动物骨关节炎的实验模型

KRN Pritzker (1994) 将任何疾病的实验动物模型定义为“一组同质的动物，其表现出遗传、自然获得或实验诱导的生物学过程，经科学研究，在一个或多个方面与人类疾病相似”。骨关节炎动物模型可用于研究关节组织结构变化的演变，确定各种风险因素如何启动或促进这些变化，并评估治疗措施。重要的是要记住，骨关节炎并非仅影响关节软骨这一组织，而是影响受累关节的所有组织，包括软骨下骨、滑膜、半月板、韧带、关节周围肌肉以及末梢位于关节囊内外的传入神经。动物模型中的药物研究主要关注其对关节软骨的影响。在实验模型中，无法评估人类骨关节炎的主要症状——关节疼痛。同时，在动物体内建立骨关节病模型时，许多导致骨关节病发展和进展的重要因素并没有被考虑进去（例如，人体的垂直位置、关节周围肌肉的无力等）。

当然，最能体现该疾病的模型是与人类骨关节炎变化最相似的模型。骨关节炎动物模型在研究改善病情的骨关节炎药物（DMOAD）的有效性方面最受关注。尽管这类药物中有许多能够阻止或减缓动物实验诱发或自发性骨关节炎的发展，但在研究其对人类的作用时，所有这些药物均无效。

骨关节炎动物模型

建模机制	动物种类	诱导因素/药剂	来源
自发性骨关节炎	豚鼠	年龄/超重	Bendele AM等人，1989
	小鼠 STR/ORT、STR/INS	遗传易感性	Das-Gupta EP等人，1993年 Dunham J. 等人，1989 Dunham J. 等人，1990
	黑鼠C57	遗传易感性	OkabeT., 1989 StabescyR.等人，1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM 等人，1990
	老鼠	II型胶原蛋白突变	GarofaloS.等人，1991
	老鼠	IX型胶原蛋白突变	NakataK.等人，1993年
	狗	髋关节发育不良	SmaleG.等人，1995
	灵长类动物	遗传易感性	Alexander CJ，1994 Carlson CS 等人，1994 Chateauvert JM 等人，1990
化学诱发的骨关节炎	鸡	优质碘乙酸盐*	卡尔布恩 DA，1987
	兔子	优质木瓜蛋白酶	Marcelon G. 等人，1976 Coulais Y. 等人，1983 Coulais Y. 等人，1984
	豚鼠	优质木瓜蛋白酶	Tanaka H.等人，1992年
	狗	木瓜凝乳蛋白酶v/s	Leipold HR等人，1989
	老鼠	优质木瓜蛋白酶	Van der Kraan PM等人，1989
	老鼠	优质胶原酶	Van der Kraan PM等人，1989
	老鼠	TFR-R v/s	范登伯格 WB. 1995
	兔子	高渗NaCI溶液	VasilevV.等人，1992年
物理（手术）诱发的骨关节炎	狗	前交叉韧带横断术（单侧）	Marshall JL 等人，1971 Brandt KD，1994
	狗	前交叉韧带横断术（双侧）	Marshall KW Chan AD，1996年
	兔子	前交叉韧带横断术	克里斯滕森 SB，1983 年维尼翁E。等人，1991
	羊	半月板切除术	Ghosh P.等人，1993年
	兔子	半月板切除术	FamA.G. 等，1995 Moskowitz RW, Goldberg VM，1987
	豚鼠	半月板切除术	Bendele AM，1987
	豚鼠	肌切除术	ArseverC.L、BoleG.G.，1986 LaytonM.W. 等人，1987 Dedrick DK 等人，1991
	兔子	髌骨挫伤	Oegema TRJ 等人，1993 Mazieres B. 等人，1990
	兔子	固定	Langenskiold A.等人，1979 Videman T.，1982
	狗	固定	Howell DS 等人，1992 Ratcliffe A. 等人，1994 PalmoskiM.，Brandt KD，1981
	狗	去神经支配后切断前交叉韧带	VilenskyJA等人，1994

* 关节内 - 关节内。

目前，物理和化学诱导的骨关节病模型非常流行，但它们反映的是人类继发性骨关节病而非特发性骨关节病的发生发展过程。双足灵长类动物和四足动物的自发性骨关节病模型是替代它们的另一种选择。

一些作者对在动物身上建立骨关节病模型持怀疑态度。因此，根据MEJ Billingham (1998) 的观点，利用模型来研发骨关节病改良药物“……是一场代价高昂的赌博”。

