颞下颌关节骨关节炎的实验动物建模研究进展*

王悦 高文莫 耿威

颞下颌关节为颌面部唯一的双侧联动关节，在咀嚼、吞咽、语言、下颌运动中均发挥着重要作用。人群中颞下颌关节紊乱病（temporomandibular disorders,TMD）发病率可达到5%-12%［1］，其中颞下颌关节骨关节炎（temporomandibular joint osteoarthritis，TMJOA）是最常见且进展最为严重的阶段。TMJOA，也称为颞下颌关节退行性变，是由于关节表面的宿主适应能力下降和/或关节的功能过载超过正常适应能力而导致的功能性重塑，是一种低炎性关节炎疾病，主要临床表现为关节弹响、疼痛，下颌运动受限，及影像学可见的关节变形［2］；其主要特征为关节软骨磨损变薄，软骨下骨硬化及骨赘形成［3］，常见治疗方法包括保守无创的物理疗法、咬合夹板疗法、药物及手术治疗［4］，但其早期诊断以及精准治疗尚未解决。

动物模型可以帮助研究者更深入了解颞下颌关节骨关节炎的发病机制及相关信号通路的改变，进而探索早期诊断生物标志物及治疗靶点药物。但由于建模方法多样，研究者在选择时常常会陷入困惑。目前主要的动物建模方法包括以下几种：1）外科模型；2）化学诱导模型；3）咬合改变模型；4）基因改变模型［5,6］。本文将回顾近年来相关动物研究进展，并探讨不同建模方法的优缺点及适用范围，为帮助研究者选择合适的建模方法提供参考。

1.实验动物的选择

不同种类动物的颞下颌关节解剖结构及下颌运动方式与食性息息相关。因此在选择实验动物时，应首先选择食性与人类接近的动物，杂食性动物常被作为实验动物。

恒河猴作为与人类最接近的杂食性动物，除关节后窝有明显隆起外［7］，其颞下颌关节的解剖形态与结构与人类接近，是理想的动物模型，但由于来源以及费用等原因，目前使用恒河猴建模的TMJOA 相关研究数量有限［8,9］；小型猪髁突、关节盘及关节周围肌肉韧带附着与人类一致，关节可进行旋转和平移运动，但由于其关节后区无关节后壁［10］，髁突后退幅度较大。小型猪的咀嚼模式与人类相近，是模拟人类颞下颌关节形态和功能最好的非灵长类动物模型［11,12］；鼠类是最常用的杂食性实验动物［13-16］，尽管其颞下颌关节解剖结构与人类存在差异，如关节窝较浅且平坦、无关节隆起［17］、髁突前后径大于内外径［18］，主要进行前伸运动［19］。但鼠类在咀嚼时关节盘受到微弱的压缩力，与人类颞下颌关节特征相似。由于鼠类性价比高，在进行重复性研究时具有较大优势。

肉食性和草食性动物有时也会用于颞下颌关节相关研究。比格犬是最常用的肉食性动物［20,21］，其关节间隙较小，较少进行滑动运动［20］。其关节运动模式相对于杂食性动物较为单一，与人类存在一定差异，不能较好地模拟颞下颌关节的应力；目前已用于TMJ 相关研究的草食性动物有羊、兔［22,23］等。兔子颞下颌关节无关节后壁，关节后部无骨骼保护，仅被一薄层肌肉及滑膜组织覆盖。与人类关节盘由致密排列的胶原纤维组成不同，兔子关节盘含有分化良好的软骨组织［24］。草食性动物关节运动有限，主要进行平移运动，关节盘糖胺聚糖含量更高，压缩特性更强［25］，与人类存在一定差异。综上，由于实验成本低，易于操作等众多优点，目前大多数学者选用鼠类作为实验动物。

2.外科模型

外科手术前移关节盘、切除部分关节盘或造成关节盘穿孔可以迅速诱导TMJOA。早前有学者通过手术打开关节囊改变关节盘前后附着来前移关节盘，但使用该种方法前移关节盘的程度无法量化，建模的一致性无法得到有效评价，因此现有研究多通过缝线或弹簧前拉关节盘，以进一步提升建模的一致性［26］，研究发现髁突软骨退行性变的严重程度与关节盘前移量及拉伸力呈相关关系，退行性变主要发生于关节后区，这可能与关节盘前移后关节后区承受应力较高有关；Liu X 等通过切除小鼠关节盘的方法构建TMJOA 模型,发现TLR4可以通过介导炎症介质的表达促进软骨及软骨下骨损伤［27］；Embree MC 等首次在兔子体内建立了关节盘穿孔模型并观察到了软骨的退行性改变及关节盘异位骨化［23］。外科手术建模快速，很好地模拟了临床患者关节损伤的晚期症状，但破坏了TMJ 结构的完整性，与临床情况往往不一致，且不同手术方法会引起颞下颌关节腔内生物力学环境的不同变化［28］，导致不同的炎症状态。

