骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)是中老年人常見的一種慢性進(jìn)行性疾病。是由于關(guān)節(jié)軟骨退行性改變(退變)和關(guān)節(jié)表面邊緣形成新骨的退行性病變，其病因、分子生物學(xué)、早期診斷和治療均存在問題，需要進(jìn)一步研究。骨關(guān)節(jié)炎動物模型無疑是研究人類骨關(guān)節(jié)炎病理機(jī)制和防治方法的良好工具。骨關(guān)節(jié)炎動物模型有的是自發(fā)的，也可通過關(guān)節(jié)制動、手術(shù)改變關(guān)節(jié)應(yīng)力、破壞關(guān)節(jié)血液循環(huán)、關(guān)節(jié)內(nèi)藥物注射、關(guān)節(jié)內(nèi)植入軟骨碎片等方法建立。

1 自發(fā)性動物模型

(1)C57BL小鼠  自從20世紀(jì)40年代Silberberg先發(fā)現(xiàn)C57BL小鼠具有骨關(guān)節(jié)炎特征以來，有研究報(bào)道已經(jīng)對C57BL小鼠的這種特征進(jìn)行了動態(tài)病理組織學(xué)研究。該小鼠3個(gè)月齡時(shí)關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)中糖胺聚糖染色性降低；6個(gè)月齡時(shí)60％小鼠關(guān)節(jié)軟骨可出現(xiàn)Ⅰ度骨關(guān)節(jié)炎改變，主要表現(xiàn)為半月板游離緣附近的關(guān)節(jié)軟骨表面不平整，排列在表層的扁平軟骨細(xì)胞脫落、消失，軟骨下骨小梁密度改變；18個(gè)月齡時(shí)小鼠均可出現(xiàn)Ⅰ度以上的骨關(guān)節(jié)炎改變，其中18％的小鼠出現(xiàn)Ⅱ度骨關(guān)節(jié)炎改變，9％出現(xiàn)Ⅲ度骨關(guān)節(jié)炎改變。該自發(fā)性模型與人類骨關(guān)節(jié)炎的差異主要表現(xiàn)為，其沒有關(guān)節(jié)軟骨的微纖維化，關(guān)節(jié)軟骨剝離脫落呈腐蝕狀，軟骨細(xì)胞無集簇及骨刺形成，滑膜炎癥不明顯；骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)程中不伴有糖胺聚糖和DNA合成增加。表明該小鼠軟骨的自我修復(fù)功能缺乏或受到抑制。已有研究證實(shí)，給 C57BL小鼠飼喂高脂飼料，可加速其關(guān)節(jié)的退行性病變。

(2)豚鼠  已往研究報(bào)道證實(shí)，12月齡后的豚鼠在股骨內(nèi)側(cè)髁中央可出現(xiàn)與人類骨關(guān)節(jié)炎相似的病理變化，且病理變化隨年齡增長而逐漸加重；而外側(cè)髁無明顯變化。豚鼠骨關(guān)節(jié)炎病程發(fā)展過程緩慢，與臨床上人類骨關(guān)節(jié)炎極為相似，且其軟骨基質(zhì)病變程度與負(fù)荷呈正相關(guān)。

2 誘發(fā)性動物模型

2.1 機(jī)械制動模型

當(dāng)模型動物的下肢關(guān)節(jié)機(jī)械制動一段時(shí)間后，局部不論是否施以外加壓力，關(guān)節(jié)軟骨均可出現(xiàn)與臨床相似的退行性改變，且不論采用伸直位、屈曲位或中間位。研究發(fā)現(xiàn)家兔膝關(guān)節(jié)制動60d后，由制動所造成的大部分關(guān)切軟骨的變化無法逆轉(zhuǎn)。若制動不超過30d，電鏡下關(guān)節(jié)表面的圓形突起未破壞，切線層纖維束未暴露，病變則有恢復(fù)的可能。若制動時(shí)間超過30d，則可導(dǎo)致關(guān)節(jié)的進(jìn)行性破壞。若以屈曲位制動，則因減少了橫跨膝關(guān)節(jié)的肌肉的收縮，可導(dǎo)致關(guān)節(jié)骨的萎縮性變化；若以伸直位制動，則限制了關(guān)節(jié)的運(yùn)動、肌肉、關(guān)節(jié)囊收縮，對關(guān)節(jié)面產(chǎn)生了過度壓力，可導(dǎo)致0A的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步表明，短于4d的關(guān)節(jié)制動，即具有的病理積累作用，無論是短期的反復(fù)制動或是持續(xù)制動。 Okazaki等實(shí)驗(yàn)研究也表明，家兔膝關(guān)節(jié)伸直位制動7～14d后，關(guān)節(jié)軟骨即出現(xiàn)早期退變，28d后出現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨中度退變，42d后則出現(xiàn)嚴(yán)重的退變，并發(fā)現(xiàn)P53mRNA在此過程中發(fā)揮了重要作用。故有人認(rèn)為將兔膝關(guān)節(jié)于伸直位制動5～6周，即可得到0A動物模型。

