多模态分析揭示胶原酶诱导性骨关节炎小鼠模型的关键特征及预测指标

为探究骨关节炎（OA）发展并预测组织学评分，法国研究人员对胶原酶诱导性骨关节炎（CIOA）小鼠模型展开研究，发现开放场测试和 μCT 可用于监测及预测 OA，对 OA 研究和治疗意义重大。

　　骨关节炎（Osteoarthritis，OA）是全球范围内最常见的关节疾病，如同隐匿在身体里的 “无声杀手”，悄无声息地影响着超过 2.4 亿人的生活。它的主要特征包括软骨退化、低度慢性滑膜炎症以及骨结构改变，像骨赘形成和软骨下骨硬化等，这些变化不仅让患者承受疼痛的折磨，还严重限制了他们的活动能力，降低生活质量。

目前，在 OA 的研究中，虽然已经开发出多种小鼠模型来探究其病理生理机制和治疗方法，但仍面临诸多挑战。传统的分析 OA 的金标准是常规组织病理学评分，它能直接观察小鼠膝关节中骨和软骨的变化，然而这种方法具有侵袭性，无法对同一动物进行纵向研究。磁共振成像（MRI）虽能评估关节内的软组织，但在小鼠模型中空间分辨率较低。微计算机断层扫描（μCT）凭借其出色的空间分辨率和三维成像能力，在 OA 研究中应用越来越广泛，可用于定量研究不同骨区的结构参数，不过它在软组织成像方面存在对比度差的问题，尽管使用磷钨酸（PTA）等造影剂能一定程度解决，但仍有局限性。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）可对关节软骨进行微观成像，但它和其他一些成像技术一样，往往需要在动物安乐死后进行，无法实现活体的动态观察。

在功能分析方面，虽然各种非侵入性方法不断涌现，但不同的功能测试在评估 OA 相关行为变化时存在差异，且目前还不清楚哪种测试对每个模型最为敏感、特异和一致。此外，单一的功能测试难以全面检测与 OA 相关的所有行为变化。

为了深入了解 OA 的发展过程，找到能够准确预测 OA 严重程度的指标，法国研究人员开展了一项关于胶原酶诱导性骨关节炎小鼠模型（Collagenase - Induced Osteoarthritis，CIOA）的研究。该研究成果发表在《关节炎研究与治疗》（Arthritis Research & Therapy）杂志上。

在这项研究中，研究人员采用了多种先进的技术方法。他们首先构建了 CIOA 小鼠模型，选用 10 周龄雄性 C57BL/6 小鼠，通过向其右后膝关节腔内注射胶原酶诱导 OA。之后，运用功能测试、μCT、对比增强 μCT、CLSM 和组织学分析等多种手段对小鼠进行评估。功能测试包括开放场测试（Open Field Test）和 Catwalk?步态分析，用于监测小鼠的运动行为变化；μCT 用于观察骨结构的改变；对比增强 μCT 结合 PTA 造影剂，能够更清晰地观察关节软骨；CLSM 则对关节软骨进行微观成像；组织学分析作为金标准，用于评估软骨和滑膜的变化。

研究结果显示：

1. OA 诱导导致短暂运动缺陷：研究人员利用开放场测试和 Catwalk?系统对小鼠运动参数进行纵向评估，发现 OA 诱导后早期（第 3 - 9 天），OA 小鼠的总移动距离、休息时间、平均速度和快速运动时间等参数与对照组相比有显著差异，这些变化在第 13 天后逐渐消失。在 Catwalk?测试中，部分参数在第 3 天出现显著变化，但到第 9 天恢复正常，不过从第 9 天到第 29 天，后肢支撑基础（左右后肢之间的距离）显著减小。这表明 OA 诱导主要在早期引起运动变化，且这些变化具有一定的时效性。
2. OA 导致膝关节骨变化和异常钙化：通过 μCT 对小鼠膝关节进行评估，发现 OA 小鼠膝关节出现严重的异常钙化，包括髌骨、半月板和韧带等部位。对不同骨区域的分析显示，OA 小鼠的外侧软骨下骨板和内侧、外侧骨骺出现骨降解，表现为骨体积和厚度减少，骨表面降解增加，同时骨赘体积和关节内钙化的骨体积、表面积显著增加。而且，无论小鼠是否有自由运动的机会（通过是否提供跑轮判断），这些骨变化都较为严重。
3. OA 导致严重的关节软骨退化：运用对比增强 μCT、CLSM 和组织学分析对关节软骨进行评估，结果表明 OA 小鼠的关节软骨出现明显退化。对比增强 μCT 显示 OA 小鼠软骨层变薄、有侵蚀区域；CLSM 的 3D 图像直观呈现出 OA 小鼠软骨轮廓侵蚀、厚度减小；组织学分析也证实了 OA 小鼠的组织学 OA 评分显著增加，且不同技术得到的结果相似。同时，研究还发现，在疾病早期（第 9 天），OA 小鼠主要表现为滑膜炎症，到第 28 天出现软骨降解。
4. 功能和结构缺陷与组织学评分相关：研究人员通过数学计算分析了不同参数与组织学评分之间的相关性，发现开放场测试中的多个参数（如距离、平均速度、快速运动时间和休息时间）与内侧胫骨的组织学评分有较高相关性；μCT 评估的部分骨参数（如外侧骨骺的骨体积分数）和 CLSM 评估的软骨参数（如内侧软骨体积和表面降解）也与组织学评分相关。这说明运动和结构参数与死后组织学评分存在关联，可用于预测 OA 的严重程度。
5. 预测组织学评分的新工具：研究人员进一步分析发现，开放场测试的参数在预测组织学评分方面表现出良好的一致性，其中任何一个参数都能较好地预测组织学评分。Catwalk?测试中， stance 和 print area 参数对预测组织学评分较有价值。μCT 分析中，关节周围骨赘的骨体积和韧带、半月板的钙化对预测组织学降解更有意义。对比增强 μCT 和 CLSM 在预测组织学评分方面具有高度可比性，其测量的部分软骨参数（如内侧软骨板的体积和表面 / 体积比）也可用于预测组织学评分。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次深入评估了 CIOA 模型中的运动、疼痛和结构缺陷。开放场测试在评估 CIOA 早期疼痛方面具有重要价值，其结果在其他 OA 小鼠模型中的适用性有待进一步验证。运动在 OA 发展过程中的变化规律显示，在疾病发作的第一周运动受到影响，恢复一段时间后，疼痛和运动缺陷可能在后期再次出现，这一现象值得进一步研究。此外，膝关节的结构变化，如半月板钙化，对预测 OA 发展具有重要意义，且可能在疾病早期就已出现。

综合来看，该研究为 OA 的研究和治疗提供了重要的参考依据。通过监测小鼠在疾病过程中的运动和结构变化，研究人员发现开放场测试在疾病早期评估运动功能方面具有优势，而 μCT 可在第 28 天（甚至更早）监测关节内钙化和骨赘形成等结构变化。这两种技术均为非侵入性方法，符合动物实验的 3Rs 原则，能够在相对较短的时间内对诱导 OA 的小鼠进行纵向评估，有助于深入了解 OA 的发病机制，为开发更有效的治疗方法奠定基础。