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1、.关节内注射药物建立骨性关节炎动物模型研究进展发表者：马玉峰527人已访问骨性关节炎（Osteoarthritis，OA）是临床常见病，病程呈迁延性、反复性，其治疗上目前尚缺乏特异性措施。探索骨性关节炎的动物模型的建立方法，是研究其病理机制及防治方法的重要课题之一，亦是现代骨科学领域研究的热点问题之一。目前人们已从组织形态学、病理学、分子生物学及生物力学等方面进行不同角度、不同靶点对其研究，为此建立了不同种类的骨性关节炎的动物模型，包括机械制动、手术诱发（半月板切除、交叉韧带切断、关节划痕、切断部分臀大肌等）、自发性模型（豚鼠、C57黑鼠）、转基因动物模型以及关节内药物注射等病理模型。其中，关
2、节内注射药物建立骨性关节炎模型因其造模时间段、造模比较稳定、受其它因素干预少等优点，一直作为建立膝OA的经典方法，近年来许多学者对其开展了大量研究，取得了引人瞩目的成就，现将对其研究情况综述如下。1.实验动物的选择选择相关动物作为模型研究，应遵循Kenneth P H Pritzker1提出的三原则：相关性、适当性、实用性。相关性是指所选动物能够模拟人类发病过程中的病理现象，在这些模型中，动物的特点以及类似人类疾病的特征可以较好地提供模型。适当性首先是应用动物而非简单地在寻找问题过程中调查研究；其次是根据实验目的和要求选择更适合的动物品种。实用性是指根据动物来源是否充分、动物是否易于控制、维护
3、条件以及费用等选择动物品种。理论上讲，哺乳动物与人类的关节解剖结构、生物力学相似，而且下肢负重载荷较多，不论是自然环境还是人工环境，所有的哺乳动物都有可能患上退行性骨关节病2。所以目前科研工作者主要是以哺乳动物制备动物模型开展研究工作。特别是啮齿目动物，如小鼠、大鼠、豚鼠等。还有家畜类：羊、狗等；灵长类：恒河猴等。1.1小鼠：由于体积小，操作方便，饲养管理方便，生产繁殖快，研究较深入，国内外已有严格的质量控制标准，已拥有大量的近交系、突变系和封闭群，近几十年来一直作为生物医学动物模型的主要动物品种。考虑到骨性关节炎发病机制与关节生物力学因素有关，与人类关节相比，小鼠体积较小，应用小鼠的关节制备
4、骨性关节炎动物模型产生了以下疑问：关节软骨异常薄，缺乏可视化影像学检查、超显微结构研究；而且手术干预空间较小，可取的组织材料有限；术后功能评估、训练方法、外固定等较难实现;更重要的是关节软骨中不含硫酸角质素。这就造成了小鼠在科研制备模型中难以广泛应用。应用小鼠采用关节内注射药物的方法制备骨性关节炎模型文献记载不多。Daans et al3利用Gdf5 Bp-J/+小鼠观察基因GDF5致OA的敏感性。他们利用以下四种模型评价了OA的病理进程：（1）关节内注射胶原酶；（2）关节内注射木瓜蛋白酶；（3）半月板不稳；（4）运动过度。通过观察骨及软骨下骨参数、软骨代谢情况、步态和胶原蛋白特征。结果发现在
5、胶原酶组模型中，与野生型相比，Gdf5 Bp-J/+小鼠的对侧膝关节更易发生OA。近年来，目前小鼠基因及可标记基因已经得到很好的注释、翻译，故可用于骨关节炎的基因表达、基因转染、基因敲除等基础研究。1.2大鼠：和小鼠同属啮齿目、鼠科，与小鼠具有相似的优、缺点。而大鼠体积较小鼠大，生存能力强，抗感染强，能耐受关节手术，有利于广泛应用于OA疼痛反应、评估治疗等方面研究。如大鼠有较厚的关节软骨可制备部分或全部关节软骨缺损模型。在大鼠关节内注射药物，文献记载较多。关节内注射碘醋酸盐常用于观察大鼠模型的疼痛反应，评估组织胺H3受体4、内源性大麻素水解抑制剂5、蛋白酶水解酶6等的作用机制。Salo等7采用
