Research progress and literature review of animal models of osteoporosis

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0213

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Osteoporosis, known as “a quiet epidemic disease”, is an “invisible killer” that impairs the health of the elderly. Fracture as the most dangerous complication of osteoporosis is not only a medical problem, but also a serious social problem.
OBJECTIVE: To summarize the selection, establishment methods, characters and evaluation of the animal model of osteoporosis.
METHODS: A computed-based search of CBM, WanFang, VIP, CNKI and PubMed databases was conducted for the relevant articles published from January 1986 to December 2016 using the keywords of “osteoporosis, animal models” in English and Chinese, respectively. Finally 39 articles were included for result analysis after reading the title and abstract.
RESULTS AND CONCLUSION: Animal experiments play an important role in the studies of osteoporosis, so a desirable animal model should hold similarity, reliability, repeatability, applicability, controllability, efficacy and economy. Osteoporosis is a progressive and long-lasting disease that has different characteristics at different stages. But an animal model only simulates one etiology, one stage, major symptoms and pathophysiological changes, and cannot exhibit the whole pathological changes. The current study suggests that animal species and modeling methods can affect the characters of models, and there is a lack of standards for animal age, feeding methods, modeling time and assessment.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Osteoporosis, Models, Animal, Tissue Engineering

CLC Number:

R318

Li Yan-hong1, 2, Dang Xiao-qian2, Gong Fu-tai1, Ban Wen-rui2, Ma Jun2, Shi Yao-wu1, Zhang Hong-lei1. Research progress and literature review of animal models of osteoporosis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(12): 1956-1961.