3.化学诱导模型

向关节腔内注射药物可以通过引起关节内炎症、细胞毒性或关节软骨基质损伤而引发颞下颌关节骨关节炎，常被用于TMJOA 病理分子机制的研究。常用的药物主要是完全弗氏佐剂（complete Freund′s adjuvant，CFA)、醋碘酸钠（monosodium iodine acetate，MIA)、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）、Ⅱ型胶原酶等。CFA 由灭活干燥的分枝杆菌组成，向大鼠关节上腔内注射CFA 会引起关节囊内组织长达6 周的急性炎症反应，且反应程度与注射剂量成相关性，关节盘呈现增厚、不透明、变形等退行性改变［29］，出现滑膜炎症，并且会引起中枢及外周神经系统中P 物质的表达，造成明显的急性疼痛［30］。MIA 为一种代谢毒物，注射0.5 mg 及更高剂量的MIA 可在4 周内造成软骨基质蛋白多糖缺失，软骨细胞死亡，髁突的破坏呈典型的时间及剂量依赖性［31,32］。

髁突软骨主要由软骨细胞及细胞外基质构成，任何引起其结构改变的因素均可能造成TMJOA。外源性注射VEGF 可以通过促进新生血管形成影响软骨细胞增殖、代谢及凋亡，导致基质金属蛋白酶及其他降解软骨基质的因子释放，造成软骨厚度降低，软骨细胞不规则排列，无细胞区域增多以及破骨细胞数量增加,从而诱发TMJOA［33］；胶原酶作为一种主要的分解代谢酶可以损伤细胞外基质中的胶原，进而破坏关节稳定性［34］。

化学药物注射建模简单易行，可重复性好，主要用于研究骨关节炎疼痛的分子机制和筛选临床前治疗［28］，且可以通过注射药物的剂量调控颞下颌关节的炎症程度，故更为量化。

4.咬合改变模型

当机体处于咬合状态时颞下颌关节承受机械应力［35］，牙齿重度磨耗、错颌畸形、不良正畸及咬合重建治疗等因素会使下颌位置发生改变，导致下颌在行使咀嚼、发音等正常生理功能时对颞下颌关节产生不良应力，从而引发TMJ 的病理性改变，甚至引发颞下颌关节骨关节炎。因此通过改变咬合改变TMJ 机械负荷进而诱导TMJOA 也是经常使用的一种方法，目前普遍应用的动物模型分为以下几种：（1）咬合升高模型；（2）咬合丧失模型；（3）咬合干扰模型［36］。

4.1 咬合升高模型 由于啮齿类动物前后牙具有不同的生长特点，因此研究者常在实验动物前后牙佩戴不同的咬合装置。啮齿类动物前牙具有不断生长的特点，在前牙放置咬合升高装置易于观察装置是否脱落，操作更为简便，但难以精准控制升高的程度，无法精准量化研究。有学者使用针头制作金属管，将其粘接于大鼠上下颌前牙，观察到软骨细胞层发生了增厚及细胞数量增加等增殖性变化［37］。

在后牙设置咬合装置可以控制垂直距离升高的程度，但较难在实验过程中进行实时观察。目前有多种升高后牙咬合垂直距离的方法，包括在大鼠上颌后牙堆加不同高度树脂、设置金属球作为咬合止点、使用金属冠增加后牙垂直距离等，上述研究观察到髁突软骨发生不同的病理反应［15,38］，当咬合升高的程度较低时，髁突软骨炎症因子水平发生改变，但软骨细胞厚度并未降低；而升高程度高时，软骨则会进行适应性改建，呈现增殖性变化，并发现与机械应力相关的Ihh信号通路可能通过介导软骨细胞肥大而引起TMJ OA的发生［39］，证明了颞下颌关节发生的病理改建与髁突所受应力相关。以上研究表明咬合升高会引起髁突软骨的改建，但升高咬合的程度不同可能会造成颞下颌关节不同的病理反应。