6、关节内注射免疫毒素的方法使2月龄大鼠膝关节失去传入神经支配，结果显示随着年龄的增长，大鼠出现OA症状；失去传入神经支配的大鼠与对照组相比有显著性差异（P =0.0016，n=16）。作者推断随着年龄的增长，大鼠的神经元将会减少，这是引起自发性关节炎的进程的重要因素。1.3豚鼠：豚鼠的骨生长在4月龄停止，骨骺闭合在几个月之后。豚鼠有膝内翻畸形，胫骨内侧间室负荷增大，容易发作内侧间室的OA。与大鼠、小鼠相比，科研工作者应用豚鼠研究OA较少，主要通过化学药物、关节手术和自发性OA来制备OA模型，如OA生物标记物的测定。然而，应用豚鼠作为OA动物模型主要有两个优点8、9：一是关节组织病理学与人类极其相
7、似；二是自发性OA动物模型是有效的。1.4兔：兔体型适中，性情温和，四肢爬行，和人类下肢行走不同，但兔的关节组织结构与人类接近，是科研工作者常用的OA模型。然而，兔的髌骨较小，屈膝活动度较大，步态不同于人类和其他动物，因此，膝关节的生物力学、组织结构亦与此不同。与人类相比，兔的半月板有较多的细胞结构和较少的血管供应；关节面的关节软骨缺少胶原蛋白覆盖。最主要的问题在于兔长到8月龄时，股骨远端、胫骨近端经常出现关节的退行性变。尽管如此，兔OA模型广泛应用于评价药物治疗、防治方法等，避免了人类接受临床实验的弊端。关节内手术诱发、关节内注射药物的研究文献更是枚不胜举。1.5大型动物：羊、狗、猪、马等。
8、这些动物体型较大，饲养管理不便，价格昂贵，一般不受研究者重视，并不是常用的OA模型。但这些动物下肢负重多，和人类的OA发病机制相似，与小型动物相比，更适应于软骨的力学研究及细胞生物学研究。Murphy等10通过关节内注射自体骨髓间充质干细胞治疗由前交叉韧带切断及内侧半月板切除诱导的羊OA模型，治疗9周后，其关节表面光滑程度、组织病理情况均优于对照组。1.6灵长类：如恒河猴。在进化史中，与其他动物相比，非人类灵长类动物与人类在解剖、生理、病理方面最为相近。恒河猴等灵长类动物身体保持直立状态，骨骼的生物力学特性与人类极为相似。实验证实，恒河猴从 5 岁开始出现骨性关节炎，15 年后可发展为临床骨性
9、关节炎，这种关节炎在结构、化学、生物力学上均与人类极为相似1。但由于价格昂贵，属于国家二级保护动物，较难进行OA动物模型实验。2.注射药物的选择2.1木瓜蛋白酶（Papain）：众所周知，木瓜蛋白酶是一种蛋白水解酶,其作用机制11能除去软骨细胞膜上有丝分裂抑制因子，并能使软骨内蛋白多糖降解从而使水结合功能受破坏。木瓜蛋白酶关节内注射可诱导狗、兔、豚鼠等动物髋关节或膝关节骨关节炎，其特点是发病速度快、重复性好、与人类骨关节炎类似12-14。其优点是造模具有成功率高、造模成型时间短、造模方法适合于外用药物治疗等15。早在1971年，George Bentley16将4%的papain生理盐水溶液0
10、.3ml分别于第1、4、7日注入兔髋关节，通过拍摄X片、组织切片的观察，建立了稳定的退行性关节炎的动物模型。自最后一次注射6小时后，X线片未见股骨头及髋关节异常；股骨头软骨较对侧变软，光镜下观察软骨浅层有轻度的纤维变形、划痕，异染物质减少，细胞核浓缩。24小时后肉眼下即可观察到股骨头软骨表面轻度的纤维变形；光镜下，在-层可见软骨细胞基质染色变白，细胞坏死；伴有滑膜炎性细胞侵润、增多。1周后肉眼可见广泛的股骨头软骨表面原纤维变形，髋臼亦有轻度改变；光镜下软骨基质变少，髋臼亦可见广泛的原纤维形成，细胞坏死扩散到第层。6周后X线片可见明显的关节间隙变窄，并可见股骨头及髋臼软骨剥脱、糜烂，软骨下骨硬化
11、，对侧也出现了相同的病理改变。这均符合OA的病理进程，被认为是经典的关节内注射药物制备OA的动物模型。国内学者韩冠英17将不同浓度的papain（2%、5%、10%）分别在1、3、5d注射入右膝关节腔内，首次注射后第2、4、6周分批处死动物，行关节软骨、滑膜的大体及组织病理学观察评分。实验结果证实关节软骨破坏、滑膜增生等退行性改变程度随浓度增高而增高，随时间延长而发展。该作者认为关节内注射不同浓度的papain完全可以制备不同程度的骨关节炎模型，周期相对较短，可重复且成功率高。2.2胶原酶（Collagenase）：胶原酶是一种金属蛋白酶，能够分解细胞间基质的胶原蛋白。Kikuchi等18将不
