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骨關節炎(osteoarthritis, OA)是中老年人常見的一種慢性進行性疾病。是由于關節軟骨退行性改變(退變)和關節表面邊緣形成新骨的退行性病變，其病因、分子生物學、早期診斷和治療均存在問題，需要進一步研究。骨關節炎動物模型無疑是研究人類骨關節炎病理機制和防治方法的良好工具。骨關節炎動物模型有的是自發的，也可通過關節制動、手術改變關節應力、破壞關節血液循環、關節內藥物注射、關節內植入軟骨碎片等方法建立。

1 自發性動物模型

(1)C57BL小鼠  自從20世紀40年代Silberberg先發現C57BL小鼠具有骨關節炎特征以來，有研究報道已經對C57BL小鼠的這種特征進行了動態病理組織學研究。該小鼠3個月齡時關節軟骨基質中糖胺聚糖染色性降低；6個月齡時60％小鼠關節軟骨可出現Ⅰ度骨關節炎改變，主要表現為半月板游離緣附近的關節軟骨表面不平整，排列在表層的扁平軟骨細胞脫落、消失，軟骨下骨小梁密度改變；18個月齡時小鼠均可出現Ⅰ度以上的骨關節炎改變，其中18％的小鼠出現Ⅱ度骨關節炎改變，9％出現Ⅲ度骨關節炎改變。該自發性模型與人類骨關節炎的差異主要表現為，其沒有關節軟骨的微纖維化，關節軟骨剝離脫落呈腐蝕狀，軟骨細胞無集簇及骨刺形成，滑膜炎癥不明顯；骨關節炎進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功能缺乏或受到抑制。已有研究證實，給 C57BL小鼠飼喂高脂飼料，可加速其關節的退行性病變。

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

2 誘發性動物模型

2.1 機械制動模型

當模型動物的下肢關節機械制動一段時間后，局部不論是否施以外加壓力，關節軟骨均可出現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。研究發現家兔膝關節制動60d后，由制動所造成的大部分關切軟骨的變化無法逆轉。若制動不超過30d，電鏡下關節表面的圓形突起未破壞，切線層纖維束未暴露，病變則有恢復的可能。若制動時間超過30d，則可導致關節的進行性破壞。若以屈曲位制動，則因減少了橫跨膝關節的肌肉的收縮，可導致關節骨的萎縮性變化；若以伸直位制動，則限制了關節的運動、肌肉、關節囊收縮，對關節面產生了過度壓力，可導致0A的發生。實驗研究進一步表明，短于4d的關節制動，即具有的病理積累作用，無論是短期的反復制動或是持續制動。 Okazaki等實驗研究也表明，家兔膝關節伸直位制動7～14d后，關節軟骨即出現早期退變，28d后出現關節軟骨中度退變，42d后則出現嚴重的退變，并發現P53mRNA在此過程中發揮了重要作用。故有人認為將兔膝關節于伸直位制動5～6周，即可得到0A動物模型。

2.2 手術方法制作骨關節炎模型

(1)復制方法  取膝內側切口切除家兔髕下脂肪墊后，沿髕骨內外緣切除關節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，結扎并切除1.5cm的血管，術后家兔自由活動。

(2)模型特點  術后30d，光鏡見髕骨表面近遠兩端有丘狀新生骨形成，并伸入腱附著區內，為編織狀骨；髕骨關節中，髕軟骨的軟骨細胞層次清楚、完整，但髕骨近遠端處軟骨變薄，層次紊亂，有的部位只見纖維組織覆蓋于松質骨表面；術后60d，髕骨表面新生骨漸趨成熟；術后90d，新生骨表面發育為正常骨皮質，其下面出現骨髓腔，新生骨下原髕骨皮質內髓腔化明顯。術后60d，股四頭肌腱和髕腱內出現肥大、核圓的軟骨細胞，基質無鈣化，90d時形成片狀軟骨灶。

