顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的實(shí)驗(yàn)動物建模研究進(jìn)展*

王悅 高文莫 耿威

顳下頜關(guān)節(jié)為頜面部唯一的雙側(cè)聯(lián)動關(guān)節(jié)，在咀嚼、吞咽、語言、下頜運(yùn)動中均發(fā)揮著重要作用。人群中顳下頜關(guān)節(jié)紊亂?。╰emporomandibular disorders,TMD）發(fā)病率可達(dá)到5%-12%［1］，其中顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎（temporomandibular joint osteoarthritis，TMJOA）是最常見且進(jìn)展最為嚴(yán)重的階段。TMJOA，也稱為顳下頜關(guān)節(jié)退行性變，是由于關(guān)節(jié)表面的宿主適應(yīng)能力下降和/或關(guān)節(jié)的功能過載超過正常適應(yīng)能力而導(dǎo)致的功能性重塑，是一種低炎性關(guān)節(jié)炎疾病，主要臨床表現(xiàn)為關(guān)節(jié)彈響、疼痛，下頜運(yùn)動受限，及影像學(xué)可見的關(guān)節(jié)變形［2］；其主要特征為關(guān)節(jié)軟骨磨損變薄，軟骨下骨硬化及骨贅形成［3］，常見治療方法包括保守?zé)o創(chuàng)的物理療法、咬合夾板療法、藥物及手術(shù)治療［4］，但其早期診斷以及精準(zhǔn)治療尚未解決。

動物模型可以幫助研究者更深入了解顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制及相關(guān)信號通路的改變，進(jìn)而探索早期診斷生物標(biāo)志物及治療靶點(diǎn)藥物。但由于建模方法多樣，研究者在選擇時常常會陷入困惑。目前主要的動物建模方法包括以下幾種：1）外科模型；2）化學(xué)誘導(dǎo)模型；3）咬合改變模型；4）基因改變模型［5,6］。本文將回顧近年來相關(guān)動物研究進(jìn)展，并探討不同建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，為幫助研究者選擇合適的建模方法提供參考。

1.實(shí)驗(yàn)動物的選擇

不同種類動物的顳下頜關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)及下頜運(yùn)動方式與食性息息相關(guān)。因此在選擇實(shí)驗(yàn)動物時，應(yīng)首先選擇食性與人類接近的動物，雜食性動物常被作為實(shí)驗(yàn)動物。

恒河猴作為與人類最接近的雜食性動物，除關(guān)節(jié)后窩有明顯隆起外［7］，其顳下頜關(guān)節(jié)的解剖形態(tài)與結(jié)構(gòu)與人類接近，是理想的動物模型，但由于來源以及費(fèi)用等原因，目前使用恒河猴建模的TMJOA 相關(guān)研究數(shù)量有限［8,9］；小型豬髁突、關(guān)節(jié)盤及關(guān)節(jié)周圍肌肉韌帶附著與人類一致，關(guān)節(jié)可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動，但由于其關(guān)節(jié)后區(qū)無關(guān)節(jié)后壁［10］，髁突后退幅度較大。小型豬的咀嚼模式與人類相近，是模擬人類顳下頜關(guān)節(jié)形態(tài)和功能最好的非靈長類動物模型［11,12］；鼠類是最常用的雜食性實(shí)驗(yàn)動物［13-16］，盡管其顳下頜關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)與人類存在差異，如關(guān)節(jié)窩較淺且平坦、無關(guān)節(jié)隆起［17］、髁突前后徑大于內(nèi)外徑［18］，主要進(jìn)行前伸運(yùn)動［19］。但鼠類在咀嚼時關(guān)節(jié)盤受到微弱的壓縮力，與人類顳下頜關(guān)節(jié)特征相似。由于鼠類性價(jià)比高，在進(jìn)行重復(fù)性研究時具有較大優(yōu)勢。

肉食性和草食性動物有時也會用于顳下頜關(guān)節(jié)相關(guān)研究。比格犬是最常用的肉食性動物［20,21］，其關(guān)節(jié)間隙較小，較少進(jìn)行滑動運(yùn)動［20］。其關(guān)節(jié)運(yùn)動模式相對于雜食性動物較為單一，與人類存在一定差異，不能較好地模擬顳下頜關(guān)節(jié)的應(yīng)力；目前已用于TMJ 相關(guān)研究的草食性動物有羊、兔［22,23］等。兔子顳下頜關(guān)節(jié)無關(guān)節(jié)后壁，關(guān)節(jié)后部無骨骼保護(hù)，僅被一薄層肌肉及滑膜組織覆蓋。與人類關(guān)節(jié)盤由致密排列的膠原纖維組成不同，兔子關(guān)節(jié)盤含有分化良好的軟骨組織［24］。草食性動物關(guān)節(jié)運(yùn)動有限，主要進(jìn)行平移運(yùn)動，關(guān)節(jié)盤糖胺聚糖含量更高，壓縮特性更強(qiáng)［25］，與人類存在一定差異。綜上，由于實(shí)驗(yàn)成本低，易于操作等眾多優(yōu)點(diǎn)，目前大多數(shù)學(xué)者選用鼠類作為實(shí)驗(yàn)動物。