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自发性骨关节炎模型

几乎所有近交系小鼠都会患上不同程度和部位的骨关节病。STR/ORT 和 STR/INS 品系小鼠的骨关节病发病率最高，病程也最严重。STR/ORT 小鼠中，这种疾病更为常见，且雄性小鼠比雌性小鼠病情更严重。关节软骨的原发性损伤发生在胫骨板内侧。人们通常认为，髌骨移位是软骨损伤发生之前发生的，然而，RG Evans 等人（1994 年）、C. Collins 等人（1994 年）发现，该品系所有小鼠在 11 个月时均出现软骨损伤，但并非所有小鼠均出现髌骨移位。同一批作者发现，STR/ORT小鼠的关节软骨变化通常先于受影响膝关节周围的肌腱和韧带细胞发生软骨细胞-成骨细胞化生，这表明这些变化是该模型中骨关节炎发病机制的主要因素。韧带和肌腱的初始钙化可能改变了关节内结构的机械应力，而关节软骨的后续变化则反映了维持正常关节负荷的尝试。与豚鼠和恒河猴模型（其中软骨退变先于软骨下骨变化发生）不同，STR/ORT和STR/INS小鼠的软骨下骨硬化出现较晚。

该骨关节病模型的优势在于动物体型较小，因此所需测试药物的消耗量极小。然而，体型较小也是一个缺点，因为小鼠软骨的生化和病理组织学分析较为困难。

AM Bendele、JE Hulman（1988 年）、AM Bendel 等人（1989 年）和 SCR Meacock 等人（1990 年）致力于研究豚鼠自发性骨关节病的自然病程，引起了人们对这种疾病模型的兴趣。从 13 个月大开始，所有雄性 Dunkin Hurtley 豚鼠都会出现关节软骨退化。雌性豚鼠的类似变化出现得稍晚，且程度较轻。1 岁时，在股骨内侧髁和胫骨板区域可观察到关节软骨完全丧失。Dunkin Hurtley 豚鼠体重增加会加重疾病进程，而体重降至 900 克或以下则会改善骨关节病进程。 8周龄时，该模型中已检测到软骨下骨的变化，即软骨损伤先于软骨损伤。膝关节十字韧带的变化可加速骨骼重塑。

恒河猴和食蟹猴会自发性骨关节病。灵长类动物相较于其他用于构建骨关节病实验模型的动物，其一个非常重要的优势是其双足行走。该疾病多发于中老年人。早期组织学表现包括胫骨内侧板区域软骨下骨增厚，随后关节软骨磨损。之后，外侧板也参与其中。值得注意的是，关节软骨退变仅在软骨下骨厚度达到400微米后才开始发生。恒河猴骨关节病的患病率和严重程度随年龄增长而增加，但这些指标不受性别和体重的影响。迄今为止，尚未使用灵长类骨关节病模型来研究DMOADs的有效性。

物理（手术）诱发的骨关节炎模型

骨关节炎模型是基于手术诱发的膝关节松弛，从而改变膝关节的机械应力，最常用于狗和兔子。最广泛使用的模型是狗的十字韧带横断模型。兔子骨关节炎的手术模型包括十字韧带横断（伴或不伴内侧和侧副韧带切除）、半月板全切除或部分切除以及半月板手术撕裂。豚鼠骨关节炎的手术模型已有描述，包括十字韧带和侧副韧带横断以及半月板部分切除。豚鼠半月板部分切除会导致2周内骨赘形成，6周内关节软骨过度退化。

直到最近，人们对前交叉韧带切断后建立的犬类骨关节炎模型持怀疑态度，因为该模型未出现人类骨关节炎中观察到的软骨溃疡和明显的疾病进展。JL Marshall 和 S. - E. Olsson (1971) 发现，手术 2 年后狗膝关节组织的变化与手术后立即记录的变化几乎相同。作者认为，机械因素（例如关节囊纤维化和骨赘形成）可以稳定术后松弛的膝关节，并防止关节软骨破坏的进一步进展。还有人建议将该模型视为软骨损伤和修复的模型，而不是骨关节炎的模型。然而，KD Brandt 等人 (1991) 对前交叉韧带交叉不稳定的膝关节组织变化动态进行了更长时间的研究，其结果推翻了先前作者的假设。

SA McDevitt 等人 (1973, 1977) 发现在十字韧带切断后的最初几天内关节软骨细胞的蛋白多糖合成增加。在手术诱发膝关节不稳定后 64 周内关节软骨的厚度高于正常值，尽管其生化、代谢和组织学变化与骨关节病的类似。软骨的增厚与蛋白多糖合成增加及其在关节软骨中的高浓度有关。ME Adams 和 KD Brandt (1991) 使用磁共振成像 (MRI) 表明十字韧带切断后软骨的肥大可持续 36 个月，然后软骨进行性丢失，45 个月后大多数关节面都没有软骨。手术 54 个月后对软骨的形态学检查证实了 MRI 结果。因此，MEAdams 和 KDBrandt（1991）证明，手术引起的狗膝关节不稳定可被视为 OA 模型。

