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派思维新 | 实验动物模型带您探索骨和关节疾病新药研发新希望

来源: | 作者:派思维新 | 发布时间: 2025-06-04 | 106 次浏览 | 分享到:

01 前言

骨与关节疾病是全球范围内影响人类健康的主要问题之一，尤其是中老年人群和特定职业群体。常见疾病包括：骨关节炎（退行性疾病）、骨质疏松症、类风湿关节炎等。骨与关节疾病多呈慢性进展，早期症状易被忽视，但致残风险高。例如，骨关节炎若未及时干预，可能需人工关节置换；类风湿关节炎延误治疗将导致不可逆关节损伤。


02 类风湿性关节炎和动物模型

类风湿性关节炎简介：

类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis，RA）是一种慢性炎症性自身免疫性疾病，临床病理特征主要表现为三个方面：
①关节局部炎症细胞浸润引发慢性炎症；
②关节滑膜增生导致关节破坏、畸形、障碍、使疾病进入不可逆阶段；
③关节进行性破坏，主要表现为骨侵蚀、软骨组织损伤及骨丢失等。RA全球患病率约为0.5%~1%，我国患病率约为0.32%~0.36%，女性患者约为男性患者的2~3倍，在自然病程中，10年致残率可超过60%，是造成我国人群丧失劳动力和致残的主要病因之一。


Figure 1. Multistep Progression to the Development of Rheumatoid Arthritis (DOI:10.1056/NEJMra1004965).


临床症状和并发症：

RA主要症状包括关节症状和关节外症状。临床表现为慢性、多关节的疼痛、肿胀、晨僵、关节畸形、关节功能障碍，以及关节外的多脏器损害。RA起病隐匿，病变常常呈对称性累及双手近端指间关节、腕关节、肩关节、膝关节等人体关节，还会累及肺、心、肝、血管、神经等多个脏器并引起系列并发症如类风湿性结节、弥漫性间质性肺纤维化、胸膜炎、心包炎、类风湿血管炎、肉芽肿病变和滑膜肿胀增厚引起的脑、脊髓、周围神经、自主神经等损害。


Figure 2. Mechanisms That Contribute to Clinically Observed Long-Term Complications in Patients with Rheumatoid Arthritis (DOI: 10.1056/NEJMra1004965).


类风湿性关节炎动物模型：

动物模型的建立和应用是研究疾病的有效方法，有效的动物模型有助于了解疾病的发病机制，也能够筛选出有效的治疗药物。目前多种动物模型已被广泛用于RA的病因、发病机制、新治疗靶点等的研究和新疗法的评估，包括诱导性、转基因型、自发性及病证结合动物模型，其中，佐剂诱导的大鼠关节炎模型、胶原诱导的大、小鼠关节炎模型和胶原抗体诱导的小鼠关节炎模型是目前研究RA最为广泛和经典的模型。

佐剂诱导的大鼠关节炎模型（Adjuvant-induced arthritis in mice，AA）

基于抗原模拟机制，位于结核杆菌的一个蛋白分子MtbH37Ra与关节滑膜上的一个糖蛋白分子HSP650结构相似，可以被同一株T细胞克隆所识别，从而诱发针对关节的免疫反应。

胶原诱导的关节炎模型（Collagen-induced arthritis，CIA）

胶原蛋白是细胞外间质成分，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Ⅰ型和Ⅲ型胶原存在于皮肤和一些器官的间质中，而Ⅱ型胶原大量存在于关节软骨中。用异源性Ⅱ型胶原免疫动物，可诱导体内产生针对关节软骨中的Ⅱ型胶原的自身免疫反应，建立关节炎模型。


胶原诱导小鼠关节炎模型

胶原诱导大鼠关节炎模型


03 骨关节炎和动物模型

骨关节炎简介：

骨关节炎（osteoarthritis, OA）是一种非炎症性的退行性关节病，是常见的慢性疼痛疾病，发病率极高，多见于中老年人，好发于负重较大的膝关节、髋关节，脊柱及手指关节等部位，严重影响患者生活质量。表现为关节软骨破坏，出现纤维化，裂缝和溃疡形成，最终导致整个关节软骨消失，下方的骨骼暴露，出现关节疼痛和功能丧失。
OA 被世界卫生组织称为“不死癌症”，全球约有 3.6亿患者，患病率随年龄增高而增高，60 岁以上人群患病率超 10%，女性发病率显著高于男性，中国 40 岁以上人群原发性 OA 总体患病率达 46.3%，膝 OA 患者约 1.2 亿。随着人口老龄化加剧，OA 已成为全球致残率最高的关节疾病之一，预计到 2030 年将影响全球 10% 的人口。
同时，OA 的危害不仅限于关节局部。研究表明，OA 患者心血管事件风险增加 20%-30%，下肢深静脉血栓发生率是健康人群的 3 倍，全因死亡率显著升高。其病理进程具有不可逆性，晚期常需关节置换手术，但中青年患者术后翻修率高达 35%，给个人和社会带来沉重负担。


