股骨頭壞死動物模型造模方法的研究進展

李明+李釗煒+唐保明+李澤清+張淵+任榮+胡一博

【摘要】股骨頭壞死是骨科領域常見及難治的疾病，為研究其發病機制和治療方法，學者們在該疾病的動物模型研究做出了很多研究，本文就最近幾年來國內外對其動物造模方法進行分析整理，從中了解動物造模的最新的發展，發現新的、合適的造模思路，為將來股骨頭壞死研究以及建立更好的動物模型提供參考。

【關鍵詞】股骨頭壞死；動物模型；研究進展

【中圖分類號】R68 【文獻標識碼】A 【文章編號】ISSN.2095-6681.2017.12..03

Research progress of modeling method for animal model of avascular necrosis of femoral head

LI Ming， LI Zhao-wei*， TANG Bao-ming， LI Zeqing， LI Ze-qing，

ZHANG Yuan， REN Rong， HU Yi-bo

（Department of orthopaedics，affiliated hospital of Qinghai university，Qinghai Xining 810001，China）

【Abstract】Avascular necrosis is a common and refractory disease， orthopedic field to study the pathogenesis and treatment methods，scholars research in animal models of the disease has made a lot of research， this article chooses the building method of the avascular necrosis of the femoral head at home and abroad， observes， so that to grasp the building of new changes， to find new suitable building ideas， femoral head necrosis for the future research and build better animal models to provide the reference.

【Key words】Femoral head necrosis；Animal model；Research progress

股骨頭壞死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）是骨科領域常見及難治的疾病，由激素、創傷、酒精等多種病因造成的股骨頭缺血，進一步發展成骨髓造血細胞、脂肪細胞壞死及骨小梁萎縮、成骨細胞壞死和股骨頭塌陷、髖關節功能障礙的一種疾病。國際骨循環學會（Association Research Circulation Osseous ARCO）將股骨頭壞死定義為：股骨頭血供中斷或受損，引起骨細胞和骨髓成分死亡以及伴隨其后的組織修復，繼而導致股骨頭結構改變、股骨頭塌陷，引起關節疼痛、關節功能障礙的疾病[1]。美國每年新增股骨頭壞死患者1～2萬人，占到全髖置換手術的5～18%[2]。國內外各國學者在股骨頭壞死的研究方面進行了許多的工作，但是其各項研究及該病的診斷及治療方面研究進展仍非常的令人失望，除了該疾病病因多，發病機制復雜外，缺乏一種能夠模擬股骨頭壞死患者關節塌陷的自然病程和疾病的進展的動物模型，這也是股骨頭壞死研究進展令人失望的一個十分重要的原因。目前還很難建立一個從早期的組織學及影像學改變到晚期的股骨頭塌陷等表現都與人類相似的模型[3]。

建立一種好的股骨頭壞死的動物模型是研究其發病機制及評價其臨床治療效果的基礎。股骨頭壞死的動物模型已經成為這個領域研究的難點之一。目前，ONFH動物模型的建立主要用于探討股骨頭壞死的機制，研究股骨頭壞死的早期診斷，探討股骨頭壞死臨床藥物治療及手術治療等方面。本文就最近幾年來國內外對其動物造模方法進行分析整理，從中了解動物造模的最新的發展，發現新的、合適的造模思路，為將來股骨頭壞死研究以及建立更好的動物模型提供參考。

1 物理方式及化學滅活型方式建立的股骨頭壞死的動物模型

液氮冷凍股骨頭壞死動物模型具有造模時間較快、動物存活率高的優點而成為比較常見采用的股骨頭壞死造模方法。Jin等[4]對12只成年比格犬建模，術后8周其股骨頭出現了塌陷形成了蘑菇云。徐俊等[4]建立了三足犬動物模型，在電腦程序幫助下運用了液氮冷凍系統建模，結果多數實驗組動物出現股骨頭變形，囊性變。Velez等[5]聯合使用血管結扎及液氮冷凍技術建立了羊模型，最后顯示實驗動物出現股骨頭壞死特征性雙線征和股骨頭塌陷。Conzemius等[6]聯合使用血管結扎及液氮冷凍技術建立了鴯鹋模型，結果顯示組織學改變與人類ONFH早期和晚期病理改變相似。高溫加熱的損傷可以造成骨壞死的觀點為越來越多的學者所接受，在持續穩定為43～45℃的熱損傷時，會造成細胞的死亡。Li等通[7]過微波加熱建立兔股骨頭壞死模型，在第12周，約69%造模動物出現股骨頭塌陷。Fan等[8]發明了一種冷熱交替裝置來建立鴯鹋股骨頭壞死模型，16周后20只造模動物全部出現跛行。Shabat等[9]報道通過給予2-丁氧基乙醇建立兔的骨壞死模型，該模型有利于研究鐮狀細胞病和其他血紅蛋白疾病引起的骨壞死的機制。Ichiseki等[10]運用氧化劑丁硫氨酸亞砜胺制作了大鼠模型，這一模型適用于股骨頭壞死易感基因的篩查。