12、同剂量的胶原酶（0.5、1.0、2.0mg）注射入成年兔膝关节腔内，6 周后组织学观察发现关节软骨和滑膜的变性程度与胶原酶的剂量呈正相关，股骨髁和胫骨平台外侧的关节软骨退变程度大于内侧。随时间推移软骨退变逐渐进展, 滑膜变性则有逐渐缓解趋势。该实验证实, 关节腔内注射胶原酶可在较短时间内诱导关节组织的炎症反应, 促进软骨进行性退变, 且所需胶原酶剂量比木瓜蛋白酶用量要低, 不失为一种方便简捷的造模方法。2.3雌二醇(Estradiol)：在实验研究中发现雌二醇可导致关节软骨受损，在家兔和狗的关节软骨细胞内存在17-雌二醇受体,这些提示雌激素与OA发生有密切关系。在临床中发现，膝骨关节炎好发于雌
13、激素过多的绝经后肥胖妇女，这也提示了雌激素与OA有密切关系。中国台湾学者Tsai等19将不同剂量的雌二醇(0.3、0.6 mg/kg/d)注入卵巢摘除后的兔膝关节腔内，9周后光镜发现高剂量组兔股骨髁表面关节软骨变薄,软骨面龟裂、纤维化；12周后关节软骨侵蚀破坏扩展到钙化层,软骨下骨暴露，电镜扫描进一步发现:软骨细胞核深度凹陷、变形，腔隙陷窝甚至出现囊泡。而低剂量组没有这些病理表现。这说明关节炎病变程度与雌二醇的剂量相关。2.4聚乙烯亚胺(Polyethyleneimine,)：研究发现，软骨组织中的蛋白聚糖含量随OA病变加重和年龄增加而减少。蛋白聚糖的新陈代谢对OA的发生发展起关键作用。因此,
14、Sakano等20将阳离子PEI（分子量2000或70000）注射到鼠膝关节腔内,用以阻挡膝关节软骨阴离子区域,分别在2、4、6月后观察发现,膝关节明显跛行、肿胀，蛋白多糖退变和功能减退,且逐渐加重,晚期发展成为典型的OA模型。但IL-1含量处于正常水准。这种OA模型病变程度与聚乙烯亚胺分子量呈正相关。2.5尿激酶型纤溶酶原激活物(Urinary plasminogen activator ,uPA)：uPA是一种丝氨酸蛋白水解酶，广泛存在于人和动物体内。uPA可以通过多种途径来调节滑膜炎症和软骨破坏；并且直接引起炎症细胞分化增殖、迁移和粘附21。石辉22等分别将0.4ug/0.2ml uPA
15、和生理盐水注射入兔右膝关节腔内，在4、8、12周后分批行滑膜、软骨组织观察及电镜观察；实验结果显示实验组的Mankins评分与对照组相比有显著性差异，而且光镜及电镜下观察实验组软骨、滑膜呈明显退行性变。作者认为，关节内注射uPA12周即可制备OA模型，可作为研究OA病理改变、发病机理及治疗方法的实验工具。2.6碘乙酸盐（Iodoacetate，IA）：在大鼠模型中，关节内注射IA用于诱导OA模型。Pomonis JD23分别将不同剂量（0.3、1、3mg）的IA和papain（0.5、1、2、3%）分别注射入大鼠左膝关节腔内，通过观察影像学表现，应用后肢负重情况评估疼痛行为;结果发现注射IA组
16、显示的退行性骨关节炎的表现：骨矿物质密度、含量降低；关节软骨坏死变形、骨赘形成；而注射papain未发现类似表现。这些病理变化与疼痛反应与IA的时间和剂量呈依赖性改变。作者认为关节退变是渐进性的，其程度与碘乙酸盐的剂量相关；并总结此种造模方法是研究OA疼痛、检测治疗方法的经典模型。另外，菲律宾菌素(Filipin)、单体碘乙酸、肾上腺皮质激素、透明质酸酶、乙烯亚胺多聚物、软骨碎片或微粒、异物等注入动物膝关节内也可导致关节软骨的退行性改变24、25、26。3.检测指标的应用3.1影像学评估3.1.1X线（X-ray）：早在1971年George Bentley16应用常规X线机在最末一次关节内注射papain6小时、24小时、1周、6周、4月、8月后拍摄双髋正位X片，发现注射papain6周后退行性关节炎的表现最明显：关节间隙变窄，关节面硬化；4月后关节间隙更狭窄，关节半脱位，