2.2 手術(shù)方法制作骨關(guān)節(jié)炎模型

(1)復(fù)制方法  取膝內(nèi)側(cè)切口切除家兔髕下脂肪墊后，沿髕骨內(nèi)外緣切除關(guān)節(jié)囊及滑膜各一條組織(10mm×5mm)，然后作鼠蹊切口游離髂外和骨靜脈，結(jié)扎并切除1.5cm的血管，術(shù)后家兔自由活動。

(2)模型特點(diǎn)  術(shù)后30d，光鏡見髕骨表面近遠(yuǎn)兩端有丘狀新生骨形成，并伸入腱附著區(qū)內(nèi)，為編織狀骨；髕骨關(guān)節(jié)中，髕軟骨的軟骨細(xì)胞層次清楚、完整，但髕骨近遠(yuǎn)端處軟骨變薄，層次紊亂，有的部位只見纖維組織覆蓋于松質(zhì)骨表面；術(shù)后60d，髕骨表面新生骨漸趨成熟；術(shù)后90d，新生骨表面發(fā)育為正常骨皮質(zhì)，其下面出現(xiàn)骨髓腔，新生骨下原髕骨皮質(zhì)內(nèi)髓腔化明顯。術(shù)后60d，股四頭肌腱和髕腱內(nèi)出現(xiàn)肥大、核圓的軟骨細(xì)胞，基質(zhì)無鈣化，90d時(shí)形成片狀軟骨灶。

(3)比較醫(yī)學(xué)  骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生機(jī)制復(fù)雜，一般認(rèn)為是多因素綜合所致。繼發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎中，關(guān)節(jié)應(yīng)力的改變及關(guān)節(jié)局部血供的異常是重要原因。因此，運(yùn)用使關(guān)節(jié)失穩(wěn)或改變應(yīng)力或減少關(guān)節(jié)血供造成靜脈回流不暢，均可造成與臨床相似骨關(guān)節(jié)炎模型。但不同種動物及不同方法造成的骨關(guān)節(jié)炎模型，其病理表現(xiàn)不盡一致。如鼠的關(guān)節(jié)幾何形狀與人類并不相同，此外小鼠軟骨中不含硫酸角質(zhì)素，而人類關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)此物質(zhì)隨年齡增加而增多；如以大鼠或小鼠等嚙齒類動物作為模型，則分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)應(yīng)考慮上述差異。研究骨關(guān)節(jié)炎的病理進(jìn)程、組織病理特征或軟骨生化代謝的變化，通常情況下可選用犬或兔作為模型動物。