Figures/Tables 4

2.1.7 非人类灵长类灵长类动物作为骨质疏松模型的实验动物，其优点是组织器官、骨生物力学特征及与年龄相关的骨代谢激素变化同人类相类似，增龄性骨量丢失与人类相似，另外，雌性动物的性周期和人类一样。然而，非人类灵长类动物资源稀缺，驯养困难，费用昂贵，且易传播动物源性疾病，制约了其应用。 2.2. 造模方法 2.2.1 去势造模法去势法可分为手术去势和药物去势两种方法。 (1)手术去势法：是指利用外科手术的方式切除动物生殖系统使其丧失性功能以达到动物造模的方法。1969 年Saville[19]通过手术切除雌性大鼠卵巢，首次建立绝经后骨质疏松动物模型。现在去卵巢造模方法被广泛认为是绝经后骨质疏松症造模的金标准。1997年，杨霞等[20]首次成功探索了利用去势兔建立骨质疏松模型。切除雄性动物睾丸亦能用于构建骨质疏松模型，已被用于男性骨质疏松的研究。此外，老龄猕猴、小型猪也可以用去势法成功造模。需注指出的是，绵羊单纯利用去势法造模并不理想，狗亦不能用于绝经后骨质疏松的研究。手术去势法造模因素单一、模型效果稳定、可复制性好、实验结果可信度大，能很好的模拟绝经后骨质疏松骨代谢的特点。但也有不足，卵巢切除后动物体内雌激素水平突然迅速下降，而绝经后妇女的雌激素水平下降则是一个长期缓慢的过程，二者间存在一定差异。另外，切除卵巢去势后动物体重的增加会对估量的丢失起到一定的保护作用，且手术去势创伤刺激会影响检测指标。 (2)药物去势法：是指不切除性腺，仅通过给予抑制动物雌激素分泌的药物从而造成骨量丢失的造模方法。常用药物有: 促黄体激素释放激素受体激动剂、促性腺激素释放激素激动剂、雌激素受体拮抗剂、非类固醇类雄激素拮抗剂、芳香化酶抑制剂等。药物去势虽然避免了手术创伤刺激对检测指标的干扰，但药物的不良反应以及药物与抗骨质疏松药物之间的相互作用也会在一定程度上降低实验的可信度。 2.2.2 药物致骨质疏松造模法药物致骨质疏松造模中糖皮质激素应用最广泛，其他还有维甲酸、环磷酰胺、乙醇等。临床中，使用糖皮质激素引起的骨质疏松症，其发病率仅次于绝经后骨质疏松和老年性骨质疏松，因此，糖皮质激素诱导法建立的骨质疏松模型对研究人类骨质疏松症意义重大，最常用的糖皮质激素有地塞米松和泼尼松龙。维甲酸可以引起骨量流失，虽然在致病机制上与人类骨质疏松存在差异，但维甲酸骨质疏松动物模型在临床表现、骨组织形态学以及对雌激素的骨反应方面与人类相似。环磷酰胺通过抑制骨形成引起骨量减少、骨微结构退化等典型骨质疏松表现，该造模法尚处于研究阶段。酒精可影响骨代谢，使骨吸收增强、骨形成减少、骨量降低而引发骨质疏松，任树军等[21]通过给雄性SD大鼠用红星二锅头灌胃成功构造骨质疏松模型。使用药物造模时应把握好剂量和用法，正确的用法和剂量既可以引起动物骨量丢失又不至于导致其死亡。 2.2.3 营养性骨质疏松造模法营养是影响骨密度的众多因素之一，通过限制饮食中的钙、维生素D、蛋白质等的摄入可以成功建立营养缺乏型骨质疏松模型，该模型对研究因营养缺陷引起的骨质疏松有重要意义。但由于饲料配方复杂，且影响因素较多，普及推广困难。同时，因为单独应用营养法建模耗时长且成功率低，故常作为一种辅助方法。 2.2.4 失用性骨质疏松造模法失用法是指由于运动受阻或者功能障碍引起骨代谢异常，骨量丢失的一种造模方法，多由失重状态、长期卧床或制动等因素导致。常用方法有：机械固定法，悬吊法，腱切除法，坐骨神经切除法等[22]。该模型对防治瘫痪、骨折、术后长期卧床的患者及航空人员出现的骨质疏松的研究有重要现实意义[23]。 2.2.5 脑源性骨质疏松动物模型下丘脑有调节骨代谢及骨重建的功能。刘锡仪等[24]研究表明：破坏大鼠下丘脑弓状核，导致内分泌功能紊乱继而可以引起骨质疏松，被认为是一种可操作性强、稳定性高和可复制性好的大鼠骨质疏松动物模型造模法。适用于骨质疏松的发病机制及防治方面的研究。 2.2.6 基因造模法基因造模法主要包括转基因造模法和基因突变造模法。转基因造模法是指采用基因敲除来的方式来制作骨质疏松动物模型，敲除的基因主要是α，β-雌激素受体或芳香酶，该模型具有全身骨质疏松发生情况稳定、不受外界因素干预等优点，是一种理想的原发性骨质疏松动物模型。基因突变造模法是日本学者Toshio Takeda等利用SAMP6小鼠通过近交繁殖培育的快速老化小鼠骨质疏松模型，是一种自发老年性骨质疏松模型，SAMP6小鼠遗传稳定，骨老化特点与人类老年性OP相似，是老年性OP研究较为理想的动物模型。 2.2.7 联合造模法用去势法联合其他造模方法共同构建骨质疏松模型的方法，可以有效缩短造模时间。如去势联合糖皮质激素[25]，去势联合低钙饮食[26]，去势、低钙饮食、糖皮质激素三者联合等[27]，且发现三联法较两联法对骨骼的影响更加明显[27]。联合造模虽能加速造模，但干扰因素较多且复杂，可能影响研究工作。 2.3 模型评价方法骨质疏松模型是否复制成功，需要用客观的指标来评价，骨质疏松的动物模型和造模方法很多，但评价指标是一致的，主要有骨密度测定、骨组织形态计量学、生化检测分析、骨生物力学测试、体质量、性腺形态等，其中最主要的是骨量与骨组织病理学变化这两项指标(图1)[28-29]。但单一的检测指标一般存在片面性，无法对骨质疏松模型进行准确的评估，因此，通过“宏观到微观、二维到三维、定性到定量”全面立体对骨质疏松模型进行检测显得尤为重要。"

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