分类及病因：

临床上，OA可分为原发性和继发性。原发性OA多发生于中老年人群，没有明确的诱因，与遗传和体质因素有一定的关系。继发性OA可发生于青壮年，继发于创伤、炎症、关节不稳定、积累性劳损或先天性疾病等。OA目前病因尚不明确，衰老和肥胖是影响OA的高危因素，目前主要认为其发病机制与ＭＭＰ、细胞因子、基因、免疫反应等多因素相关。


临床表现：

初期OA多为轻度或中度间断性隐痛，随着病情进展，疼痛会逐渐加重，变为持续性疼痛。出现关节僵硬，活动受限，关节肿胀，逐渐开始有关节畸形。指关节可出现赫伯登结节（远端指间关节）和布夏尔结节（近端指间关节），导致手指畸形。膝关节骨关节炎可出现膝内翻（O型腿）或膝外翻（X型腿）畸形。因疼痛、僵硬和关节畸形的影响，关节的活动范围逐渐减小，患者活动受限，严重时会影响日常生活，如无法正常行走、上下楼梯困难、不能屈伸膝关节等。
OA病理特点为：早期软骨软化，细胞减少；中期出现裂缝、糜烂；晚期软骨磨损严重。软骨下骨出现骨质增生、硬化、囊性变。滑膜有炎症与增生，产生积液。关节囊增厚挛缩，周围肌肉废用性萎缩，关节稳定性与活动功能被破坏。


OA动物模型：

建立OA 动物模型，对研究 OA 发生发展中的遗传机制、预防以及治疗都有着重要意义。目前OA 动物模型主要包括三类：自发性 OA 动物模型、诱发性 OA 动物模型以及转基因 OA 动物模型。


自发型：

自发性 OA 动物模型指没有人为因素，自然形成 OA 的动物。主要发病机制是关节受累过重，比如体质量大、关节受力不均衡等。已有的自发性 OA 动物模型中，Hartly 豚鼠软骨降解过程与人 OA 退行性变化相似， Hartly 豚鼠在3月龄就会出现和人类似的OA软骨变化，最终发生至重度的骨关节炎；C57 小鼠也会出现和类似人的OA, 且随年龄增加程度加重，但缺乏人类 OA的关节软骨纤维化的表型。在喂养高脂饲料或是增加运动负荷后，C57 小鼠的 OA 自发率增加。


诱发性动物模型：

诱发性动物模型是通过人工干预诱导OA形成，相比自发性 OA 模型更加稳定，病程相对较短，是常选用的动物模型。一般分为手术诱导和非手术方法两大类：手术诱导的骨关节炎动物模型是通过手术方法破坏动物关节的正常结构和功能，从而诱导骨关节炎的发生。常见的手术诱导模型包括：
前交叉韧带或半月板切断术：通过手术切断动物的前交叉韧带或半月板，破坏膝关节的稳定性，使关节软骨承受异常的力学负荷，从而诱导骨关节炎的发生。手术操作简单、创伤小、稳定性好，容易控制实验方向；导致动物的负重不对称性和滑膜炎更加明显，造成的骨关节炎更为严重，适合用于较为严重的创伤性骨关节炎模型的塑造。
Hulth 模型：切除动物膝关节内侧半月板，并切断内侧副韧带及前后交叉韧带，使关节破坏，应力失衡，造成关节腔狭窄，关节面摩擦增大，术后任其活动，不固定伤肢。手术造模时间短、成功率高、可重复性强，与人类创伤后骨关节炎相似，对于动物的生理结构改变较多，适用于创伤后骨关节炎的研究。
卵巢切除法：通过手术卵巢切除致使雌激素缺乏而间接影响软骨细胞改变。将大鼠卵巢切除，三个月后，关节处软骨出现OA病变表现。对关节损伤小；可以模拟绝经后的骨关节炎；可用于研究雌激素对于关节软骨的保护作用；也可研究性别因素对于骨关节炎发病的影响。
非手术法造模主要包括关节腔内注射药物及关节固定法两类。关节腔内注射法是通过在关节注射药物刺激软骨，常见药物有胶原酶、碘醋酸盐、碘乙酸盐、木瓜蛋白酶等。其中最常用的是碘乙酸钠和木瓜蛋白酶。关节固定法是使用石膏等将关节伸直位固定，使关节处应力改变，进而发生软骨退行性变，4- 6 周后，软骨表面被破坏，出现OA症状。