(3)比較醫學  骨關節炎的發生機制復雜，一般認為是多因素綜合所致。繼發性骨關節炎中，關節應力的改變及關節局部血供的異常是重要原因。因此，運用使關節失穩或改變應力或減少關節血供造成靜脈回流不暢，均可造成與臨床相似骨關節炎模型。但不同種動物及不同方法造成的骨關節炎模型，其病理表現不盡一致。如鼠的關節幾何形狀與人類并不相同，此外小鼠軟骨中不含硫酸角質素，而人類關節軟骨內此物質隨年齡增加而增多；如以大鼠或小鼠等嚙齒類動物作為模型，則分析實驗結果時應考慮上述差異。研究骨關節炎的病理進程、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。

常用骨關節炎動物模型手術方法分類：

1)破壞關節穩定性  破壞關節穩定性是目前國外常采用的一種OA造模方法。關節穩定性是保持關節正常結構和功能的一個重要因素。若關節不穩，必使關節各結構的動態平衡失調，從而使關節發生退行性改變。常用的造成關節不穩的手術方法主要包括：切斷內側副韌帶、切斷前、后交叉韌帶，切除內側半月板及切除髁、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側半月板造成關節失穩，手術后見關節滑膜增厚，軟骨表面糜爛，細胞成簇排列，骨贅形成，關節軟骨中黏蛋白減少，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，軟骨細胞合成的黏蛋白中含有更多的硫酸軟骨素。切斷雙后肢內側副韌帶及膝前內側筋膜擴張部，并在斷端處修剪去除約2mm，造成小鼠雙后肢外翻畸形，術后2d放于拖箱內，每天趕其行走30m，2周后，光鏡見軟骨厚度變薄，電鏡軟骨細胞有明顯的外形改變，表明軟骨細胞處失代償期；造模4周，軟骨厚度顯著變薄，電鏡見軟骨細胞變形嚴重呈不規則狀，胞質內充滿脂滴、糖原顆粒及微絲，細胞器外形模糊，細胞核深度凹陷變形，細胞旁出現嗜鋨性脂肪碎屑，基質內膠原纖維顯露明顯且較正常為粗，結構松散紊亂；手術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合，成功地誘發膝關節骨關節炎，且認為該模型制作期限合理，病灶典型。術后3周就出現了骨關節炎的早期改變，包括軟骨細胞排列紊亂，表層輕度糜爛，可見散在的軟骨細胞簇及局部潰瘍。術后6周出現了明顯的骨關節炎癥改變，6周X線顯示了關節間隙異常及脛骨上端變形。從而表明關節的不穩定是造成關節軟骨破壞，形成骨關節炎的原因。將鼠或兔內側半月板切除30％～50％，同時，讓其自由活動，成功地復制出OA模型，且認為這種造模方法對研究OA關節軟骨細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后造成動物OA模型進行研究發現，改變兔膝關節動力裝置在實驗動物OA產生過程中并不是起關鍵的作用。

2)降低關節應力  研究表明在OA的發生機制中，缺乏負重可能是重要環節之一。由低應力導致的軟骨退變早期，軟骨細胞缺乏骨退變中常見的代償性增生表現，說明低應力可能對軟骨退變修復有抑制作用。國內顧氏等將大鼠一側后肢跟腱切除約2mm，術后允許動物自由活動，術后1周至1個月，軟骨未見異常改變；術后2個月，部分軟骨出現裂隙，多集中于軟骨的淺表，正常軟骨細胞柱存在，有少量固縮的軟骨細胞；術后3個月軟骨裂隙增多，有些可深達鈣化層，部分區域有軟骨小片缺損，軟骨細胞排列紊亂，較多軟骨細胞發生退變，并有空陷窩出現，某些區域有軟骨細胞族出現；術后5～8個月，上述改變程度更明顯，軟骨細胞柱正常形態消失。

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

2.3 藥物注射誘發骨關節炎模型

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、髖關節中，并加以局部制動，觀察到關節軟骨退行性變的發生。楊氏等用1.6％Papain 0.3ml注入日本大耳兔顳頜關節控制內，2, 4, 6周后，分別進行病理學觀察，發現關節軟骨變薄，表面糜爛、腐蝕，軟骨細胞壞死，軟骨基質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，且易于復制。同樣，用4％Papain 0.3ml注射到家兔髖關節中也成功地復制出OA模型，且骨關節炎發生時間短，重復性好。

