动物造模 | 怎样造出更符合临床的股骨头坏死模型

宋宋030688

股骨头坏死 (osteonecrosis of the femoral head，ONFH) 是骨伤科疾病中发病率较高的一类进展性疾病，严重威胁人类健康和生活质量。在一些国家 ONFH 已占骨伤科疾病的将近 30%，国内目前患ONFH 疾病的人数已经达到500万-700万人，每年新增加病例在 15 万-20 万。

股骨头坏死的疾病进展机制

ONFH 实质上是一个病理演变过程，该疾病初始发生在股骨头的负重区，在异常应力的作用下从负重区骨小梁结构开始出现损伤，也就是常说的骨小梁“微骨折”。随后损伤的骨组织进行修复，在致病因素一直存在的情况下，小梁结构损伤和修复反复进行，从而导至股骨头内骨小梁结构的改变、股骨头塌陷以及关节炎症，最终出现功能障碍的过程。

当今社会人们在快节奏的生活中，由于创伤、长期大量饮酒和过度使用激素等因素，ONFH 的发病率逐年升高。而且当前又缺乏有效的治疗手段，很多患者因为不当的治疗导至病情的恶化最终形成 ONFH 后期的股骨头塌陷同时合并形成髋部的关节炎，严重影响患者的正常生活。

股骨头坏死的临床致病因素

ONFH 在临床上最常见的病因是创伤因素。创伤性 ONFH 一方面是由于股骨颈骨折、髋关节脱位等髋部外伤导至的机械性血供中断、股骨头血液供应受阻；另一方面是由于髋部手术后复位不良导至髋关节周围的生物力学环境改变，最终造成 ONFH。

非创伤性 ONFH 在临床上的发病率也在逐年升高，主要包括糖皮质激素的过度使用、长期大量饮酒、血管内凝血以及各种免疫系统疾病等因素，其中激素性ONFH 近年来发病率极高，这主要是因为目前医疗领域对于糖皮质激素的过度使用；随着社会的发展和进步，饮酒成为人们社交中必不可少的一种方式，饮酒过度、长期嗜酒可造成慢性酒精中毒从而引起股骨头骨组织坏死最终形成酒精性ONFH。

研究现状

ONFH 是骨科疾病中较为常见的一类，国内外对于ONFH 的研究很多，许多学者就发病机制提出了多种学说， 但是没有一种学说是被大家广泛认可的，而且尚未发现一种可以修复或者治愈 ONFH 的理想方法，仍需要对该疾病的致病因素、发病机制、治疗方法等进行深入研究，通过建立一种理想的动物模型来对 ONFH 进行研究是十分必要的。

目前国内外报道有关动物模型的文献不多，主要还是集中在一些比较成熟的建模方法，尚缺乏一种理想的动物模型来高度模拟临床上 ONFH 的病变过程，故 ONFH 动物模型仍然是一个需要不断完善和改进的难点。目前用于模拟 ONFH 所建立的动物模型种类繁多，为相关研究提供参考，帮助研究人员根据不同实验目的快速准确地选择合适的动物模型。

实验动物的选择

ONFH 动物模型在实验动物的选择上，首先要考虑所选实验动物要尽可能与人类的解剖学、 基因相似性、生理学、生物力学等特点相近；其次要考虑 实验动物的伦理、来源、价格、饲养难易程度、造模操作 难度等问题，根据实验需求选择最合适的实验动物；而且 还要考虑将造模周期、可重复性、成功率、动物死亡率、 评价指标等都控制在最优的状况下；同时最重要的一点是 所选择的实验动物在建立动物模型后能够较完整的模拟出人类 ONFH 从早期到晚期 ONFH 发生发展过程及病理、生理改变并且坏死区域与人类 ONFH 位置相似，同时在坏死区域修复过程中模型动物股骨头周围生物力学环境也应与 人类相似。

目前用来建立 ONFH 的实验动物按照负重方式主要分为双足动物和四足动物两大类，其中双足动物中常用的有禽类，如鸡、鸸鹋；哺乳动物类，如袋鼠、猿猴等；四足动物主要包括一些小型和大型哺乳动物，如小鼠、大鼠、兔子、绵羊、猪、狗等。双足动物模拟 ONFH 最大的优势是与人类的负重方式较为相似，这类动物的特点就是双下肢负重比较符合人类 股骨头周围的生物力学环境，突出生物力学在 ONFH 病程中的作用；这类动物 ONFH 的病理变化更接近人类而且病变的进程也与人类更为相似。