2.外科模型

外科手術(shù)前移關(guān)節(jié)盤、切除部分關(guān)節(jié)盤或造成關(guān)節(jié)盤穿孔可以迅速誘導(dǎo)TMJOA。早前有學(xué)者通過手術(shù)打開關(guān)節(jié)囊改變關(guān)節(jié)盤前后附著來前移關(guān)節(jié)盤，但使用該種方法前移關(guān)節(jié)盤的程度無法量化，建模的一致性無法得到有效評價(jià)，因此現(xiàn)有研究多通過縫線或彈簧前拉關(guān)節(jié)盤，以進(jìn)一步提升建模的一致性［26］，研究發(fā)現(xiàn)髁突軟骨退行性變的嚴(yán)重程度與關(guān)節(jié)盤前移量及拉伸力呈相關(guān)關(guān)系，退行性變主要發(fā)生于關(guān)節(jié)后區(qū)，這可能與關(guān)節(jié)盤前移后關(guān)節(jié)后區(qū)承受應(yīng)力較高有關(guān)；Liu X 等通過切除小鼠關(guān)節(jié)盤的方法構(gòu)建TMJOA 模型,發(fā)現(xiàn)TLR4可以通過介導(dǎo)炎癥介質(zhì)的表達(dá)促進(jìn)軟骨及軟骨下骨損傷［27］；Embree MC 等首次在兔子體內(nèi)建立了關(guān)節(jié)盤穿孔模型并觀察到了軟骨的退行性改變及關(guān)節(jié)盤異位骨化［23］。外科手術(shù)建?？焖?，很好地模擬了臨床患者關(guān)節(jié)損傷的晚期癥狀，但破壞了TMJ 結(jié)構(gòu)的完整性，與臨床情況往往不一致，且不同手術(shù)方法會引起顳下頜關(guān)節(jié)腔內(nèi)生物力學(xué)環(huán)境的不同變化［28］，導(dǎo)致不同的炎癥狀態(tài)。

3.化學(xué)誘導(dǎo)模型

向關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射藥物可以通過引起關(guān)節(jié)內(nèi)炎癥、細(xì)胞毒性或關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)損傷而引發(fā)顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎，常被用于TMJOA 病理分子機(jī)制的研究。常用的藥物主要是完全弗氏佐劑（complete Freund′s adjuvant，CFA)、醋碘酸鈉（monosodium iodine acetate，MIA)、血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）、Ⅱ型膠原酶等。CFA 由滅活干燥的分枝桿菌組成，向大鼠關(guān)節(jié)上腔內(nèi)注射CFA 會引起關(guān)節(jié)囊內(nèi)組織長達(dá)6 周的急性炎癥反應(yīng)，且反應(yīng)程度與注射劑量成相關(guān)性，關(guān)節(jié)盤呈現(xiàn)增厚、不透明、變形等退行性改變［29］，出現(xiàn)滑膜炎癥，并且會引起中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)中P 物質(zhì)的表達(dá)，造成明顯的急性疼痛［30］。MIA 為一種代謝毒物，注射0.5 mg 及更高劑量的MIA 可在4 周內(nèi)造成軟骨基質(zhì)蛋白多糖缺失，軟骨細(xì)胞死亡，髁突的破壞呈典型的時間及劑量依賴性［31,32］。

髁突軟骨主要由軟骨細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，任何引起其結(jié)構(gòu)改變的因素均可能造成TMJOA。外源性注射VEGF 可以通過促進(jìn)新生血管形成影響軟骨細(xì)胞增殖、代謝及凋亡，導(dǎo)致基質(zhì)金屬蛋白酶及其他降解軟骨基質(zhì)的因子釋放，造成軟骨厚度降低，軟骨細(xì)胞不規(guī)則排列，無細(xì)胞區(qū)域增多以及破骨細(xì)胞數(shù)量增加,從而誘發(fā)TMJOA［33］；膠原酶作為一種主要的分解代謝酶可以損傷細(xì)胞外基質(zhì)中的膠原，進(jìn)而破壞關(guān)節(jié)穩(wěn)定性［34］。

化學(xué)藥物注射建模簡單易行，可重復(fù)性好，主要用于研究骨關(guān)節(jié)炎疼痛的分子機(jī)制和篩選臨床前治療［28］，且可以通過注射藥物的劑量調(diào)控顳下頜關(guān)節(jié)的炎癥程度，故更為量化。

