摘要：骨关节炎（OA）是一种慢性退行性关节疾病，是世界范围内致残的主要原因。疼痛是主要症状，但目前没有任何治疗方法可以阻止疾病进展或有效缓解症状。已经描述了许多研究OA的动物模型和一些相关OA疼痛的动物模型。本综述旨在更新当前用于研究 OA 疼痛的模型，重点关注小鼠和大鼠。 这些模型包括手术、化学、机械和自发 OA 模型。性别和年龄的影响也将在 OA 建模的背景下得到解决。 尽管没有单一的动物模型被证明是研究 OA 疼痛的理想模型，但加大对 OA 表型的研究可能会影响临床前和基础研究模型的选择。

关键词：骨关节炎  啮齿动物  疼痛  动物模型

简介：骨关节炎 (OA) 是一种慢性退行性关节疾病，是全球致残的主要原因。 OA 最常见于 40 岁以上人群和女性的膝盖、手部、臀部和脚部。OA 患病率和发病率因国家而异。在全球范围内，OA 的年龄标准化患病率在 1990 年至 2017 年间增加了 9.3%，并且预计随着全球人口老龄化而增加。OA 的主要特征包括疼痛、关节肿胀、僵硬、活动能力下降和骨增大。据估计膝关节 OA 会影响世界 16% 的 15 岁及以上人群。临床上，可见的放射学改变，如骨赘和关节间隙狭窄，被用来划分疾病的严重程度。然而，疼痛驱使大多数患者就诊对生活质量影响最大。疼痛是OA的主要症状。关节周围区域与OA疼痛有关，即滑膜炎、软骨下骨髓病变、关节周围肌肉功能障碍和滑囊炎。将受影响关节的影像学变化、身体功能和疼痛联系起来的尝试遇到了挑战。此外，并非所有OA患者都会感到疼痛。除了关节损伤外，其他因素，如心理、社会和文化因素，也在疾病的严重程度和发生OA疼痛的可能性中发挥作用。患有 OA 的患者之间的这种异质性突出了导致 OA 疼痛的多种机制，并为疾病建模提出了挑战。开发了第一个 OA 模型来研究 OA 的结构方面。 例如，了解软骨退化而不是 OA 的症状方面。对疾病动物模型的需求源于人类受试者的困难。 使用人类受试者的实验在逻辑和伦理上可能很复杂，并且是主观的，并且数据往往只在疾病的后期收集。相比之下，OA 模型使科学家能够跟踪疾病进展，并且已经在许多物种和体外进行了描述。然而，小鼠主要用于开发新模型，因为它们是主要转基因动物物种。转基因表达是理解疼痛途径的一个有价值的工具，因为它允许过度表达和敲除感兴趣的蛋白质。然而，啮齿动物模型的使用有其自身的局限性。例如，年龄和性别差异，还有转化因素，如关节软骨生理、负重以及啮齿动物和人类之间的步态差异。不过，总的来说，动物模型是探索 OA 发展和进展的分子机制的特殊研究工具。本综述旨在讨论疼痛研究背景下膝关节骨性关节炎啮齿动物模型的最新知识，重点是小鼠和大鼠。

膝骨关节炎疼痛：在健康的膝关节中，疼痛是一种保护机制。 疼痛通常是由于扭曲、超出工作范围或负重过大造成的。人体实验测试表明，施加于韧带和纤维囊的有害机械和化学刺激可以引起疼痛，但不能通过刺激软骨诱发。疼痛刺激主要通过支配关节囊、韧带、半月板、骨膜和软骨下骨的无髓鞘 C 纤维 (~80%) 传递。OA被认为是整个关节疾病； 尽管软骨最初受损，但整个关节长期受到影响，包括软骨下骨重塑、骨赘形成、神经支配和滑膜变化。磁共振图像 (MRI) 和对患者样本的组织学研究已将与 OA 疼痛相关的特征联系起来。例如，不对称负重的骨髓病变和关节积液、软骨下NGF表达增加和血管生成。在 OA 的早期阶段，关节使用时偶尔会出现疼痛，休息后会缓解。 然而，随着 OA 的进展，疼痛不再与关节使用相关，即使在休息和夜间疼痛也会持续。OA 患者的慢性疼痛发展是异质的。 OA 疼痛由多种因素引起，包括外周和中枢敏感、下行抑制减少和皮质区域萎缩。已在 OA 患者中描述了中枢敏感的迹象，例如机械性异常性疼痛和牵涉痛。此外，证据支持与 OA 疼痛相关的神经性疼痛成分、关节神经支配的变化和强烈的神经免疫。临床前疼痛评估需要一系列实验程序来解决这种异质性。