ONFH 用于建模的四足动物一般都是哺乳动物，与人类的基因有较好的相似性。目前最常用的是大鼠和兔子这 两类中小型实验动物，因为其价格合理、易于获取、饲养简单。大鼠的基因与人类基因的相似度高达 90%，骨组织发生坏死的机制和病理过程也与人类非常相似。由于大 终身保持骺软骨，常用来模拟临床上的儿童股骨头骨骺坏死；大鼠易于灌胃，因此可以利用灌胃法来制备酒精性 ONFH 动物模型；在激素性 ONFH 模型中，大鼠也是十分常用的，因为大鼠体型较小、容易抓取、操作简 单。选择大鼠作为模型动物造模的缺点是由于其特殊的生 理结构，不容易出现 ONFH 后期的股骨头塌陷。兔子体型适中、易于饲养、方便麻醉而且股骨头相比大鼠来说更大一些，易于观察和取材。在 ONFH 疾病模拟中主要用于建立激素性 ONFH，其缺点也是非双足动物，股骨头负重和周围生物力学环境与人类相异，在制备激素性 ONFH 模型时其关节面较完整，病理特征一般和人类 ONFH 早期相类似，不容易形成激素性ONFH 后期的股骨头塌陷，整体病程不符，病理变化的差别也很大。犬、羊、猪等大型动物的体型较大，关节腔隙大，容易进行手术操作，比较适合手术方法造模，例如复位不良造成的 ONFH 模型、结扎股骨头周围血管造成的 ONFH 模型、液氮冷冻制备 ONFH 动物模型等。但是大型动物的缺点是价格较贵、不易于获取、难于饲养、麻醉和手术操作比较复杂。                          

常见造模方法及分类

创伤性 ONFH 模型

创伤因素是引起 ONFH 的一个很重要的病因，临床上创伤性 ONFH 主要是由于股骨颈骨折或者脱位后，股骨头周围的血管受到破坏导至血液供应不良甚至中断，造成股骨头周围缺血头部骨组织形成坏死；或者股骨颈骨折后手术复位不良导至股骨头周围应力失衡，骨小梁开始发生微骨折然后骨组织不断修复再生从而形成 ONFH。因此在造模方法上可以把创伤性动物模型分为两大类：一种是由于股骨头周围血液供应受阻或中断引起的缺血性 ONFH 动物模型；一种是由于复位不良导至股骨头周围应力改变形成的复位不良 ONFH 动物模型。

1、缺血性 ONFH 动物模型

缺血性 ONFH 是由于髋部受到不同程度的创伤后，股骨头周围的血管被破坏导至血液供应不良甚至中断形成股骨头及其周围组织的缺血，从而形成的坏死。此类模型的主要造模方法是对实验动物髋部进行手术操作，暴露髋关节后对股骨头周围血供进行阻断，例如对股骨颈周围血管进行结扎、切除股骨头圆韧带等。相关学者通过切断大鼠股骨头圆韧带以及其余股骨颈环形骨膜组织来建立大鼠缺血性 ONFH 模型，对大鼠圆韧带进行切断从而阻断股骨头血供，随后结扎股骨头周围血运，实验结果发现，正常饲养一段时间后大鼠出现了ONFH 的病理、生理改变，但是和人类 ONFH 后期的病理改变进程还有一定的差距。此造模方法适用于模拟临床上创伤后股骨头周围血运受到破坏所导至的 ONFH，优点是病因与临床上由于创伤引起的 ONFH 相似，应用范围广、成模率高；缺点是手术操作复杂，对实验动物造成的创伤较大，死亡率较高等，而且不能完全模仿人类 ONFH 病理生理全过程，一般不会出现 ONFH 后期的塌陷等表现，而且此造模方法容易造成股骨颈骨折，不利于后期治疗效果的研究。

2、复位不良 ONFH动物模型

主要方法：是在无菌条件下将实验动物股骨颈锯断，然后将股骨头扭转一定角度后进行复位，造成手术后复位不良，最终形成 ONFH。有研究者 对 8 只实验犬进行股骨颈骨折处理，然后进行不精准复位，造模后相同环境下饲养一段时间，行影像学检查，股骨头均出现不同程度的坏死表现，所有实验犬均出现骨折不愈合或者畸形愈合，病理切片也显示出骨坏死的典型表现。

评价：该方法主要用于模拟临床上由于复位不良引起的 ONFH，适用于研究生物力学因素对 ONFH 进程的影响。优点是能够较真实地还原人类该类型坏死的发病机制；缺点是手术操作难度较大， 对动物造成一定创伤，一致性和可重复性较差。

激素性 ONFH 模型

随着社会的发展，当前在临床治疗上激素的使用越来越广泛，而且一些疾病需要长期使用激素， 因此激素性 ONFH 的发病率也是逐年增长，成为非创伤性ONFH中发病率较高的一种，占 ONFH 总发病率的 50%。

激素性 ONFH 分为单纯激素造模法和激素联合其他物质造模法，通过和其他实验动物的对比发现，实验兔具备成本低、饲养简单等优点，是激素性 ONFH 造模的最佳选择。该类模型主要适用于临床上长期大量使用激素所导至的 ONFH，优点是操作简单，实验动物易于获取，一致性和可重复性好； 缺点是造模周期较长，成模率不高，坏死部位不完全集中在股骨头等。