前交叉韧带切除术诱导的OA模型


04 骨质疏松和动物模型


骨质疏松简介：

骨质疏松症（Osteoporosis，OP）是一种以全身性骨量减少、骨微结构损坏，导致骨脆性增加、易于发生骨折为特征的全身性骨代谢疾病。随着世界人口老龄化日趋严重，骨质疏松症已成为重要的公共健康问题，全世界可统计的骨质疏松症患者超过２亿人，其在老年性疾病、代谢性疾病中发病率非常高，已跃居至世界上最常见疾病的第７位，严重威胁着老年人的生命健康，又被称为“静悄悄的流行病”、是吞噬老年人健康的“隐形杀手”。
现代医学将骨质疏松症分为原发性、继发性和特发性三大类。第一类原发性骨质疏松症（primary osteoporosis，POP），因增龄所致的体内性激素突然减少及生理性退行性改变所致，包括Ⅰ型绝经后骨质疏松症（postmenopausal osteoporosis，PMOP）和Ⅱ型老年性骨质疏松症。第二类为继发性骨质疏松症，由疾病或药物因素诱发，如内分泌代谢病（糖尿病、甲状腺功能亢进症等）、肾脏疾病、肝脏疾病等。药物诱发如长期大剂量糖皮质激素的应用、肝素、免疫抑制剂等的应用。第三类为特发性骨质疏松症，多见于青少年，一般伴有遗传疾病史，女性多见，妇女哺乳期和妊娠期的骨质疏松症也往往列入此类。
由于骨质流失是隐匿的，骨质疏松症最初是无症状的，通常只有在第一次临床骨折发生后才能被诊断出来。其最常见的症状是疼痛，以腰背痛最为多见，其次是身长缩短、驼背，严重者可见骨折，常见部位为髋部、脊柱、腕部和肋骨。



骨质疏松模型：

骨质疏松症的病因和发病机制复杂，至今尚未完全明了，根据已了解的病因和发病机制，建立合适的、能反映疾病病理特征的动物模型，是研究不同途径药物抗OP药效学的关键。人类骨质疏松症是由于衰老进程（妇女绝经、老年退行性病变）及内分泌紊乱、营养不良、疾病及药物诱发等因素引起，针对以上因素，研究人员成功构建多种经典的、受到广泛认可的OP动物模型。目前常用来诱导OP的动物有大鼠、小鼠、兔、羊、猪、狗和非人类灵长类动物以及斑马鱼等，造模方法有去势法（双侧卵巢切除、双侧睾丸切除等）、药物致骨质疏松法（糖皮质激素、维甲酸诱导等）、营养法（低钙饮食、低钠诱导等）、失用法（机械固定法，悬吊法等），以及一些特殊类型的造模方法如基因法（α，β-雌激素受体或芳香酶基因敲除）、脑源性造模法（破坏大鼠下丘脑弓状核）等，有的用单一种方法，有的两种或多种方法联合使用（去卵巢联合糖皮质激素、糖皮质激素法联合低钙饮食等）。
OVX诱导大鼠骨质疏松模型



OVX诱导小鼠骨质疏松模型


05 痛风性关节炎和动物模型

简介

痛风性关节炎（goutyarthritis）是一种由尿酸代谢异常引发的炎症性关节病，血液中尿酸水平过高（高尿酸血症），导致尿酸盐结晶沉积在关节及周围组织，引发急性炎症反应。受遗传因素影响，多累及大脚趾（第一跖趾关节），也可波及踝、膝、腕等关节。关节组织周围出现红肿发热，伴随压痛。急性发作时，突发剧烈疼痛，常见于夜间或清晨。

自1990年以来，全球痛风患病率增长了22.5%（20.9–24.2%）。男性的痛风患病率是女性的3.26倍（3.11–3.39），而且患病率随年龄增长而增加。预计到2050年，全球痛风患者将增至9580万（8110万至1.16亿）。

MSU诱导痛风关节炎模型：

由于关节部位析出的尿酸钠晶体是造成痛风性关节炎的关键，所以现常用尿酸钠（MSU)诱导构建动物模型。


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