想做软骨损伤模型？EFL给你总结了三类建模指南

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关节软骨属于透明软骨，其组织代谢活性较低，创伤和手术等所致的软骨损伤或缺损难以自我修复或以纤维软骨、纤维组织所填充替代。为了重建软骨表面恢复关节功能，通常采用各种动物模拟临床实际情况进行研究，并取得了一定的进展。由于不同物种、不同部位间关节软骨的厚度、细胞密度、基质成分以及力学特征不同。因此需要全面了解不同动物关节软骨生物学和结构特征才能制造出更为理想的实验模型。

动物软骨损伤造模选择的动物有牛、狗、免、鼠等。由于牛、狗、猴等费用高，操作相对困难，实验适用度低，不宜用于普通动物模型研究。兔、鼠是目前普通选用的动物，适合各种模型研究。同时在部位选择上膝关节为重要的负重关节，此部位的软骨损伤最为普遍，当然也有髋关节软骨损伤的研究。其他关节软骨损伤研究较少。

本期EFL主要介绍关节软骨损伤动物模型的制作方法：人工诱发模型（手术法、非手术法）和自发模型两类，结合相关实际案例帮助大家能够更好进行动物实验建模。

01

人工诱发模型（手术法）

人工诱发模型通常采用切除或者切断关节周围稳定结构，模拟关节稳定结构平衡失调诱发关节软骨损伤。

（1）前交叉韧带或半月板切除法

建模方法：一般使用狗或猪作为模型。关节的不稳定会造成关节的退行性改变，从而导致关节软骨慢性退变损伤的发生。将膝关节前交叉韧带切断，可观察到实验肢体的发展过程和自然发生前交叉韧带破裂所致关节不稳定是一样的，并且其最后的肉眼病理表现与关节软骨慢性退变性损伤一样，出现滑膜增厚，软骨色泽改变，软骨表面糜烂，细胞成簇排列，骨赘形成等。将小型猪切除双膝外侧半月板，术后12周时，出现软骨细胞数量和蛋白多糖含量减少、成簇排列细胞数量增加、软骨厚度变薄，局限性软骨表面纤维化，股骨裸间切迹骨赘形成。切除前交叉韧带或半月板损伤的造模方法在病理结果方面一定程度是可以模拟关节软骨退行性变，但却不能模拟由创伤引起的急性软骨损伤。因为造模方法是直接切除前交叉韧带或半月板，所以也不能很好的模拟人骨性关节炎发生过程。

图1 关节软骨损伤建模及相关表征

原文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34400627/

（2）Hulth模型法

建模方法：手术切除兔膝关节内侧副韧带、内侧半月板、前后交叉韧带，术后不固定伤肢，任其自由活动，术后两周即可出现关节软骨层软骨细胞群聚，3个月后软骨面出现裂隙、破坏，5个月后出现软骨下骨质暴露、骨质增生、骨小梁骨折现象。改良方式：将动物于Hulth模型法术后7天进行驱赶，30min/d，2次/d，驱赶动物4周后即得明显的关节软骨损伤模型。该造模方法经改良后在破坏关节静力平衡的基础上。增加过量的活动，加快了软骨退变的发生，在一定程度上模拟了人外力引起关节失稳后软骨损伤的病理过程，但也是软骨退变模型，不能模拟急性运动创伤引起的软骨损伤。

图2 使用Hulth和MHCD方法对恒河猴的膝关节骨关节炎进行建模的方案

原文链接：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2021.727643/full

（3）关节软骨刻痕和钻孔法

建模方法-刻痕法：在家兔膝关节股骨裸负重区关节软骨处用锐器划痕，但不伤及到软骨下骨，10周后损伤软骨周围有软骨细胞聚集，软骨细胞间质丢失，软骨表面原纤维变性，深层软骨细胞成簇排列，伴有异染色质减少等病理性改变。转孔法：通过在实验兔后腿关节的股骨裸关节面部位用电动骨钻钻孔，在控制其直径4.5mm，深度为8mm，造成其关节软骨的缺损，制模后2、4、12、18周取出其股骨裸，缺损部位以纤维组织增生为主，底部及边缘可见骨组织和软骨增生，但镜下形态仍与正常软骨组织区别较大，表面仍未见软骨细胞爬行生长，且缺损部位不能通过自我修复达到自愈。此外在兔子膝的簇骨中心和股骨内侧裸造成直径2mm的薄层软骨缺损，在股骨裸间窝造成直径3mm的全层软骨缺损。造模后，不采取任何措施，自由饲养。分别在术后4周、8周、12周取材，对缺损区域的修复组织进行肉眼、免疫组化及电镜观察，采用软骨组织形态学评分方法来评价软骨缺损的修复质量，结果家兔后腿膝关节关节面的关节软骨损伤后，有纤维软骨修复，但无透明软骨出现，与人膝关节软骨缺损后的修复情况相似，通过局部损伤的方法造成兔膝关节关节软骨缺损，可作为研究关节软骨损伤修复研究的动物模型。该法能够模拟运动损伤引起的软骨损伤病理过程，造模容易进行，无其他复合造模因素，容易达到规范化，可重复性好。