2 酒精性相關性的動物模型

在我國，長時間酗酒引起股骨頭壞死也比較多見，目前認為股骨頭壞死程度與飲酒量、飲酒史的長短有關。Ikemura等[11]研究報道乙醇能造成脂肪代謝紊亂，且乙醇劑量越高，該效應越明顯。目前對于酒精相關性股骨頭壞死的動物模型，其方法包括酒精灌胃法和股骨頭局部注射法。Wang等[12]通過胃內灌注方式每日給予含46%的乙醇的烈酒，建立小鼠股骨頭壞死模型，6個月后在股骨頭的軟骨區發現了骨壞死，該動物模型對于酒精相關性股骨頭壞死的發病機制及評估臨床的診治有一定的幫助。Okazaki等[13]利用Lieber-DeCarli酒精液體飼料（含5%乙醇）飼養大鼠，發現飼養1周后便有部分大鼠出現了股骨頭壞死（3/8）.Manggold 等[14]向股骨頭中心注射純乙醇建立了羊股骨頭壞死模型，結果出現骨壞死。Simank等[15]將酒精注入綿羊股骨頭中心，最后發現股骨頭中心部位壞死。飼養乙醇或灌胃酒精模仿了人類嗜酒的過程，但動物的股骨頭壞死率不高，全部沒有股骨頭壞死晚期表現，灌胃劑量的選擇及造模時間是其成功的關鍵點。endprint

3 激素性股骨頭壞死的動物模型

目前，臨床上腎病綜合征、支氣管哮喘、系統性紅斑狼瘡、器官移植、等疾病需要較長時間使用激素治療，且使用劑量較大，其引起股骨頭壞死的并發癥，嚴重危害患者健康。

（1）單純激素性股骨頭壞死的動物模型

Miyanishi等[16]進行了使用激素在兔骨壞死的研究，結果顯示醋酸甲基潑尼松龍是股骨頭壞死動物模型誘導的有效藥物。Motomura等[17]給兔子注射不同劑量醋酸甲基強的松龍，最后發現注射激素劑量與股骨頭壞死發生率有一定關聯性。Yang等[18]將地塞米松分別以間斷和連續方式給予小鼠口服，結果發現與臨床治療中間斷使用激素可減少股骨頭壞死發生率的結果相符合。

（2）激素+脂多糖的動物模型

脂多糖能激活細胞內的分子信號，參與多種細胞因子及粘附分子的表達，使機體處于高凝狀態，影響末梢循環進而形成股骨頭壞死。Ma等[19]應用LPS聯合激素建立兔子動物模型，發現甲基強的松龍+脂多糖誘導股骨頭壞死的發生率，遠遠要高于單獨使用激素或脂多糖的股骨頭壞死的發生率。Qin等[20]建立兔激素型股骨頭壞死模型，給藥6周后，93%的模型兔股骨頭出現壞死，這種造模方式具有方式簡單，方便操作，容易成功、動物存活率高等優點，被認為是一種比較好的激素性股骨頭壞死模型。有學者[21]通過聯合使用內毒素及潑尼松對小鼠造模，結果發現脂多糖導致小鼠的體質量明顯下降的同時其脾臟的質量卻明顯上升，并且壞死股骨頭中腫瘤因子α明顯增高。說明了LPS在股骨頭壞死造模中所起到的作用與腫瘤因子α有著密切的聯系。Zheng等[19]對鴯鹋序貫注射內毒素及甲基龍，研究人員認為，內素毒及甲基龍的序貫使用是建立激素性鴯鹋動物股骨頭壞死模型一種較為理想的方法，可以作為激素性股骨頭壞死的臨床前期研究的模型。

