脊柱關節(jié)炎（Spondyloarthritis，SpA）是由多種免疫因素導致的一種常見的慢性炎癥性自身免疫病，常累及中軸脊柱、外周關節(jié)、肌腱和韌帶的附著點和其他部位，關節(jié)外表現(xiàn)包括銀屑病、炎性腸病（Inflammatory Bowel Disease，IBD）和葡萄膜炎等。根據(jù)SpA的臨床特點，不同臨床將其分為兩種類型，包括中軸型SpA和外周型SpA，前者有強直性脊柱炎（Ankylosing Spondylitis，AS）和放射學陰性的中軸型SpA兩大類型；后者包括銀屑病關節(jié)炎（Psoriatic Arthritis，PsA）、IBD相關性關節(jié)炎和未分類的SpA。SpA患者早期常出現(xiàn)下腰背痛的臨床表現(xiàn)，晚期可出現(xiàn)關節(jié)骨破壞和新骨形成，嚴重者會導致關節(jié)運動功能喪失甚至致使患者殘疾，嚴重威脅患者的身心健康并增加社會的經(jīng)濟負擔。SpA的病因及發(fā)病機制尚未得到完全清晰的闡述，其中HLA-B27等多種基因、白細胞介素-23/白細胞介素-17（Interleukin-23/Interleukin-17，IL-23/IL-17）、機械應力及微生物菌群等多種因素均與SpA的發(fā)病有關；為進一步探索SpA的發(fā)病機制，目前已建立了多種能夠模擬SpA患者疾病特點的動物模型，包括HLA-B27大鼠/小鼠模型，以及其他多種自發(fā)性、誘導性和基因修飾的小鼠模型，包括SKG小鼠、TNFΔARE小鼠和IL-23誘導的SpA小鼠模型，同時這些研究表明了TNF和IL-23/IL-17軸在SpA疾病發(fā)生發(fā)展過程中起著關鍵作用。另一方面，由于SpA的局部病理組織獲取難度較大，致使對于SpA的研究受到一定程度的限制，因而建立能夠模擬SpA患者疾病特點的動物模型成為SpA疾病進一步研究的重要工具，現(xiàn)越來越多的國內(nèi)外研究開始側重于SpA相關動物模型的研究，下文就目前與 SpA有關的動物模型展開綜述，旨在為SpA動物模型的研究建立提供新思路，提升SpA動物模型的理論及實驗基礎，并為SpA的發(fā)病機制、臨床療法的研究提供新思路。
大鼠模型
早期HLA-B27雙轉基因成功的大鼠模型是將含有HLA-B27（B*2705）和Hβ2m基因導入到炎癥性疾病誘導易感的大鼠品系中建立人類白細胞抗原B27/人類β2微球蛋白（Human Leukocyte Antigen-B27/Human β2Microglobulin，HLA-B27/Hβ2m）雙轉基因大鼠模型，如導入Lewis大鼠編號為21-4H種系和F334大鼠編號為33-3種系。其中導入Lewis大鼠編號為21-4H種系的轉基因模型不但表現(xiàn)出與AS患者類似的脊柱炎，而且出現(xiàn)了不同程度的自發(fā)性腹瀉，結腸部位受影響最嚴重；關節(jié)的滑膜被大量炎性細胞浸潤，附著點的炎性反應；軟骨被侵蝕和骨贅形成都可以被觀察到。并且與人類SpA患者不同的是，雄性大鼠出現(xiàn)了附睪睪丸炎。
后來，雄性（21-3×283-2）低拷貝數(shù)的F1 Lewis大鼠（包含20個拷貝數(shù)的HLA-B27和50個拷貝數(shù)的Hβ2m）被建立。值得注意的是，該品系的所有大鼠均出現(xiàn)了附睪睪丸炎的癥狀，部分發(fā)生外周關節(jié)炎和脊柱炎，但沒有胃腸道炎癥癥狀表現(xiàn)。外周關節(jié)組織學檢查可見滑膜組織被炎性細胞浸潤，主要為中性粒細胞，嚴重情況下關節(jié)軟骨和軟骨下骨可能會受到致炎細胞的侵害，甚至累及骨髓，且可見破骨細胞樣多核巨細胞。