图3 刻痕法导致关节软骨弥漫性变薄或软骨完全丧失

原文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31034077/

02

人工诱发模型（非手术法）

非手术法主要包括关节制动和关节腔内药物注射法。

（1）关节制动法

建模方法：当动物的下肢关节机械制动一段时间后局部不论是否施以外加压力，关节软骨均可出现与临床相似的关节慢性退变性损伤改变。制动肢体的位置可分为伸直位、屈曲位、中间位等。家兔膝关节制动60天后，由制动所造成的大部分关节软骨损伤变化无法逆转，若制动不超过30d，只要表面的圆形突起未完全破坏，切线层纤维束未暴露，病变则有恢复的可能。家兔膝关节伸直位制动7-14天后，关节软骨即出现早期退变损伤，28d后出现关节软骨中度退变损伤，42d后则出现严重的退变损伤，p53在此过程中发挥了重要作用。该方法通过制动，影响关节软骨的应力分布和关节液对关节软骨的营养代谢作用，诱发其退变。

图4 关节制动法导致关节软骨损伤示意图

原文链接：

https://www.msdmanuals.com/professional/multimedia/figure/joint-immobilization-as-acute-treatment-some-commonly-used-techniques

（2）关节腔内药物注射法

建模方法：关节腔内药物注射法于兔颞颌关节内注射0.3ml 1.6%木瓜蛋白酶溶液，1周后重复1次，注射后2周即可见软骨损伤退变、骨质增生。胶原酶早期可引起兔膝关节关节软骨破坏及关节组织炎症，晚期出现关节软骨损伤退化。将糖酵解抑制剂单体碘乙酸注人大鼠膝关节，1周内软骨细胞区域性变性坏死，在胫骨坪台和股骨裸处还可出现软骨的全层性损伤改变。透明质酸酶、软骨碎片或异物、软骨微粒、菲律宾菌素、肾上腺皮质激素等注人动物关节腔内也可导致关节软骨慢性退变性损伤。该类造模方法操作简便，模型容易复制，但也属于退变模型，不能模拟急性软骨损伤。

图5 纳米材料注射软骨修复示意图

原文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30605736/

03

自发模型

（1）Hartley豚鼠

建模方法：12个月龄繁殖低下的雄性Hartley豚鼠膝关节可出现软骨表层不平整，表层软骨细胞丢失，胶原不同程度的溶解、断裂和排列紊乱，糖胺聚糖分布异常，与人类骨关节炎具有进似的病理改变。豚鼠骨关节炎病程进展缓慢，软骨基质的病变程度与负荷成正相关。12和18个月龄雄性Hartley豚鼠关节软骨重度病变降解损伤，可作为原发性软骨损伤骨关节炎动物模型。

图6 关节软骨损伤与修复示意图

原文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33301899/

（2）C57黑鼠

建模方法：C57黑鼠具有自发形成骨关节炎的特性，但与人骨关节炎存在一定的差异，几乎无关节软骨的微纤维化，关节软骨剥离脱落呈腐蚀状。软骨细胞无集簇形成，无骨棘形成。滑膜炎症不明显，骨关节炎进展过程中不伴有软骨糖胺多糖和合成的增加。12周龄C57黑鼠软骨表面破溃，软骨细胞丢失，但有集簇现象，运动负荷可加速黑鼠膝关节软骨退变性损伤。该模型通过增加关节的活动量和活动时间加速软骨退变。

图7 关节软骨类器官模型构建及表征

原文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33894352/

（3）B6C3F1栗鼠

建模方法：以脚尖行走，踝关节可发生肿胀、僵硬，关节软骨面不规整、龟裂，软骨细胞数目减少，排列紊乱，软骨边缘不正常增生，甚至出现关节融合，与人类关节软骨慢性退变损伤性骨关节炎的病理变化性相似。该模型能够在发病机理和病理方面较好模拟软骨退变的过程，是软骨退变较好的自发模型。

图8 关节软骨表层修复表征

原文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33757903/

软骨损伤模型多种多样，本文简单介绍了人工诱发模型（手术法、非手术法）和自发模型建立方式。关节软骨损伤是骨科临床常见病，临床尚缺乏根治措施，建立动物模型是研究关节软骨损伤发病机制、预防延缓损伤和修复治疗的必要手段。

关节软骨损伤动物模型的制作方法可分为人工诱发模型和自发模型两类，人工诱发模型可通过手术和非手术方法诱导关节软骨损伤的产生，自发模型即实验动物未经过任何有意识的人为处理，在自然情况在人工诱发模型中，手术关节内诱发可在较短时间造成关节软骨损伤模型。但由于此类模型属关节内干预，造模时的出血、创伤及炎症易影响早期软骨、滑膜的生化代谢，对实验存在一定干扰，并且要切开关节存在关节化脓性感染的可能，若利用关节镜技术行关节内诱发可以减轻造模时的出血、创伤、炎症和避免感染机会。

非手术关节外干预模型虽可用于观察关节软骨损伤早期病理改变及研究药物对关节软骨损伤病变的影响，但真正用于关节软骨损伤病变修复治疗的研究却很少，有待于进一步深人探索。关节内注射化合物造成模时间长但更适合关节软骨慢性退变性损伤的病理机制和各种方法防治疗效的比较研究。

总之，诱发性关节软骨损伤动物模型的建立方法很多，在选择模型时应根据临床需要和对关节软骨损伤发病机制的某个方面进行研究需要以及后续实验研究的需要来进行综合考虑，以选择和建立相适应的关节软骨损伤动物模型。

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