（3）激素+異體血清股骨頭壞死的動物模型

實驗動物注射異體血清后，能夠發生脈管系統炎癥，再使用激素誘導股骨頭壞死，這種造模方法符合人類股骨頭壞死的疾病發生、發展的自然過程。Matsui等[22]給予兔子注射馬血清，結果發現33%兔子股骨干骺端發生骨壞死，同時腎臟組織中有免疫性復合物附著，與臨床工作中患者使用激素后比較容易發生股骨頭壞死的現象比較一致。Isuji等[23]給予兔子經靜脈注射無菌、滅活的馬血清，結果發現其病理發生過程與臨床上系統性紅斑狼瘡患者發生的免疫復合物附著的病理過程非常相像，但是僅有早期的骨壞死而且未出現在股骨頭部位。

4 手術創傷性股骨頭壞死的動物模型

創傷性股骨頭壞死臨床上很常見，對實驗動物進行手術，模擬臨床工作中常常遇到的創傷因素導致股骨頭缺血壞死的發生的情況。 Swiontkowski等[24]運用手術的方式建立了股骨頭壞死的動物模型，結果顯示股骨頭都存在一定程度的骨壞死并伴有骨小梁結構的改變。.Aruwajoye等[25]運用手術的方式建立了在的Yorkshire小豬單側未成熟的股骨頭上建模，結果顯示在骨小梁及骨髓區分布有大量的壞死細胞，這一種動物模型是研究LCPD的經典動物模型，可用于股骨頭壞死發生機理及預防方法的研究。Gao等建立了狗股骨頭壞死模型，組織學顯示股骨頭內含有骨髓細胞碎片，陷窩細胞和（或）細胞核缺損，脂肪細胞增多。有學者用新西蘭兔造模，手術切除髖關節囊，模擬臨床上股骨頭壞死的早期階段，實驗結果顯示股骨頭骺板有壞死斑的發生，這種情況與人類股骨頭壞死的早期階段相一致。Peskin等[24]實驗結果顯示有連接股骨頭骨骺和干骺端的骨橋形成，這為臨床上股骨頭變形的發生提供了一種相對合理的解釋。Wen等[25]使用手術方式切斷股骨頸，然后使用轉基因的骨髓間充質干細胞移植進行治療，實驗發現轉基因的骨髓間充質干細胞移植技術可能是治療股骨頭壞死早期階段的一種較理想的方法。

5 總結與展望

綜上所述，目前，由于股骨頭壞死疾病病因多，發病機制復雜，以及人和動物的客觀上存在的種種差異，還沒有一種理想的動物造模方法可以完全復制與人類股骨頭壞死患者關節塌陷的自然病程、病理過程完全一致。目前的動物模型都有其優勢，但也都存在其不足。物理方式建立的模型，如液氮冷凍等，可作為模擬臨床手術等治療方法研究的動物模型，較其他方法制備的模型更適合于動物模型造模方法的標準化的研究。激素性相關性及酒精性相關性股骨頭壞死的動物模型適合于病因、病理及綜合性研究。激素+輔助制劑造模比較符合人類股骨頭壞死的自然病理過程。手術創傷性方式動物模型模擬了臨床實際工作中最多見的股骨頭壞死的類型，有利于股骨頭壞死的分期，但其不能根據不同的病因進行造模，難以推廣。因此，建立理想的股骨頭壞死模型是一項時間長久的研究課題，隨著社會經濟、科技的發展，必將發現更加符合人類股骨頭壞死的自然病理、病程的動物模型，從而推動股骨頭壞死疾病診療工作的進步。

參考文獻

[1] 中華醫學會骨科分會顯微修復學組及中國修復重建外科專業委員會骨缺損及骨壞死學組。成人股骨頭壞死診療標準專家共識（2012年版）[J/CD].中華關節外科雜志：電子版，2012，6：479-484.

[2] Babis GC，Sakellariou V，Parvizi J.Ostenecrosis of the femoral head.Orthopedics.2011；34（1）：39.

[3] Conzemius MG，Brown TD， Zhang Y，et al.A new animal model of femoral head osteonecrosis：one that progresses to human-like mechanical failure[J].J Orthop Res，2002，20（2）：303-309.

[4] 徐 俊，張長青，孫建琪，等.計算機輔助下低溫手術建立三足犬股骨頭壞死模型的初步報告[J].中國修復重建外科雜志，2008， 22（3）：76-280.endprint

[5] Velez R，hernandez-Fernandez A，Caminal M，al.Treatment of femoral head ostenecrosis with advanced cell therapy in sheep.Arch Orthop Trauma Surg.2012；132（11）：1611-1618.