OA模型中的疼痛评估：评估OA动物模型疼痛的行为测试广泛取自已建立的疼痛方案，并已在OA的背景下解决。这些测试包括评估对后足无害机械压力的机械阈值，作为测试继发性机械性痛觉敏感的一种措施。测试由疼痛引起的体重分布不对称（步态分析、静态和动态负重测定）； 测量动态疼痛（旋转棒）； 测量热痛觉敏感（热/冷板测试）。测量运动引起的疼痛（握力测试）； 测量持续性疼痛和测量自发性疼痛。还描述了特定的膝关节相关测试以评估大鼠的原发性机械痛觉敏感，例如使用数字压力爪Randall Selitto仪器压迫膝关节，以及在膝关节弯曲试验中记录发声。此外，使用机器学习和光遗传学测量体内疼痛阈值的新方法是了解 OA 疼痛处理的有前途的工具。除了行为测试外，体内电生理学和体内成像实验也是描述伤害性通路神经元活动的有力工具，可能有助于理解OA的机制。

骨关节炎模型：根据诱导方法，用于研究OA相关疼痛的啮齿动物模型可广泛细分为手术、化学、机械和自发性。

手术模型：手术模型的目的是通过切断韧带或去除纤维软骨组织来破坏关节的稳定性，从而导致进行性关节退行性病变。在豚鼠和大鼠中建立了涉及外科手术的早期OA模型，如内侧半月板撕裂模型。第一个适用于小鼠的 OA 手术模型由 Visco 及其同事于 2003 年开发，并由 Kamekura 及其同事在 2005 年进一步开发。这些模型表现出不同的 OA 进展速度和 OA 评分，具体取决于关节不稳定的严重程度。OA的手术模型最能反映创伤后的人类OA，因为它们会导致关节不稳定并改变膝关节的负荷。这些模型通常在几周内开发出来，而在人类中，进展为OA需要几十年的时间。值得注意的是，尽管软骨损伤发生了与临床OA一致的显著变化，但伤害性行为可能并不存在。具有与疼痛相关的功能变化的手术模型包括内侧半月板撕裂、内侧半月板不稳定 (DMM)、前交叉韧带横断 (ACLT) 和内侧半月板横断 (MNX)。

图 1. 膝关节的简化图。

内侧半月板撕裂/半月板韧带损伤：半月板部分切除和内侧副韧带横断可导致半月板韧带损伤（MLI）。在大鼠中，该模型在 7 天内诱导关节快速退化，增加滑膜血管化、软骨损伤和骨赘形成，具有人类 OA 的特征。在小鼠中，MLI也被证明可在术后1周诱导关节退化，并增加骨体积，这种情况至少会恶化20周。在最近一项探索阻断受体酪氨酸激酶样孤儿受体 (ROR2) 的治疗效果的研究中，MLI 模型已被证明可从 7 周开始诱导不对称负重。此外，最近一项探索性畸形的研究进一步再现了负重不对称，报告称继发性机械痛觉敏感长达 12 周，并在术后第一周内出现短暂的热敏感。与其他手术模型相比，MLI具有更快的关节退行性变和疼痛表型。

内侧半月板切割：DMM手术模型包括切开膝关节内侧半月板胫韧带，将内侧半月板固定在胫骨上。DMM 诱导的不稳定性导致手术后 2 周的软骨退化，并逐渐扩展到软骨下骨硬化和骨赘形成。据报道，不对称负重发生在术后 8 至 12 周，塞来昔布和吗啡可逆转这种情况。在进一步的研究中，小鼠从 4 周开始出现继发性机械超敏反应，持续至 16 周。DMM 模型的研究揭示了金属蛋白酶 ADAMTS-5 在软骨退化中的关键作用。此外，小鼠蛋白激酶Cδ基因的缺失抑制了DMM诱导的OA发病机制，但通过NGF/TrkA轴突生长增强了膝关节OA相关的痛觉敏感。DMM 模型中的痛觉敏感与关节中的 CCL2-CCR2 信号传导有关，并且通过甲状旁腺激素的软骨下骨重塑而减弱。