2.膠原酶  膠原酶是一種金屬蛋白酶，能夠分解細胞間基質的膠原蛋白。Kikuchi等利用膠原酶注入兔膝關節腔內，6周后發現骨的邊緣比中間更為嚴重，軟骨的退變隨時間的推移而逐漸加重，且與膠原酶劑量呈正相關，這種關節軟骨的退變與人類OA病理相類似，并認為在短時間內這種造模方法比木瓜蛋白酶更易誘導OA。

3.雌二醇  雌二醇可導致關節軟骨受損，實驗研究發現，在家兔和狗的關節軟骨細胞內存在17-β雌二醇受體，表明雌激素與OA發生有密切關系。Tsai等將雌二醇按0.3mg/(kg·d)的劑量注入兔膝關節腔內，9周后發現兔股骨髁表面關節軟骨變薄，軟骨面龜裂、纖維化；12周后關節軟骨侵蝕破壞擴展到鈣化層，軟骨下骨外露，電鏡掃描進一步提示，軟骨細胞變形嚴重呈不規則狀，細胞核深度凹陷窩出現及囊泡形成。

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

2.4 骨關節炎轉基因動物模型

(1)復制方法  OA是一種由多種原因所致的慢性退行性關節病變，以關節軟骨變性、破壞及骨質增生為主要特征。主要復制方法是：通過轉基因和基因敲除技術獲得自發性OA動物模型。

(2)模型特點  ①Ⅱ型前膠原基因缺陷小鼠模型  正常軟骨基質膠原以Ⅱ型為主，Ⅱ型膠原合成障礙與OA發病有關。OA軟骨細胞Ⅱ型膠原合成功能受損，Ⅰ型膠原合成增加，因此，OA關節軟骨膠原纖維構成更近似于皮膚和骨的膠原纖維，從而導致軟骨表層膠原纖維直徑變大，分布不規則，對軟骨的保護作用減弱。據報道Ⅱ型前膠原基因點突變(半胱氨酸取代519位精氨酸，Arg→Cys 519)可導致家族性的OA，具全身性、侵蝕性及早發的特點，呈常染色體顯性遺傳，并伴有輕度的脊柱軟骨發育不良。對兒童早發OA病例的調查也發現同樣的點突變。表達人突變Ⅱ型前膠原基因(Arg→Cys 519)轉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，軟骨細胞高爾基體囊擴張。以上改變類似于含Ⅱ型前膠原(COL-A1)突變基因患者所表現出的早發全身OA和軟骨發育不良。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育異常類似，表現形式多樣，可出現軟骨基質膠原纖維數量減少、軟骨細胞粗面內質網擴張、生長發育障礙，骨密度減低、易于骨折等；而高齡小鼠(15個月)則表現出典型的OA樣軟骨退行性變。研究發現，含失活的COL-A1等位基因的小鼠在15個月齡時，OA的發生率為60％～90％，而正常對照組只有20％～45％(P<0.01)。踩輪運動能降低其OA的發生率，但對正常小鼠OA的發生無影響。這可能與運動使關節軟骨膠原纖維網重排和加強有關。

②雙糖鏈蛋白多糖P纖維調節素相關基因缺陷小鼠模型  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。纖維調節素是Ⅱ類SURP，在骨、軟骨組織和肌腱中表達較高。研究表明，雙糖鏈蛋白多糖基因敲除小鼠骨前體細胞形成障礙且對TGF2β反應低下，膠原合成減少，細胞凋亡增加。雙糖鏈蛋白多糖P纖維調節素基因聯合缺陷小鼠肌腱膠原纖維在結構和機械性能上均發生改變，引起關節不穩定，出現步態改變、肌腱異位鈣化，導致發生嚴重早發并快速進展的OA；如受累關節被迫運動，則病理改變更為明顯。

(3)比較醫學  臨床人類骨關節炎發病與年齡、體重、炎癥、外傷、遺傳等多種因素有關，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，來開展其發病機制、藥物治療方面的實驗研究是研究OA的重要方法之一。