骨關節疾病動物模式

骨頭相關的疾病對群體大眾的生活影響甚鉅，而這類的疾病像是退化性關節 炎與骨質疏鬆症等則好發於高齡化的社會中。研究統計顯示，在台灣骨質疏鬆的 病患大多是高於 50 歲的長者，且女性的比例是男性病患的兩倍多；骨質疏鬆的 病患則會因為體內骨質的大量流失，造成骨折風險提高，相同的研究則發現在未 來二十年內，光是在台灣的骨折案例一年就可能會增加到五萬例。因此若能釐清 造成骨骼肌肉疾病的機制，則能夠減少診斷的時間並且更有效率的進行預防與治 療。

2.1.11.1 退化性關節炎動物模式

膝蓋關節承受身體重量並具有極佳的緩衝能力，方便身體的移動並參與平衡 及肌肉與骨骼的協調。骨關節炎（Osteoarthritis，OA）為普遍的退化性關節疾病，

通常於膝關節、髖關節及指關節都有可能發生，且好發於老年人、肥胖及具有代 謝疾病或是工作持續荷重等特定族群；其病理學特徵包括軟骨下硬骨的重塑、軟 骨組織持續的惡化變薄及軟骨細胞凋亡。由於小鼠飼養與操作的便利性，因此在 此詳述於小鼠所進行的 OA 疾病模式。

（1）. 自發性的 OA 模式

許多小鼠品系會自然發展成具有 OA 的表現型，像是 STR/ort 品系的老鼠就 是一種自發性 OA 模式的小鼠，這種品系的老鼠在 12 到 20 週齡時便會出現跟人 類類似的軟骨損傷，而且公鼠明顯的會比母鼠來得嚴重，在同樣的飼養條件下，

其體重也比一般其他品系的實驗鼠來得重，但是目前無法證明此肥胖是導致軟骨 損壞的主因。DBA/1 品系的公鼠則是在四個月大時開始表現 OA 的病徵，研究發 現其致病的因素與隱性基因跟荷爾蒙的表現有關。其他像是常見的 C57BL/6 與 BALB/c 品系的老鼠也會自然出現 OA 的病狀，但是通常都需要飼養到 1 至 2 年 才會發病。雖然許多品系的老鼠都會有自發性 OA，但其發作的時間依舊會與品 系跟性別有關。而在上述所提到的品系中，STR/ort 品系被研究的最為透徹，且 越來越多證據顯示出此品系與人類臨床表現最為相關，可能是用來評估 OA 新藥 最具潛力的動物模式。

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（2）. 表現特定基因所誘發的 OA 模式

許多基因轉殖鼠也能夠自發性表現出 OA，例如大量表現有缺陷的人類第二 型膠原蛋白（COL2A1）與第九型膠原蛋白（COL9A1）的轉殖鼠，都發現會出現 早發性的 OA 表現型。此外，表現會破壞軟骨細胞外基質（extracellular matrix，

ECM）的酵素也能夠誘發 OA 模式，像是基質金屬蛋白酶（MMPs）家族中的 MMP13 就能很有效率的將第二型膠原蛋白分解掉，因此小鼠身上大量表現 MMP13 後則會產生與在人類 OA 病人身上觀察到相同的病徵。除了影響細胞基 質的完整性外，破壞骨骼肌與關節發育相關的訊息傳遞路徑也能誘發 OA 模式，

例如以 COL2A1 啟動子驅動表現的顯性抑制（dominant negative）的 p38 Mitogen-activated protein kinase （MAPK）則會在成鼠造成嚴重的膝蓋關節炎，類似的機 制也出現在大量表現缺失的 TGF-beta type II receptor（DNIIR），與 Smad ubiquitin regulatory factor 2 （Smurf2）等轉殖基因鼠身上。有趣的是，過度表現較穩定的 β-catenin 會誘發 OA 的發生，但是有研究顯示當老鼠表現大量的 β-catenin 訊號 抑制因子 ICAT （inhibitor of β-catenin and T-cell factor）卻也會產生 OA。後來研 究發現，ICAT 過度表現也會抑制 bone morphogenetic protein（BMP）與血管內皮 生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），影響軟骨細胞活性與血管 新生，最後形成 OA。

（3）. 剔除特定基因所誘發的 OA 模式

相較於轉殖基因鼠，基因缺失老鼠的品系則多出許多，這些基因大都是與細 胞外基質恆定或是骨骼與關節發育相關的訊息傳遞因子，例如 Col11a1 的缺失直 接就造成不正常的蛋白聚糖（proteoglycan）而導致人類患有早發性 OA。然而若 在小鼠身上此基因同型合子（homozygous）都缺失時，小鼠將在出生時就死亡，