脊柱關節(jié)的組織學檢查顯示，在位于纖維環(huán)和椎骨交界處的結締組織中能觀察到脊髓炎性反應的征象，炎癥浸潤含有大量中性粒細胞；骨終板逐漸被侵蝕破壞，同時可見破骨細胞樣多核巨細胞；在嚴重炎性反應的情況下，炎性反應會逐漸影響軟骨終板并累及骨髓，最終椎間盤和椎體也會被完全破壞。然而在肌腱/韌帶插入骨的位置，即附著點，未觀察到炎性反應和新骨形成。為提高HLA-B27/hβ2m（21-3×283-2）F1轉基因大鼠的發(fā)病率并且利于對動物模型進行干預研究，同時減少附睪睪丸炎引起的不適，該研究團隊在4周齡前對該轉基因雄性大鼠行睪丸切除術，隨后在6～8周齡時用滅活結核分枝桿菌和弗式不完全佐劑對睪丸切除術后的雄性大鼠和雌性大鼠進行免疫。在免疫后的2～3周，80%～100%的大鼠出現(xiàn)了關節(jié)炎及脊柱炎，且臨床和組織學特征與自發(fā)性HLA-B27/Hβ2m（21-3×283-2）F1轉基因大鼠模型類似。
HLA-B27的基因相關機制可能是多種因素作用的結果，包括細胞因子的表達、睪丸炎所導致的激素失調(diào)以及同時出現(xiàn)的胃腸道的異常，多種臟器受累的改變與人類B27相關疾病的臨床表現(xiàn)極為相似，是今后SpA模型發(fā)展的研究基礎，目前HLA-B27/Hβ2m轉基因大鼠是較為經(jīng)典的SpA模型，值得強調(diào)的是雖然在該動物模型中出現(xiàn)了附睪睪丸炎，但在人類SpA患者中并未見報道。現(xiàn)研究階段中由于轉基因大鼠模型的造模周期長、成模率低、匹配的試劑少等缺點，不能滿足當前研究的需要；而小鼠具有體積小、易控制、成本低以及基因編輯技術成熟等優(yōu)勢，因此目前在疾病研究的基因工程的動物大多選用小鼠。
SpA小鼠模型
HLA-B27轉基因小鼠模型
第一個人類HLA-B27的轉基因小鼠模型并沒有發(fā)生人類SpA的癥狀，其原因可能是小鼠的β2m在加工和組裝過程中使細胞表面表達的HLA-B27功能受到影響。建立具有人類白細胞抗原B27的內(nèi)源性β2微球蛋白缺失（Human Leukocyte Antigens-B27/Mouse β2-Microglobulin-/-，HLA-B27/Mβ2m-/-）轉基因小鼠被建立，該轉基因小鼠只有在普通環(huán)境下才發(fā)病，表現(xiàn)為部分小鼠出現(xiàn)了后爪關節(jié)炎，雄性的臨床表現(xiàn)較重，同時約40%出現(xiàn)關節(jié)炎的雄性小鼠最終出現(xiàn)了關節(jié)強直；組織學上以滑膜細胞增生、單個核細胞浸潤以及軟骨和軟骨下骨侵蝕為特點。隨后該團隊報道，在HLA-B27/Mβ2m-/-轉基因小鼠中轉入了人的β2m而建立的B27+Hβ2m+Mβ2m-/-雙轉基因小鼠也出現(xiàn)了人SpA患者相似的表型，但該發(fā)現(xiàn)并沒有被其他研究者重復出來。
腫瘤壞死因子（Tumor Necrosis Factor，TNF）過表達小鼠模型
TNF相關的AS小鼠模型主要有人TNF轉基因小鼠、TNFΔARE小鼠和TgA86（跨膜型TNF過表達小鼠）。人TNF過表達小鼠模型在3～4周能夠自發(fā)的發(fā)生多發(fā)性關節(jié)炎，組織學上關節(jié)滑膜增生、淋巴細胞在滑膜間隙浸潤，晚期血管翳形成和出現(xiàn)關節(jié)軟骨的破壞。但有些SpA的關鍵特征，如新骨形成和脊柱受累尚未出現(xiàn)。TNFΔARE小鼠是通過敲除TNF基因中的ARE（AU-rich-elements），使TNF的信使RNA（mRNA）能夠穩(wěn)定表達，同時TNF mRNA翻譯沉默減少，最終導致小鼠的內(nèi)源性TNF過度產(chǎn)生和表達。