、悬吊法[35]、套筒法等方法建立失用型骨质疏松症模型。在吊尾实验中，小鼠被悬吊尾巴，上肢可以自由活动，获取食物。可以观察到新骨形成减少，骨吸收增加或不变[36]。也有实验结果表明[37]，小鼠悬吊两周后，新骨形成不显著，骨丧失明显增多。制动法也可以达到降低新骨形成，增加骨吸收的效果[38]。此外，年龄也是一个重要的因素，实验证实，处于生长期的啮齿动物对于失重法更为敏感[39]。已有研究证实，糖皮质激素在失用型骨质疏松症模型中没有明显作用[40]，因为失重法和对照组大鼠血浆皮质类固醇含量没有明显差别，肾上腺切除法也不能阻止失用型骨质疏松症骨量的丧失。失用法建造骨质疏松症模型对长骨的影响明显，但是对牙槽骨影响不明显，可以通过拔牙的方法模拟失用型牙槽骨疏松。

3 雌激素减少致骨质疏松症动物模型对不同部位影响的差别

Liu等[41]研究指出，腰椎和髂骨去势手术后骨丢失量相似(去势手术后36周时，骨密度降低51.6%)，胫骨(75%)、股骨(70.4%)骨丢失量最多，脊柱骨丧失36.6%。去势术后，长骨、腰椎和髂骨的骨小梁破坏明显，颌骨的骨丧失相对稳定(上、下颌骨BMD分别减少2.5%、3.7%)。Francisco等[42]研究表明，去势手术后胫骨近心端骨质骨量变化最快且最明显，24周龄大鼠骨质疏松症模型建立最快[42]。Francisco等[42]研究结果显示，胫骨近心端骨小梁反而比对照组增厚。此研究对于骨质疏松动物模型实验中检测部位的选取具有重要的参考价值。

在雌激素减少致骨质疏松症动物模型中，之所以对不同部位骨骼影响不同，可能原因有：椎骨和长骨的组成、机械负荷不同，可能影响骨转化和骨量[43-45]；胫骨近心端骨小梁增厚可能是一种补偿机制，即通过增厚剩余骨小梁厚度来弥补变薄的骨小梁，以继续承担日常负荷[46-48]。

Kishi等[49]研究表明，不同部位骨骼对骨质疏松症相关药物治疗的反应也不同。干骺端对PTH治疗最为敏感，腰椎和骨干其次，颅骨和尾椎则改善很小。这对于研究骨质疏松症治疗相关药物实验中取材部位的选取具有重要的意义。

4 结论

通过建立动物模型以研究人类骨质疏松症的病因以及治疗和预防措施是必不可少的方法，可以避免对人体造成的危害以及伦理学的限制，鼠、兔、犬、猪、羊以及非人类灵长类动物常被选用。每种种属作为模型动物各有其优缺点，总的来说，小型动物容易饲养，价格低廉，方便检测，但是由于解剖和生理结构与人类相差较大，其应用受到一定限制；大型动物与人类更为相似，是很有潜力的骨质疏松症动物模型。人类绝经后骨质疏松症是最常见的一种类型，其动物模型常通过切除卵巢来建立，主要导致松质骨骨量减少。通过糖皮质激素诱导建立骨质疏松症动物模型，主要引起皮质骨骨量的减少，同时又与实验动物的年龄、糖皮质激素的剂量以及用药持续时间密切相关。总之，实验时应根据研究目的和实验条件等因素综合考虑，选择最合适的动物模型，才能保证实验结果的可靠性和准确性。