常用骨關(guān)節(jié)炎動物模型手術(shù)方法分類：

1)破壞關(guān)節(jié)穩(wěn)定性  破壞關(guān)節(jié)穩(wěn)定性是目前國外常采用的一種OA造模方法。關(guān)節(jié)穩(wěn)定性是保持關(guān)節(jié)正常結(jié)構(gòu)和功能的一個(gè)重要因素。若關(guān)節(jié)不穩(wěn)，必使關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)的動態(tài)平衡失調(diào)，從而使關(guān)節(jié)發(fā)生退行性改變。常用的造成關(guān)節(jié)不穩(wěn)的手術(shù)方法主要包括：切斷內(nèi)側(cè)副韌帶、切斷前、后交叉韌帶，切除內(nèi)側(cè)半月板及切除髁、臏骨等。McDevitt等切除犬、兔前交叉或前后交叉韌帶、切斷家兔前交叉韌帶和內(nèi)側(cè)半月板造成關(guān)節(jié)失穩(wěn)，手術(shù)后見關(guān)節(jié)滑膜增厚，軟骨表面糜爛，細(xì)胞成簇排列，骨贅形成，關(guān)節(jié)軟骨中黏蛋白減少，酸性磷酸酶增加，蛋白、糖胺聚糖(GAG)合成率增加，膠原纖維成分無變化，軟骨細(xì)胞合成的黏蛋白中含有更多的硫酸軟骨素。切斷雙后肢內(nèi)側(cè)副韌帶及膝前內(nèi)側(cè)筋膜擴(kuò)張部，并在斷端處修剪去除約2mm，造成小鼠雙后肢外翻畸形，術(shù)后2d放于拖箱內(nèi)，每天趕其行走30m，2周后，光鏡見軟骨厚度變薄，電鏡軟骨細(xì)胞有明顯的外形改變，表明軟骨細(xì)胞處失代償期；造模4周，軟骨厚度顯著變薄，電鏡見軟骨細(xì)胞變形嚴(yán)重呈不規(guī)則狀，胞質(zhì)內(nèi)充滿脂滴、糖原顆粒及微絲，細(xì)胞器外形模糊，細(xì)胞核深度凹陷變形，細(xì)胞旁出現(xiàn)嗜鋨性脂肪碎屑，基質(zhì)內(nèi)膠原纖維顯露明顯且較正常為粗，結(jié)構(gòu)松散紊亂；手術(shù)8周，病變與人4周相似，但程度加重。路氏等將切除韌帶與半月板結(jié)合，成功地誘發(fā)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎，且認(rèn)為該模型制作期限合理，病灶典型。術(shù)后3周就出現(xiàn)了骨關(guān)節(jié)炎的早期改變，包括軟骨細(xì)胞排列紊亂，表層輕度糜爛，可見散在的軟骨細(xì)胞簇及局部潰瘍。術(shù)后6周出現(xiàn)了明顯的骨關(guān)節(jié)炎癥改變，6周X線顯示了關(guān)節(jié)間隙異常及脛骨上端變形。從而表明關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定是造成關(guān)節(jié)軟骨破壞，形成骨關(guān)節(jié)炎的原因。將鼠或兔內(nèi)側(cè)半月板切除30％～50％，同時(shí)，讓其自由活動，成功地復(fù)制出OA模型，且認(rèn)為這種造模方法對研究OA關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞凋亡是一種很好的動物模型。而 Mansour等采用半月板部分切除和交叉韌帶切除術(shù)后造成動物OA模型進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，改變兔膝關(guān)節(jié)動力裝置在實(shí)驗(yàn)動物OA產(chǎn)生過程中并不是起關(guān)鍵的作用。

2)降低關(guān)節(jié)應(yīng)力  研究表明在OA的發(fā)生機(jī)制中，缺乏負(fù)重可能是重要環(huán)節(jié)之一。由低應(yīng)力導(dǎo)致的軟骨退變早期，軟骨細(xì)胞缺乏骨退變中常見的代償性增生表現(xiàn)，說明低應(yīng)力可能對軟骨退變修復(fù)有抑制作用。國內(nèi)顧氏等將大鼠一側(cè)后肢跟腱切除約2mm，術(shù)后允許動物自由活動，術(shù)后1周至1個(gè)月，軟骨未見異常改變；術(shù)后2個(gè)月，部分軟骨出現(xiàn)裂隙，多集中于軟骨的淺表，正常軟骨細(xì)胞柱存在，有少量固縮的軟骨細(xì)胞；術(shù)后3個(gè)月軟骨裂隙增多，有些可深達(dá)鈣化層，部分區(qū)域有軟骨小片缺損，軟骨細(xì)胞排列紊亂，較多軟骨細(xì)胞發(fā)生退變，并有空陷窩出現(xiàn)，某些區(qū)域有軟骨細(xì)胞族出現(xiàn)；術(shù)后5～8個(gè)月，上述改變程度更明顯，軟骨細(xì)胞柱正常形態(tài)消失。