图 2. 内侧半月板 (DMM) 切割后小鼠 OARSI 评分和表型数据的代表性示例。

前交叉韧带横断：在这种OA手术模型中，前交叉韧带被切断（ACLT）。首次在犬中描述，ACLT 模型比内侧半月板切除模型更严重地破坏关节。在人类中，前交叉韧带断裂是一种常见的运动损伤，可导致关节不稳定，增加10-20年后发生疼痛性骨性关节炎的风险。作为OA模型的ACL断裂也被描述为在膝关节上施加12 N力的无创机械负荷（ML）。ACL断裂模型的一个明显优点是有机会研究损伤的早期反应。在雄性小鼠的外科ACLT模型中，TGF-β有助于软骨下骨降解，其抑制作用可减少关节软骨的降解。此外，破骨细胞在软骨下骨重塑过程中分泌的 netrin-1 增加了 CGRP 阳性感觉神经元的神经支配，并导致继发性机械性痛觉敏感。在雄性小鼠中，从 ACLT 手术后 1 周到手术后第 8 周研究结束，可检测到继发性机械痛觉敏感。在雌性小鼠中，ACLT模型在术后3天诱导一过性不对称负重。然而，作者认为这些行为影响太小，无法进行药物干预。 同样，据报道，雄性小鼠的 ACL 断裂模型会诱发继发性机械痛觉敏感、负重的瞬时变化和膝关节痛觉敏感。因此，由于使用雄性和女性的疼痛报告有限，目前的证据并未将 ACLT 作为 OA 疼痛研究的可靠模型。

半月板切除术和内侧半月板横断术：手术切除半月板，半月板切除术，会增加患者的影像学OA患病率，并在21年内显著增加膝关节疼痛。在啮齿类动物中，半月板切除OA模型有多种方法，如全、部分、单侧和双侧MNX。部分MNX是通过单侧切割内侧半月板实现的。该小鼠模型导致术后4周发生骨关节炎变化，术后8周通过von Frey细丝测量增加机械敏感性，7周后改变负重。部分 MNX 最近已用于概念验证研究，其中针对 NGF 的免疫减少了小鼠的不对称负重。

化学模型：化学诱导的OA模型涉及关节内注射不稳定物质，通常通过髌韧带途径。具有疼痛表型的模型包括碘乙酸单钠 (MIA) 诱导的关节炎模型（主要模型）和胶原酶诱导的关节炎 (CIOA) 模型。

图3：骨关节炎的碘乙酸单钠（MIA）模型。

碘乙酸单钠：MIA是一种半胱氨酸肽酶抑制剂，靶向糖酵解途径中的关键酶GAPDH。因此，MIA 是一种剧毒化合物。 MIA 诱发的关节炎首先用于大鼠和豚鼠，其特征是发病迅速、关节功能下降和相关疼痛。为了限制对关节的影响，进行 MIA 关节内注射（1 mg /10 μl），对关节囊的损伤最小，以避免泄漏到血液中。注射时，MIA通过抑制软骨细胞代谢诱导软骨降解，从而导致细胞死亡。MIA 模型的组织病理学进展揭示了关节软骨缺失和软骨下骨损伤。早在注射后第1天就有膝关节软骨损伤的报道，从注射后第7天开始，就有软骨下骨受累的报道。由于关节间隙的无血管性质，MIA 主要针对软骨细胞。然而，随着软骨逐渐退化，它增加了软骨下骨的负荷并导致骨损伤和重塑。有证据表明软骨下骨损伤与临床OA疼痛有关。在MIA模型中，小鼠注射后7天至42天，大鼠注射后63天出现继发性机械性痛觉过敏。在模型的最初几天，这种超敏反应对非甾体抗炎药（NSAID）双氯芬酸敏感。然而，双氯芬酸对发炎的膝关节直径没有影响，而负重不平衡仅在注射MIA后第14天受到NSAIDs的影响。使用条件性位置偏好测试的进一步报告还报告了 MIA 模型和中枢敏化中的神经性疼痛成分。MIA 模型已成为疼痛领域的首选模型，因为它证明了持久的痛觉过敏和负重不对称。然而，关节软骨的转录谱和通路分析显示，大鼠MIA模型与临床OA之间存在差异，只有不到4%的基因调控重叠。此外，广泛的软骨细胞死亡和软骨下骨塌陷不是OA的特征。然而，通过MIA模型对常用的治疗药物如扑热息痛、萘普生、罗非昔布和双氯芬酸进行了药理学验证，所有这些药物都可以缓解MIA注射后的关节不适（通过负重测量）。