該小鼠模型自發(fā)的出現(xiàn)了外周多關節(jié)的滑膜炎、骶髂關節(jié)炎、附著點炎和腸道炎性反應，但新骨形成和脊柱受累尚未見報道，TNFΔARE小鼠有助于了解TNF在SpA疾病過程中的作用機制和作為潛在的治療靶點?？缒ば蚑NF過表達TgA86的所有小鼠的四肢均出現(xiàn)外周關節(jié)炎，表現(xiàn)為關節(jié)腫脹、前后爪變形、關節(jié)僵硬，最終導致握力喪失，中軸表現(xiàn)為尾巴彎曲僵硬和駝背。組織學可見關節(jié)面血管翳樣組織，且炎性侵蝕骶骨和髂骨。外周關節(jié)組織學表現(xiàn)滑膜炎、附著點炎和局灶性軟骨下骨侵蝕，且在附著點炎部位有異位的軟骨細胞和骨細胞形成。該TgA86小鼠模型-有利于研究跨模型TNF在脊柱關節(jié)炎炎癥早期及新骨形成過程中的作用機制。
到目前為止，TNF-α已被確定為中軸型脊柱關節(jié)炎的主要促炎細胞因子，TNF-α改變了成骨細胞和破骨細胞之間的相互平衡，在誘導骨破壞的同時使成骨細胞的功能下降，填補了中軸型脊柱關節(jié)炎中炎性反應到成骨這一研究的重要一環(huán)，同時也證實了TNF-α在中軸型脊柱關節(jié)炎的發(fā)病機制中的關鍵作用，另一方面現(xiàn)較多的研究力證了TNF-α抑制劑治療時能夠很好地控制疾病的發(fā)展。TNF過表達小鼠疾病模型能夠在SpA的發(fā)病機制、自身免疫病理的研究以及對藥物治療中軸型脊柱關節(jié)炎疾病的發(fā)展研究過程中作為極其重要的手段和研究基礎。
β-葡聚糖誘導SKG小鼠模型
SKG小鼠是ZAP-70W163C基因點突變的BALB/c小鼠，SKG ZAP-70基因突變導致T細胞選擇過程中發(fā)生紊亂，使自身反應性T細胞被釋放到外周，它還改變了CD4+CD25+Treg細胞的分泌以及功能。模型小鼠自發(fā)的發(fā)展成為自身免疫性關節(jié)炎表現(xiàn)為對稱性的外周關節(jié)紅腫，組織學上顯示有嚴重的滑膜炎，滑膜下大量的中性粒細胞、淋巴細胞、巨噬細胞和漿細胞的浸潤，滑膜細胞的增生伴血管翳的新生。事實上，SKG小鼠在無特定病原體（Specific Pathogen-free，SPF）的環(huán)境下不表現(xiàn)任何的癥狀，在SPF環(huán)境下，使用β-葡聚糖免疫SKG小鼠后，幾乎所有的小鼠四肢出現(xiàn)不同程度的紅腫，同時可見弓背、趾炎和尾巴畸形等表現(xiàn)。組織學上，可見踝關節(jié)以及周圍軟組織水腫、滑膜炎、免疫細胞浸潤。同時該模型小鼠也出現(xiàn)回腸炎、單側葡萄膜炎以及尾部銀屑病樣皮損等許多關節(jié)外的表現(xiàn)。凝膠多糖激活了IL-23的產(chǎn)生，進一步誘導了免疫失調(diào)、IL-17和IL-22等細胞因子的釋放。研究發(fā)現(xiàn)，抗IL-23治療β-葡聚糖誘導SKG小鼠和凝膠多糖誘導的IL-17-/-SKG小鼠的脊柱炎、外周關節(jié)炎、附著點炎和回腸炎均較野生型SKG小鼠明顯減輕。并且在該模型中發(fā)現(xiàn)IFN-γ、IL-6和IL-17A細胞因子的產(chǎn)生是具有IL-23依賴性的。最近的研究表明，在人類的肌腱中存在一些固有的CD4+和CD8+T細胞，當受到刺激后會產(chǎn)生TNF-α和IL-17A，此時的IL-17是不依賴IL-23的產(chǎn)生。研究表明T細胞和固有樣淋巴細胞可以通過IL-23以外的細胞因子產(chǎn)生IL-17，這些細胞因子通常是維持固有樣細胞T細胞群所必需的，如IL-7和IL-9等。