3)增加骨內(nèi)壓  自1983年Larsen次提出骨內(nèi)壓概念后，國外對骨內(nèi)壓與OA的關(guān)系有了較詳盡的研究，提出導(dǎo)致骨內(nèi)壓上升的主要原因是由各種因素引起的骨內(nèi)靜脈回流受阻所致的骨內(nèi)靜脈血淤積。據(jù)于此，有人結(jié)扎大鼠股靜脈并切除1cm，且切斷髂內(nèi)靜脈和躁部至膝部的大隱靜脈，8周后可見關(guān)節(jié)軟骨的鈣化層增厚，新骨形成，松質(zhì)硬化，與臨床OA的變化相似。結(jié)扎犬膝關(guān)節(jié)周圍的靜脈可導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的局部損傷和變性。通過結(jié)扎家兔一側(cè)股、臀下靜脈造成膝關(guān)節(jié)周圍骨內(nèi)高壓動物模型，1周時(shí)關(guān)節(jié)軟骨出現(xiàn)退變。許氏等認(rèn)為這種方法造模12周時(shí)關(guān)節(jié)軟骨僅呈輕微病變，與臨床表現(xiàn)不太相符，而采用在結(jié)扎股、臀下靜脈的同時(shí)行同側(cè)肢體伸膝固定的2種方法疊加造模，既能使膝旁周圍靜脈瘀滯，骨內(nèi)壓升高，又能使兔膝關(guān)節(jié)發(fā)生退行性改變，術(shù)后6周模型即可建成，造模成功率高。而且可以觀察到兔膝關(guān)節(jié)明顯退變、軟骨表層明顯缺損、關(guān)節(jié)軟骨潰瘍、軟骨細(xì)胞紊亂和軟骨細(xì)胞丟失、纖維化及少量骨贅形成等，符合人類骨關(guān)節(jié)炎的病理改變。

2.3 藥物注射誘發(fā)骨關(guān)節(jié)炎模型

1.木瓜蛋白酶(Papain)  Papain是一種蛋白水解酶，將其分別注入家兔膝、髖關(guān)節(jié)中，并加以局部制動，觀察到關(guān)節(jié)軟骨退行性變的發(fā)生。楊氏等用1.6％Papain 0.3ml注入日本大耳兔顳頜關(guān)節(jié)控制內(nèi)，2, 4, 6周后，分別進(jìn)行病理學(xué)觀察，發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨變薄，表面糜爛、腐蝕，軟骨細(xì)胞壞死，軟骨基質(zhì)破壞等一系列的病理性改變，這種模型與人類OA病理變化極為相似，且易于復(fù)制。同樣，用4％Papain 0.3ml注射到家兔髖關(guān)節(jié)中也成功地復(fù)制出OA模型，且骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生時(shí)間短，重復(fù)性好。

2.膠原酶  膠原酶是一種金屬蛋白酶，能夠分解細(xì)胞間基質(zhì)的膠原蛋白。Kikuchi等利用膠原酶注入兔膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)，6周后發(fā)現(xiàn)骨的邊緣比中間更為嚴(yán)重，軟骨的退變隨時(shí)間的推移而逐漸加重，且與膠原酶劑量呈正相關(guān)，這種關(guān)節(jié)軟骨的退變與人類OA病理相類似，并認(rèn)為在短時(shí)間內(nèi)這種造模方法比木瓜蛋白酶更易誘導(dǎo)OA。

3.雌二醇  雌二醇可導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨受損，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在家兔和狗的關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞內(nèi)存在17-β雌二醇受體，表明雌激素與OA發(fā)生有密切關(guān)系。Tsai等將雌二醇按0.3mg/(kg·d)的劑量注入兔膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)，9周后發(fā)現(xiàn)兔股骨髁表面關(guān)節(jié)軟骨變薄，軟骨面龜裂、纖維化；12周后關(guān)節(jié)軟骨侵蝕破壞擴(kuò)展到鈣化層，軟骨下骨外露，電鏡掃描進(jìn)一步提示，軟骨細(xì)胞變形嚴(yán)重呈不規(guī)則狀，細(xì)胞核深度凹陷窩出現(xiàn)及囊泡形成。

4.聚乙烯亞胺  OA早期，蛋白多糖在關(guān)節(jié)軟骨新陳代謝過程中退變和變異對OA的發(fā)生起關(guān)鍵作用。因此， Sakano等將陽離子聚乙烯亞胺注射到鼠膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)，用以阻擋膝關(guān)節(jié)軟骨陰離子區(qū)域，2, 4, 6個(gè)月后觀察發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)明顯變形，蛋白多糖退變和功能減退，且逐漸加重，晚期發(fā)展成為典型的OA模型。這種OA模型的誘導(dǎo)與聚乙烯亞胺分子量呈正相關(guān)。此外，菲律賓素(Filipin)、腎上腺皮質(zhì)激素、透明質(zhì)酸、軟骨碎片等注入家兔膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)，也可導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨退變，誘發(fā)OA模型。

2.4 骨關(guān)節(jié)炎轉(zhuǎn)基因動物模型

(1)復(fù)制方法  OA是一種由多種原因所致的慢性退行性關(guān)節(jié)病變，以關(guān)節(jié)軟骨變性、破壞及骨質(zhì)增生為主要特征。主要復(fù)制方法是：通過轉(zhuǎn)基因和基因敲除技術(shù)獲得自發(fā)性O(shè)A動物模型。