1、单纯激素造模

实验室造模常用的激素有甲基强的松龙、醋酸甲基泼尼松龙、地塞米松、氢化泼尼松，有学者对几种类型的激素造模情况进行了相关研究，研究显示醋酸甲基泼尼松龙对ONFH 的致病作用最强 。主要造模方法相对简单，在一段时间内连续对实验动物进行激素给药，根据不同实验的目的选择不同的给药剂量、方式和种类。

2、激素联合其他物质造模

在实验研究中，激素性ONFH 可以单纯运用激素进行造模，也可以用激素联合一些辅助剂进行造模，运用激素添加辅助剂造模可以先用辅助剂造成机体的功能异常再使用激素，这样能够更贴切地模拟出临床上激素性 ONFH 的发生过程，更符合临床上激素性 ONFH 的发病机制。此外，有研究表明，激素性 ONFH 不止和激素的使用有关还和使用激素前免疫系统出现异常有一定关联，因此一些研究添加辅助剂如内毒素、异种动物血清等，引起免疫反应形成免疫系统的异常，从而导至局部骨组织微循环障碍 ；然后开始使用激素来进行干预治疗，激素的使用会加重骨组织微循环异常，这样会更快速、高效地形成ONFH，提高造模的成功率，此方法的造模成功率可达 70%。在研究临床上高免疫状态下大剂量使用激素所造成的 ONFH 时，可选用激素联合马血清的方式进行造模。

酒精性 ONFH 模型

目前，酒精中毒已经成为在非创伤性 ONFH 中继过度使用激素以外又一大致病因素。虽然之前很多国内外相关研究已经证明饮酒与ONFH 有关，但是关于酒精性 ONFH 的机制尚未明确。此类疾病是由多种机制共同作用的结果，其病理基础为骨内微循环障碍，目前这些学说还没有一种能够得到大家的广泛认可，不能够完整地解释酒精性ONFH 的病理过程。通过酒精灌胃造模适用于模拟临床上由于乙醇摄入过度引起骨坏死的患者，探究饮酒过度造成脂代谢紊乱的相关研究。优点是通过灌胃造模对动物造成的损伤较小，操作方便，能够较完整地模拟出临床上该类型疾病的发病机制；缺点是乙醇浓度没有统一标准，浓度把握不好容易造成动物死亡率高，坏死部位不完全集中在股骨头等。

物理法

如果实验目的只为研究ONFH 的治疗和预后等方面，而且需要快速且大量建立 ONFH 动物模型，那么采用物理方法是不错的选择。液氮冷冻 ONFH 动物模型是比较常见的物理造模方法。有研究者采用 12 只成年比格犬进行建模，主要方法是暴露髋关节，将股骨头脱位后切断圆韧带，然后将股骨头裹在一个特定的漏斗里，用液氮对股骨头冷冻 3 min，然后恢复正常体温，注意用纱布保护周围组织避免冻伤；实验后8 周左右， 实验犬股骨头出现了塌陷。虽然此方法造模周期较短，动物死亡率低，可以作为一种造模方式，但是犬是四足动物，并且股骨头负重情况和损伤机制与人类有不同之处，因此也有学者用鸸鹋进行此方法造模。而后国内有大量学者对此方法进行改良，采用钻孔后将液氮注入股骨头造成 ONFH 的方法进行造模，这样既可以减少由于对实验动物造成股骨头脱位的创伤从而降低实验动物死亡率，也可以明显提高 ONFH 的造模成功率。

化学法

化学方法建立 ONFH 动物模型主要是通过某些化学物质对股骨头内部结构造成化学灭活从而形成病变，国内外有很多关于化学方法建立 ONFH 动物模型的相关研究。此类方法也有国内学者用鸸鹋来进行造模，因为鸸鹋和人类一样是双足站立，因此髋关节具有与人类相似的生物力学特点，在模拟人类临床 ONFH 疾病上更为贴近。采用 20 只鸸鹋进行造模，主要方法是用特制的探针向鸸鹋股骨头的负重区域注入无水乙醇，对骨细胞等进行灭活形成 ONFH，实验结果表明实验组鸸鹋在出现不同程度骨坏死的同时还有重建性的骨修复反应。该方法造模优点是成模时间短、成功率高，操作简便，重复性高；缺点则是会在股骨头内残留一些化学物质影响实验结果，而且同物理方法建模类似，由于不符合临床 ONFH 疾病的发病过程因此只能用于 ONFH 治疗和预后方面的相关研究，不能用于发病机制的研究。

小结

综上所述，ONFH 动物模型已经用于相关研究多年，确实提高了对这种此类骨科疾病的理解和研究。但是，目前ONFH 的相关研究仍然需要进一步深入探索，可通过建立更理想、更完善的动物模型在此研究领域实现新的突破。