上述犬骨关节病模型很好地说明了关节软骨的肥大性修复现象。然而，众所周知，这种现象并非犬独有。关节软骨肥大具有修复性，最早由EGL Bywaters（1937年）在骨关节病患者中描述，后来LC Johnson也进行了描述。在其他骨关节病模型中也发现了这种现象——例如，在兔子部分半月板切除术后（Vignon E. et al., 1983），以及恒河猴，软骨肥大自发发生。

现代对发病机制的描述主要集中在软骨的逐渐“损失”，但作者往往忽略了软骨的增厚和蛋白聚糖合成的增加，而这恰恰与稳定型骨关节病的稳态阶段相对应。在此阶段，软骨修复组织会补偿其损失，并可使关节长期保持功能状态。然而，修复组织通常无法像健康关节软骨那样承受施加于其上的机械负荷，这导致软骨细胞无法维持基质的正常组成，并导致蛋白聚糖合成减少。骨关节病的最终阶段由此形成。

夏科氏关节病的研究促成了一种用于神经源性加速手术诱发的骨关节炎建模方法的开发。夏科氏关节病的特征是严重的关节破坏、关节“老鼠”、关节积液、韧带不稳定以及关节内新骨和软骨组织的形成。夏科氏（神经源性）关节病的发病机制一般是指肢体本体感受器和痛觉感受器向中枢神经系统 (CNS) 传递的感觉信号中断。为了加速犬前交叉韧带横断诱发的骨关节炎进展，在手术前进行神经节切除术或切除支配关节的神经，这会导致术后第一周就出现软骨侵蚀。值得注意的是，新型 DMOAD 双醋瑞因在缓慢进展（神经系统完整）的骨关节炎模型中使用时有效，但在神经源性加速的实验性骨关节炎中无效。

总而言之，需要注意的是，由于该疾病的病因和确切的发病机制尚未明确，因此无法完全评估实验性骨关节病模型与人类骨关节病的同一性。如前所述，使用动物实验性骨关节病模型的主要目的是评估新药（主要是“改善病情”类药物）的有效性。动物治疗结果与人类实验性药物结果的一致性程度也难以确定。NS Doherty 等人（1998）强调了用于模拟骨关节病的不同动物物种在病理发展、各种介质、受体和酶方面存在显著差异，这使得我们能够客观地推断用于动物的新药对人类的治疗活性。例如，非甾体抗炎药 (NSAID) 在啮齿动物炎性关节炎模型中表现出很高的有效性。这导致人们重新评估 NSAIDs 对人类的疗效，因为前列腺素在人类疾病发病机制中并不像在啮齿动物中那样发挥根本性作用，而且 NSAIDs 的临床疗效仅限于症状治疗而不是疾病改善。

同时，在动物模型中研究新药的有效性时低估其疗效，可能会导致失去一些对人类有潜在疗效的治疗药物。例如，金盐、青霉胺、氯喹和柳氮磺吡啶虽然对治疗类风湿性关节炎有一定作用，但在用于筛选抗风湿药物的动物模型中却完全无效。

骨关节病动物模型和骨关节病患者对 DMOAD 治疗的反应差异很大程度上取决于胶原酶，这种酶被认为参与了骨关节病的发病机制。在患有 OA 模型的啮齿动物中经常发现间质胶原酶（胶原酶-1 或基质金属蛋白酶 (MMP)-1）的抑制剂，但在啮齿动物中尚未发现人类胶原酶-1 的同源物，可能不存在。因此，人类胶原酶-1 的特异性抑制剂不会对患有实验性骨关节病的啮齿动物显示治疗效果。迄今为止开发的大多数 MMP 抑制剂都是非选择性的，因此会抑制胶原酶-3 (MMP-13)，而胶原酶-3 参与了啮齿动物实验性骨关节病的发病机制。此外，根据 NRA Beeley 等人 (1994)、JMP Freije 等人的研究(1994) 的研究表明，人类胶原酶 3 在骨关节炎患者的关节软骨中表达，可能在该疾病的发病机制中发挥作用。

可以假设这些介质、受体或酶在特定动物和人类的模拟骨关节病发病机制中发挥相似的作用。一个例子是白三烯 B4 的趋化能力，它被认为在人类、小鼠和兔子中是相同的，但这种生物活性物质的拮抗剂的活性在不同动物物种之间相差 1000 倍。为了避免实验中的这种不准确性，有必要创建允许研究体内药效动力学的方法。例如，可以研究任何物质对外源酶或介质在人体内的活性的影响。V Ganu 等人 (1994) 使用这种技术通过确定药物在将人基质蛋白注射到兔子的膝关节后抑制关节软骨释放蛋白聚糖的能力来评估 MMP 抑制剂的活性。

尽管骨关节病实验模型的结果可能导致对潜在DMOADs的错误评估，但骨关节病动物模型在基础研究中发挥着重要作用。药物治疗人类疾病的有效性最终取决于人体III期临床试验的结果。