(2)模型特點(diǎn)  ①Ⅱ型前膠原基因缺陷小鼠模型  正常軟骨基質(zhì)膠原以Ⅱ型為主，Ⅱ型膠原合成障礙與OA發(fā)病有關(guān)。OA軟骨細(xì)胞Ⅱ型膠原合成功能受損，Ⅰ型膠原合成增加，因此，OA關(guān)節(jié)軟骨膠原纖維構(gòu)成更近似于皮膚和骨的膠原纖維，從而導(dǎo)致軟骨表層膠原纖維直徑變大，分布不規(guī)則，對軟骨的保護(hù)作用減弱。據(jù)報(bào)道Ⅱ型前膠原基因點(diǎn)突變(半胱氨酸取代519位精氨酸，Arg→Cys 519)可導(dǎo)致家族性的OA，具全身性、侵蝕性及早發(fā)的特點(diǎn)，呈常染色體顯性遺傳，并伴有輕度的脊柱軟骨發(fā)育不良。對兒童早發(fā)OA病例的調(diào)查也發(fā)現(xiàn)同樣的點(diǎn)突變。表達(dá)人突變Ⅱ型前膠原基因(Arg→Cys 519)轉(zhuǎn)基因小鼠模型比正常對照體積小、有腭裂且生長板紊亂，電鏡下觀察軟骨示Ⅱ型膠原纖維密度降低，軟骨細(xì)胞高爾基體囊擴(kuò)張。以上改變類似于含Ⅱ型前膠原(COL-A1)突變基因患者所表現(xiàn)出的早發(fā)全身OA和軟骨發(fā)育不良。COL-A1基因剔除小鼠模型同樣存在軟骨缺陷，該品系低齡小鼠表型與人類軟骨發(fā)育異常類似，表現(xiàn)形式多樣，可出現(xiàn)軟骨基質(zhì)膠原纖維數(shù)量減少、軟骨細(xì)胞粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴(kuò)張、生長發(fā)育障礙，骨密度減低、易于骨折等；而高齡小鼠(15個(gè)月)則表現(xiàn)出典型的OA樣軟骨退行性變。研究發(fā)現(xiàn)，含失活的COL-A1等位基因的小鼠在15個(gè)月齡時(shí)，OA的發(fā)生率為60％～90％，而正常對照組只有20％～45％(P<0.01)。踩輪運(yùn)動能降低其OA的發(fā)生率，但對正常小鼠OA的發(fā)生無影響。這可能與運(yùn)動使關(guān)節(jié)軟骨膠原纖維網(wǎng)重排和加強(qiáng)有關(guān)。

②雙糖鏈蛋白多糖P纖維調(diào)節(jié)素相關(guān)基因缺陷小鼠模型  雙糖鏈蛋白多糖是富含亮氨酸的Ⅰ類小分子蛋白多糖(SL-RP)，其編碼基因位于Xq28-ter，與核心蛋白多糖(decorin，另一種Ⅰ類SLRP)編碼基因同源。雙糖鏈蛋白多糖在靠近N末端部位連有2條硫酸軟骨素氨基葡聚糖鏈，而核心蛋白多糖只有1條。纖維調(diào)節(jié)素是Ⅱ類SURP，在骨、軟骨組織和肌腱中表達(dá)較高。研究表明，雙糖鏈蛋白多糖基因敲除小鼠骨前體細(xì)胞形成障礙且對TGF2β反應(yīng)低下，膠原合成減少，細(xì)胞凋亡增加。雙糖鏈蛋白多糖P纖維調(diào)節(jié)素基因聯(lián)合缺陷小鼠肌腱膠原纖維在結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能上均發(fā)生改變，引起關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，出現(xiàn)步態(tài)改變、肌腱異位鈣化，導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重早發(fā)并快速進(jìn)展的OA；如受累關(guān)節(jié)被迫運(yùn)動，則病理改變更為明顯。

(3)比較醫(yī)學(xué)  臨床人類骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病與年齡、體重、炎癥、外傷、遺傳等多種因素有關(guān)，無明顯地域及種族差異，它是人類致殘的重要病因之一。目前，臨床上對OA尚缺乏有效的*措施，通過建立理想的OA動物模型，來開展其發(fā)病機(jī)制、藥物治療方面的實(shí)驗(yàn)研究是研究OA的重要方法之一。