胶原酶：CIOA的发生是由于膝关节的不稳定。来自溶组织梭菌的胶原酶的关节内注射靶向含有 I 型胶原的组织，例如肌腱和韧带。它不会直接影响富含 II 型胶原蛋白的关节软骨。CIOA与直接影响关节软骨细胞的MIA化学诱导方法形成对比。CIOA一次需要10–30个单位的注射。这种注射诱导由髌骨脱位引发的骨关节炎样进行性变化，包括骨赘形成、软骨下骨小梁结构变化和软骨损失。与上述模型一样，大多数使用胶原酶模型的论文都使用雄性小鼠，因为它们更容易发生自发性 OA。Adães及其同事在大鼠中进一步描述了该模型的特征。他们报告了从第4周开始的进行性OA样结构改变、短暂的关节肿胀和从第1周开始的疼痛表型。CIOA模型关节退行性变进展迅速，然而，与MIA等其他化学模型一样，很难将进展与临床OA联系起来。

机械负荷模型：无创 ML 模型最初是为了研究 ML 对关节健康的影响而开发的。以往关于负荷效应的研究主要集中在使用软骨细胞制剂的体外模型上，缺乏与关节健康相关的周围组织的相互作用。ML 模型在关节软骨中诱导可重复的损伤，并在 3 周内恶化，从而促进 OA 的特征性损伤，例如软骨退化、软骨下骨增厚和骨赘形成。该过程包括将小鼠关节固定，并在异氟醚麻醉下施加40个周期的9 N力，每周6次，每次3次加载。模型渐进性的关键在于重复加载，因为单一加载不会引发渐进性病变。

图4、骨关节炎的无创机械负荷模型。

OA 疼痛的 ML 模型是由软骨退化驱动的。早期的 ML 研究揭示了对侧关节的短暂软骨下骨增厚和步态变化。在进一步的研究中，据报道 ML 模型可诱导可重复的疼痛表型。由 von Frey 和负重测量的机械超敏反应从加载后 3 周开始显著改变。重要的是，没有关于骨折的报告，并且在加载后的前 2 周内没有检测到超敏反应。使用抗NGF、加巴喷丁或双氯芬酸（已知可改善OA患者的疼痛表现）治疗可逆转ML诱导的疼痛敏感反应。在最近的一项研究中，有报道称，负重膝关节的软骨损伤与机械敏感性之间存在高度相关性。软骨损伤在同侧关节受力后立即出现，随后在对侧关节上发展，证实了早期关于对侧关节受累的报道。该模型的主要优势在于其可重复性、小鼠之间的变异性低、无需手术以及易于培训新的实验者。因此，这坚定地将ML作为进行性OA疼痛的模型，类似于患者的创伤后OA。

自发模型：OA的自发模型由转基因动物或那些随着年龄增长而自然发生OA的动物组成。与手术或负荷模型相比，这些模型模拟了非创伤性 OA 的进展，因此被认为更类似于人类 OA。研究表明，C57Bl/6J 小鼠在 18月龄时 OA 的发生率很高（高达 80%）。此外，SRT/ort小鼠品系在17个月龄雄性小鼠中发生OA的发病率很高（93%）。此外，SRT/ort小鼠在17月龄雄性小鼠中发生OA的发病率很高（93%）。在膝关节中，大约 85% 的雄性 SRT/ort 小鼠在胫骨内侧发展为 OA。这种效应被认为是髌骨随着年龄的增长而内侧脱位和胫骨内扭转的结果。只有一项研究探索了 SRT/ort 小鼠的疼痛表型，并且报告称随着年龄的增长疼痛敏感性没有显著变化。因此，自发模型可能是研究疾病进展的工具，但是，没有研究表明伴随 OA 样关节退化的疼痛表型。用于研究 OA 疼痛病理生理学的遗传模型包括 IX 型 α1 胶原 col9a1 转基因小鼠。哺乳动物关节软骨含有II、IX和XI型胶原，形成一个围绕软骨细胞的网络。II 型和 IX 型胶原蛋白的突变与过早的 OA 样软骨退化和 OA 特征的进行性发展有关。Col9a1−/− 小鼠不表达已知与关节软骨中的II型胶原纤维相关的IX型胶原，并且在3月龄时出现过早的OA样关节退化。 9月龄时，Col9a1-/- 小鼠出现机械性痛觉敏感 (von Frey)、步态改变，但热敏感性没有变化。