因此只有缺失一半的異型合子（heterozygous）才能存活且具有 OA 表現型，相同 的現象也在 Col2a1 缺失的老鼠身上觀察到。另外的研究發現，Col9a1 同型合子 缺失不會造成小鼠死胎，而是會在四個月大以後逐漸出現膝蓋關節軟骨的退化，

並隨著年紀增長而越來越嚴重。

健全的軟骨細胞外基質大都由具有小分子白胺酸重複序列的蛋白聚糖所構 成（small leucine-rich proteoglycans，SLRPs），這些蛋白分子會與可溶性的生長 因子結合而調控其功能，因此當這些因子缺失時則會導致 OA。根據不同的結

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構，SLRPs 大略可分成三大類（I-III）。例如大量表現在骨頭、肌腱與軟骨的第 二類 SLRP fibromodulin。

（4）. 利用手術誘發骨關節炎的小鼠模式

利用手術方式使關節的緩衝喪失，進而誘發 OA 最常使用的方法為前十字韌 帶橫切術（ACLT）及內側半月板切除術（destabilization of the medial meniscus，

DMM）。這二種手術模擬人類退化性骨關節炎所產生的病理特徵，包括持續性 的關節軟骨退化、骨關節腔發炎、免疫細胞的浸潤、軟骨下硬骨的重塑及骨贅的 形成。關節處於長期不穩定的狀態間接引起週邊骨骼肌肉組織的萎縮，同時因關 節相互摩擦使得軟骨細胞流失及滑膜發炎。

（5）. 利用化學物質誘發骨關節炎的小鼠模式

小鼠骨關節炎（OA）疾病模式可利用不同的化學藥物直接注射入關節腔內，

藥物的種類多元，包括單碘乙酸鹽（monoiodoacetate）、木瓜蛋白酶（papain），

乳糜蛋白酶（chymopapain）、膠原酶（collagenase）、TGF-β、IL-1β、皮質類固 醇（corticosteroid）等已被用於誘發類似 OA 的病理特徵，而此病理特徵亦包括 疼痛、滑膜發炎及巨噬細胞增生等現象。目前最廣泛使用誘發 OA 的化學物質為 膠原酶（collagenase）或蛋白水解酵素（proteolytic enzyme），膠原酶主要破壞軟 骨基質中的複合蛋白質多醣體之機制可用來模擬 OA 初期的病理變化。膠原酶注 射一次於 10 週齡的小鼠膝蓋關節腔內，並於 10 週之後進行病理檢查，即可發現 膝關節發生嚴重的軟骨退化、軟骨下硬骨的硬化與變形及骨贅的形成，同時伴隨 著行動力降低等現象。

2.1.11.2 骨折模式

骨頭具有支撐、保護和運動等功能，當伴隨年齡、疾病或因為直接、間接的 外力造成碎裂或變形造成骨折時，常合併骨組織附近血管破裂和週邊軟組織腫脹，

引起發炎、水腫與骨壞死的症狀。骨折主要分為閉合性骨折（closed fracture）與 開放性骨折（open fracture）二種，閉合性骨折指骨折的部位沒有與外部接觸，所 以受外界感染機率低，大部份採取外部固定治療。開放性骨折則是骨折的部位已 暴露於體外，因此可能會接觸到環境中的細菌，所以通常會給予抗生素治療。

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（1）. 動物模型選擇條件

年齡、性別和小鼠品系的差異都會影響骨折的癒合程度，例如 DBA / 2 和 C3H 小鼠會比 C57BL / 6 小鼠的骨折癒合更快。由於雌性小鼠的股骨和脛骨的骨 髓間質幹細胞比雄性小鼠的含量少，因此癒合能力也比較差。年齡也會影響骨折 的癒合，老年小鼠成骨細胞對成骨刺激的反應減少，軟骨細胞分化和成熟延遲，

將導致軟骨內骨分化延遲；年齡還與調節血管生成的因子表達減少有關，進而影 響骨折癒合過程中的血管形成過程；老化的間質幹細胞也顯示出組織修復和再生 的速率降低，因此，年齡是骨折癒合研究中應考慮的要點之一，因為小鼠於 6 至 8 週齡時即達性成熟，此時具有骨融合之現象，所以可選擇此年齡的小鼠進行骨 折研究。此外，在任何研究中均應避免手術固定不同大小的骨頭，因此建議使用 體重 20 克左右的老鼠，因為這種大小的老鼠的股骨直徑通常為 2 到 2.5 毫米。

對於需固定骨骼的動物研究，應密切注意選用年齡和體重匹配的小鼠。

（2）. 小鼠骨折癒合模式 A. 肋骨骨折模式

在吸入麻醉下，確保小鼠已無腳趾收縮反射，並將眼藥膏塗在眼睛上以 防止其乾燥，除去右胸前的皮毛，並用優碘和 70％乙醇擦拭手術部位。使用 手術刀刀片，切開右胸皮膚找到右側的第八根肋骨，並使用剪刀在肋骨的長 軸上垂直切割。