4.咬合改變模型

當(dāng)機(jī)體處于咬合狀態(tài)時顳下頜關(guān)節(jié)承受機(jī)械應(yīng)力［35］，牙齒重度磨耗、錯頜畸形、不良正畸及咬合重建治療等因素會使下頜位置發(fā)生改變，導(dǎo)致下頜在行使咀嚼、發(fā)音等正常生理功能時對顳下頜關(guān)節(jié)產(chǎn)生不良應(yīng)力，從而引發(fā)TMJ 的病理性改變，甚至引發(fā)顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎。因此通過改變咬合改變TMJ 機(jī)械負(fù)荷進(jìn)而誘導(dǎo)TMJOA 也是經(jīng)常使用的一種方法，目前普遍應(yīng)用的動物模型分為以下幾種：（1）咬合升高模型；（2）咬合喪失模型；（3）咬合干擾模型［36］。

4.1 咬合升高模型 由于嚙齒類動物前后牙具有不同的生長特點(diǎn)，因此研究者常在實(shí)驗(yàn)動物前后牙佩戴不同的咬合裝置。嚙齒類動物前牙具有不斷生長的特點(diǎn)，在前牙放置咬合升高裝置易于觀察裝置是否脫落，操作更為簡便，但難以精準(zhǔn)控制升高的程度，無法精準(zhǔn)量化研究。有學(xué)者使用針頭制作金屬管，將其粘接于大鼠上下頜前牙，觀察到軟骨細(xì)胞層發(fā)生了增厚及細(xì)胞數(shù)量增加等增殖性變化［37］。

在后牙設(shè)置咬合裝置可以控制垂直距離升高的程度，但較難在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行實(shí)時觀察。目前有多種升高后牙咬合垂直距離的方法，包括在大鼠上頜后牙堆加不同高度樹脂、設(shè)置金屬球作為咬合止點(diǎn)、使用金屬冠增加后牙垂直距離等，上述研究觀察到髁突軟骨發(fā)生不同的病理反應(yīng)［15,38］，當(dāng)咬合升高的程度較低時，髁突軟骨炎癥因子水平發(fā)生改變，但軟骨細(xì)胞厚度并未降低；而升高程度高時，軟骨則會進(jìn)行適應(yīng)性改建，呈現(xiàn)增殖性變化，并發(fā)現(xiàn)與機(jī)械應(yīng)力相關(guān)的Ihh信號通路可能通過介導(dǎo)軟骨細(xì)胞肥大而引起TMJ OA的發(fā)生［39］，證明了顳下頜關(guān)節(jié)發(fā)生的病理改建與髁突所受應(yīng)力相關(guān)。以上研究表明咬合升高會引起髁突軟骨的改建，但升高咬合的程度不同可能會造成顳下頜關(guān)節(jié)不同的病理反應(yīng)。

4.2 咬合喪失模型 咬合喪失即通過磨牙或者拔牙的方法使牙齒失去咬合接觸［36］，當(dāng)后牙咬合喪失后，顱髁位置隨之改變，導(dǎo)致關(guān)節(jié)面之間接觸面積增大，造成更大的剪切應(yīng)力［40］。為模擬臨床上的無牙頜狀態(tài)，一些學(xué)者研究了拔除大鼠單側(cè)及雙側(cè)后牙，觀察8 周后髁突軟骨的改變，發(fā)現(xiàn)后牙咬合缺失增加了大鼠髁突軟骨中IL-1b、Ⅱ型膠原和VEGF 的表達(dá)［40］，從而引發(fā)了顳下頜關(guān)節(jié)的退行性改變。研究發(fā)現(xiàn)拔除新西蘭白兔口內(nèi)所有牙后其關(guān)節(jié)盤中央部及髁突前斜面損害最嚴(yán)重，這可能是由于當(dāng)關(guān)節(jié)運(yùn)動時，髁突前斜面與關(guān)節(jié)盤中央相接觸，二者沿骨性的關(guān)節(jié)結(jié)節(jié)后斜面滑動［41］。當(dāng)咬合支持喪失發(fā)生在單側(cè)或雙側(cè)時，蛋白表達(dá)存在差異，這些差異可能與非咀嚼側(cè)的負(fù)荷大于咀嚼側(cè)有關(guān)［40］。已有的拔牙建模研究均可以迅速造成咬合喪失從而誘導(dǎo)顳下頜關(guān)節(jié)退行性變，但臨床上實(shí)際無牙頜患者的牙列缺失過程為一緩慢漸進(jìn)的過程，二者之間仍存在差異，因此咬合喪失及垂直距離降低的動物建模方法尚需進(jìn)一步創(chuàng)新。