[6] Conzemius MG，Brown TD，Zhang YD，et al，A new animal modal of femoral osteonecrosis：one that progresses to human-like mechanical failure.J Orthop Res，2002，20（2）：303-309.

[7] Fan M，Peng J，Wang A， et al.Emu modal of full-range femoral head osteonecrosis induced focally by an alternating freezing and heating insult.J Int Med Res.2011；39（1）：187-198.

[8] Shabat S，Nyska A，Long PH，et al.Osteonecrosis in a chemically induced rat model of human hemolytic disorders associated with thrombosis- a new model for avascular necrosis of bone.Calcif Tissueint，2004，74：220-228.

[9] Ichiseki T，Kaneuji A Ueda Y，et al.Osteonecrosis development in a noval rat model characterized by a single application of oxidative stress.Arthritis Rheum，2011，63（7）.

[10] Wang Y，Yin Li Y，et al.Preventive effects of puerarin on alcohol-induced osteonecrosis.Clin Orthop Relat Res，2008，466：1059-1067.

[11] Okazaki S，Nagoya S，Tateda K.Experimental rat model for alclhol-induced osteonecrosis of the feoral head Int J Exp Pathol.2013；94（5）：312-319.

[12] Manggold J，Sergi C，Becker K，et al.A new animal modal of femoral head necrosis induced by intraosseous injection of ethanol.Liab Anim，2002，36：173-180.

[13] Simank H G，Mang gold J Sebald W，et al.Bone morphogenetic protein-2 and growth and differentiation factor-5 enhance the Healing of necrotic bone in a sheep model[J].Growth Factors，2001，19（4）：247-257.

[14] Miyanishi K，Yamamoto T，Irisa T，et al.Effects of different corticosteroids on the development of osteonecrosis in rabbits[J].Rheumatology（Ox-ford），2005，44（3）：332-336.

[15] Motomura T，Yamamoto T，Irisa T，et al.Dose effects of corticosteroids on the development of osteonecrosis rabbits .J Rheumatol，2008，35（12）：2395-2399.

[16] Yang L，Boyd K，Kaste SC，et al.A mouse model for glucocorticoid-induced osteoncrosis：effect of a steroid holiday.J Orthop Res，2009，27（2）：169-175b.

[17] Qin L，Zhang G，Sheng H，et al. Multipe bioimaging modalities in evaluation of an experimental osteoncrosis induced by a combination of lipopolysaccharide and methylprednisolone.Bone，2006，39：863-871.

[18] Ryoo S，Lee S，Jo S，et al.Effect of lipopolysaccharide on mouse model of steroid-induced avascuiar necrosis in the femoral .J Microbiol Biotechnol.2014；24（3）：394-400.endprint

[19] Zheng LZ，Liu Z，Lei M，et al.Steriod-associated hip joint collapse in bipedal emus.PLoS One.2013；8（10）：e76797.

[20] Matsui M，Ohzono K，Nakamura N，et al.The immune reaction to heterologous serum causes osteonecrosis in rabbits.Virchows Arch，1995，477（2）：205-211.

[21] Aruwajoye OO，Patel MK，Allen MR，et al.Microcrack density and nanomical properties in the subchondral region of the immature piglet femoral head following ischemic osteonecrosis Bone.2013；52（2）：632-639.

[22] Gao YS，Guo SC，Ding H，et al.Caspase-3 may be employed as an early predictor for fracture-induced osteoncrosis of the femoral head in a canine model.Mol Med Rep，2012，6：611-614.

[23] When Q，Jin D，Zhou CY，et al.HGF-transgenic MSCs can improve the effects of tissue self-repair in a rabbits model of traumatic osteoncrosis of the femoral head.Plos one.2012；7（5）：e37503.

[24] Peskin B，Shupak A，Misselevich I，et al.Transpyseal Osseous bridges in experimental osteoncrosis of the femoral head of the rat[J]，J Pediar Orthop B，2001，10（3）：214-218.

[25] Wen Q，Jin D，Zhou CY，et al.HGF-transgenic MSCs can improve the effects of tissue self-repair in a rabbits model of traumatic osteoncrosis of the femoral head.PLoS One，2012，7：e37503.

本文編輯：李 豆endprint