其他实验因素：研究揭示了人类 OA 模型和动物模型之间的主要不一致。 在多种 OA 模型中，雄性小鼠和大鼠比雌性更容易发生 OA 样关节退化。雌性啮齿动物的这种“保护”机制与女性患者普遍存在的人类OA形成鲜明对比。卵巢切除术，即手术切除卵巢，已被证明可增加雌性小鼠的OA易感性。相比之下，睾丸切除术后的雄性，即手术切除睾丸的雄性，其骨性关节炎的严重程度低于未手术的雄性。最近使用DMM和部分半月板切除手术模型对小鼠进行的比较研究表明，雄性和雌性都会出现OA疼痛。然而，到第12周和第20周，雌性膝盖的损伤比雄性轻。进一步的调查表明，这不是由于之前所暗示的活动或修复差异的改变，而是雌性对疼痛的敏感性提高，从而阻止了关节过度使用。此外，微阵列分析描绘了两性之间基因表达的明显差异。雌性小鼠在半月板部分切除后10周，神经营养因子基因Gdnf和Nrtn显著上调，而雄性小鼠的Ngf和Bdkrb1显著升高。因此，雌性和雄性小鼠都在同一时间线内出现疼痛，但表达不同的神经营养因子。最近对使用MIA的大鼠进行的一项研究表明，年龄较大的雌性大鼠，而非雄性大鼠，具有更长、更明显的痛觉过敏。因此，证明OA存在性别、物种和年龄差异。

年龄：另一个重要因素是 OA 诱导时的年龄。 不仅年轻动物的伤害感受器致敏程度不同，而且它们处理关节损伤的能力也不同。与年轻小鼠（7-20 周）相比，主要支配关节的 C 纤维伤害感受器在老年小鼠（>77 周）中的反应不同。针对慢性炎症的外周镇痛剂可能对处于疾病后期的老年人群基本上无效。Huang 及其同事使用 DMM 模型证明了年龄是 OA 进展的重要因素。老年雄性小鼠（12 个月和 19 个月）的软骨退化和软骨下骨侵蚀比年轻雄性小鼠（4 个月）更严重。在MIA模型中，老年大鼠的痛觉过敏更严重，持续时间更长。使用年轻（3-6 个月）和老年（20-24 个月）大鼠的功能性磁共振成像研究进一步支持了性别和年龄对慢性疼痛处理的影响。

OA表型：了解 OA 疼痛发展所涉及的多种机制的关键是探索不同的临床 OA 表型。 在基础研究和临床环境中，表型分类已被证明在其他领域有用，例如心力衰竭。以前被描述为仅限于影响治疗或预防决策的表型或对理解 OA 病理生理学至关重要的表型的分类。理想模型必须在合适的时间范围内可靠诱导、渐进，并具有人类 OA 的特征。对于理想的OA疼痛模型，最重要的是疼痛表型随着疾病的进展而发展，而不是由于诱导方法。标准化关节退化评估的措施，如OARSI组织病理学倡议（OARSI评分）和ARMIN动物研究报告指南，有助于讨论和研究进展。除了OA表型外，现有的OA疼痛啮齿动物模型可用于解决疾病的不同阶段或方面。例如，手术模型通过改变关节负荷显示出强大的关节退化，化学模型引发强烈的炎症反应，自然发生的模型更准确地模拟疾病进展。在骨性关节炎疼痛研究中，化学模型可能与更好地理解关节炎性疼痛成比例，而手术和负荷模型则可以理解骨性关节炎早期关节退化的疼痛发展。在选择模型时，研究人员必须根据研究问题考虑已知的修改因素（年龄、性别、诱导和模型机制）。因此，OA模型的选择将取决于需要复制的人类OA的机制或类型。

结论：多种模型可用于确定 OA 的不同阶段，并已针对软骨退化进行了描述。虽然目前的 OA 疼痛模型尚未完全模拟人类疾病，但现有模型类似于疾病的不同阶段或进展。困难还在于我们缺乏对OA病理生理学的基本了解；在我们了解这种复杂疾病的根本原因之前，动物模型只能反映一些病理生理学。OA 疼痛很复杂，最近发表了许多研究和荟萃分析，以缩小可能的 OA 表型的差距。一种模型并不能单独成为为患有这种衰弱性疾病的患者推进治疗干预的工具。因此，随着临床 OA 表型的进展，模型可能与人类特定的 OA 表型相关联，并有效地将临床前模型与临床试验相关联。

原文出自：Rodent models of knee osteoarthritis for pain research - ScienceDirect