4.3 咬合干擾模型 以上方法所形成的咬合改變均為急性的，與臨床上患者緩慢發(fā)生的咬合改變存在差異。為模擬臨床實(shí)際情況，有學(xué)者通過各種正畸裝置引導(dǎo)咬合異常，設(shè)計(jì)出漸進(jìn)性咬合紊亂模型。華先明等人利用行使功能時作用力和反作用力分別使上下頜向相反方向移動的原理，構(gòu)建了大鼠雙斜面導(dǎo)板裝置（TIPD，Twin Inclined Planed Device），溫和性地引導(dǎo)大鼠下頜漸進(jìn)性后退，發(fā)現(xiàn)TIPD 可以引起髁突軟骨不同區(qū)域產(chǎn)生不同的改建［42］；此外，有學(xué)者通過在大鼠上頜左側(cè)第二磨牙和第三磨牙之間以及下頜右側(cè)第二磨牙和第三磨牙之間放置橡皮筋的方法遠(yuǎn)中移動第三磨牙，構(gòu)建咬合異常動物模型，觀察到髁突軟骨產(chǎn)生適應(yīng)性重塑［43］；另有學(xué)者通過在大鼠上頜磨牙上粘接金屬絲的方法構(gòu)建錯動物模型，2周時即觀察到TMJOA的發(fā)展，并發(fā)現(xiàn)RAGE信號介導(dǎo)的慢性炎癥可能是TMJOA 的機(jī)制之一［44］。不同于急性咬合改變模型，漸進(jìn)性咬合改變引起髁突軟骨產(chǎn)生適應(yīng)性重塑，作用力也更為溫和。

5.基因改變模型

與顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的創(chuàng)傷性模型不同，轉(zhuǎn)基因動物模型可以揭示影響顳下頜關(guān)節(jié)退化的分子途徑。目前研究發(fā)現(xiàn)顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的主要病理改變與軟骨細(xì)胞肥大［47］、凋亡及壞死［48］、軟骨血管化［49］，細(xì)胞外基質(zhì)降解［50］以及軟骨下骨重塑［51］有關(guān)。顳下頜關(guān)節(jié)軟骨由軟骨細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，其中細(xì)胞外基質(zhì)主要由膠原纖維和蛋白聚糖組成，它不僅是軟骨彈性和剪切力的保護(hù)支架，而且通過基質(zhì)-細(xì)胞相互作用調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的行為［34］。核心蛋白聚糖是一種富含亮氨酸的蛋白多糖，是體內(nèi)軟骨細(xì)胞周圍基質(zhì)微觀力學(xué)和軟骨細(xì)胞機(jī)械傳導(dǎo)的關(guān)鍵決定因素［52］，其中雙鏈蛋白聚糖（biglycan,Bgn）和纖調(diào)蛋白聚糖（fibromodulin,Fmod）可以調(diào)控膠原纖維生成，在軟骨細(xì)胞外基質(zhì)中起重要作用［53］；腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor-α，TNF-α）以及XI 型膠原表達(dá)改變也會通過影響細(xì)胞外基質(zhì)膠原纖維的表達(dá)引起TMJOA［28］。構(gòu)建以上基因缺陷的動物模型有助于進(jìn)一步深入研究引起TMJOA 的分子機(jī)制及相關(guān)的信號通路，從而挖掘與早期TMJOA 相關(guān)的靶點(diǎn)分子，但與TMJOA 相關(guān)的基因修飾模型可能會影響大鼠的生長發(fā)育［54］，TMJOA 也可能是更由于更微妙的機(jī)制，如表觀遺傳學(xué)所引發(fā)的［55］。

6.展望

動物模型對于研究顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制及治療具有重要意義。不同種類動物的解剖形態(tài)、咀嚼特點(diǎn)、不同的建模方法均可能制約無法制備成功理想的動物模型。在選擇實(shí)驗(yàn)動物時，通常選擇與人類更為相近的雜食性動物作為研究對象，外科手術(shù)模型可用于研究TMJOA 的治療，化學(xué)誘導(dǎo)模型適用于研究疼痛相關(guān)機(jī)制，咬合改變模型主要與發(fā)病機(jī)制相關(guān)，基因改變模型可有效揭示顳下頜關(guān)節(jié)退行性變的分子途徑。不同建模方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍，研究者應(yīng)根據(jù)研究目的選擇更加適合的動物模型。

盡管已存在眾多顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的動物模型，如何探索出穩(wěn)定、微創(chuàng)、可重復(fù)的建模方法，使其更好地模擬臨床發(fā)病過程仍有待于進(jìn)一步研究，動物模型也無法取代臨床研究。但無論選擇何種建模方法，探索TMJOA 早期改變的分子及信號通路，從而進(jìn)行早期診斷，并研制出相關(guān)的靶點(diǎn)藥物將是未來研究的方向。動物建模方法也應(yīng)逐漸精準(zhǔn)量化，為臨床早期診斷評估及治療提供理論依據(jù)。