4.2 咬合丧失模型 咬合丧失即通过磨牙或者拔牙的方法使牙齿失去咬合接触［36］，当后牙咬合丧失后，颅髁位置随之改变，导致关节面之间接触面积增大，造成更大的剪切应力［40］。为模拟临床上的无牙颌状态，一些学者研究了拔除大鼠单侧及双侧后牙，观察8 周后髁突软骨的改变，发现后牙咬合缺失增加了大鼠髁突软骨中IL-1b、Ⅱ型胶原和VEGF 的表达［40］，从而引发了颞下颌关节的退行性改变。研究发现拔除新西兰白兔口内所有牙后其关节盘中央部及髁突前斜面损害最严重，这可能是由于当关节运动时，髁突前斜面与关节盘中央相接触，二者沿骨性的关节结节后斜面滑动［41］。当咬合支持丧失发生在单侧或双侧时，蛋白表达存在差异，这些差异可能与非咀嚼侧的负荷大于咀嚼侧有关［40］。已有的拔牙建模研究均可以迅速造成咬合丧失从而诱导颞下颌关节退行性变，但临床上实际无牙颌患者的牙列缺失过程为一缓慢渐进的过程，二者之间仍存在差异，因此咬合丧失及垂直距离降低的动物建模方法尚需进一步创新。

4.3 咬合干扰模型 以上方法所形成的咬合改变均为急性的，与临床上患者缓慢发生的咬合改变存在差异。为模拟临床实际情况，有学者通过各种正畸装置引导咬合异常，设计出渐进性咬合紊乱模型。华先明等人利用行使功能时作用力和反作用力分别使上下颌向相反方向移动的原理，构建了大鼠双斜面导板装置（TIPD，Twin Inclined Planed Device），温和性地引导大鼠下颌渐进性后退，发现TIPD 可以引起髁突软骨不同区域产生不同的改建［42］；此外，有学者通过在大鼠上颌左侧第二磨牙和第三磨牙之间以及下颌右侧第二磨牙和第三磨牙之间放置橡皮筋的方法远中移动第三磨牙，构建咬合异常动物模型，观察到髁突软骨产生适应性重塑［43］；另有学者通过在大鼠上颌磨牙上粘接金属丝的方法构建错动物模型，2周时即观察到TMJOA的发展，并发现RAGE信号介导的慢性炎症可能是TMJOA 的机制之一［44］。不同于急性咬合改变模型，渐进性咬合改变引起髁突软骨产生适应性重塑，作用力也更为温和。

5.基因改变模型

与颞下颌关节骨关节炎的创伤性模型不同，转基因动物模型可以揭示影响颞下颌关节退化的分子途径。目前研究发现颞下颌关节骨关节炎的主要病理改变与软骨细胞肥大［47］、凋亡及坏死［48］、软骨血管化［49］，细胞外基质降解［50］以及软骨下骨重塑［51］有关。颞下颌关节软骨由软骨细胞及细胞外基质构成，其中细胞外基质主要由胶原纤维和蛋白聚糖组成，它不仅是软骨弹性和剪切力的保护支架，而且通过基质-细胞相互作用调节软骨细胞的行为［34］。核心蛋白聚糖是一种富含亮氨酸的蛋白多糖，是体内软骨细胞周围基质微观力学和软骨细胞机械传导的关键决定因素［52］，其中双链蛋白聚糖（biglycan,Bgn）和纤调蛋白聚糖（fibromodulin,Fmod）可以调控胶原纤维生成，在软骨细胞外基质中起重要作用［53］；肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor-α，TNF-α）以及XI 型胶原表达改变也会通过影响细胞外基质胶原纤维的表达引起TMJOA［28］。构建以上基因缺陷的动物模型有助于进一步深入研究引起TMJOA 的分子机制及相关的信号通路，从而挖掘与早期TMJOA 相关的靶点分子，但与TMJOA 相关的基因修饰模型可能会影响大鼠的生长发育［54］，TMJOA 也可能是更由于更微妙的机制，如表观遗传学所引发的［55］。

6.展望

动物模型对于研究颞下颌关节骨关节炎的发病机制及治疗具有重要意义。不同种类动物的解剖形态、咀嚼特点、不同的建模方法均可能制约无法制备成功理想的动物模型。在选择实验动物时，通常选择与人类更为相近的杂食性动物作为研究对象，外科手术模型可用于研究TMJOA 的治疗，化学诱导模型适用于研究疼痛相关机制，咬合改变模型主要与发病机制相关，基因改变模型可有效揭示颞下颌关节退行性变的分子途径。不同建模方法均有其优缺点以及适用范围，研究者应根据研究目的选择更加适合的动物模型。

尽管已存在众多颞下颌关节骨关节炎的动物模型，如何探索出稳定、微创、可重复的建模方法，使其更好地模拟临床发病过程仍有待于进一步研究，动物模型也无法取代临床研究。但无论选择何种建模方法，探索TMJOA 早期改变的分子及信号通路，从而进行早期诊断，并研制出相关的靶点药物将是未来研究的方向。动物建模方法也应逐渐精准量化，为临床早期诊断评估及治疗提供理论依据。