沒有一種動物模型能夠完全模仿人類疾病，SKG小鼠模型在微生物影響下發(fā)展為多器官炎性反應，該研究發(fā)現(xiàn)了與人類SpA類似的發(fā)病機制。在小鼠和人類的疾病研究中，遺傳風險因素、環(huán)境易感性、下游機制的IL-23/IL-17和TNF等信號傳導均與發(fā)病機制相關，在該模型中許多機制不同程度上支持了SpA的病因學和發(fā)病機制。SKG小鼠有效模擬了人類疾病的特征，讓我們對SpA的發(fā)病機制獲得了新的見解，針對SpA的新療法提供了新思路，對進一步認識疾病起到了重要的作用。
蛋白聚糖（Proteoglycan，PG）誘導BALB/c小鼠模型
軟骨PG是在人的關節(jié)軟骨和椎間盤中分離出來的一種細胞外基質(zhì)，PG誘導的小鼠模型是將從人類軟骨中提取出來的蛋白聚糖去免疫易感性BALB/c和一些C3H小鼠品系，最初該模型小鼠表現(xiàn)為關節(jié)的紅腫，隨病程進展出現(xiàn)關節(jié)的畸形和僵硬。組織學上表現(xiàn)為滑膜細胞的增生以及單核和中性粒細胞的浸潤；在四肢關節(jié)強直可有軟骨增生、骨贅形成和生長板破壞。另外，在中軸關節(jié)組織發(fā)現(xiàn)椎間盤炎、骶髂關節(jié)和脊柱關節(jié)的骨增生。PG誘導的關節(jié)炎模型出現(xiàn)了與人類SpA相似的外周關節(jié)和中軸關節(jié)的炎性反應和骨結構的改變。
在前人的基礎上，研究人員發(fā)現(xiàn)在人軟骨PG誘導的BALB/c小鼠免疫后出現(xiàn)外周關節(jié)的紅腫并且伴隨體質(zhì)量的下降。組織學上關節(jié)間隙有增生的滑膜細胞和淋巴細胞，在踝關節(jié)、趾指關節(jié)和跟腱的附著點處可見軟骨細胞的增生。Micro-CT結果顯示該模型小鼠的BMD和BV/TV較對照組顯著降低，并在中軸關節(jié)出現(xiàn)椎體的破壞和融合，骶髂關節(jié)見骨增生和關節(jié)融合。組織學上該模型小鼠椎間盤見異常增生的軟骨細胞，脊柱附著點部位有纖維結締組織增生，成骨細胞的異常增生；骶髂關節(jié)軟骨細胞異常增生。該模型在影像學和組織學等系統(tǒng)檢查方法的應用，成功建立了人軟骨誘導的PGISpA模型，該模型表現(xiàn)出來的特征與人類SpA具有很強的相似性，并且為SpA疾病的研究提供了重要的實驗工作基礎。
由人的關節(jié)軟骨蛋白聚糖誘導的脊柱關節(jié)炎小鼠模型未隨著外周關節(jié)的發(fā)生和發(fā)展，外周關節(jié)炎和中軸型脊柱炎可能是兩個獨立的病程，可能是不同模式或不同遺傳因素造成的。人的關節(jié)軟骨蛋白聚糖參與了BALB/c小鼠脊柱關節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展，可能在治療方面提示了需要針對上述抗原的免疫反應，不失為控制病情的有效方法，同時對全面的認識疾病的病理特點和診療有重要意義。
IL-23 過表達小鼠模型
IL-23是產(chǎn)生IL-17的經(jīng)典細胞因子，能與IL-23R結合并通過STAT3進一步激活JAK-STAT通路，IL-23/IL-17軸在SpA疾病發(fā)生發(fā)展機制中具有無法替代的作用。實驗表明高水平的IL-23能夠誘導肌腱端炎性反應并且進一步發(fā)展為病理性新骨形成和關節(jié)破壞，通過水動力學傳遞的方式將含有編碼IL-23的微環(huán)DNA（IL-23 minicircle DNA，IL-23mc）注入雄性B10.RIII小鼠體內(nèi)，使小鼠體內(nèi)的IL-23過表達從而導致嚴重和破壞性的多發(fā)性關節(jié)炎。在IL-23mc注射后的第28天，小鼠血清中的TNF、IL-6、IL-17A/F等細胞因子水平增加。組織學上滑膜增生，中性粒細胞和單個核細胞浸潤，并有新生的血管翳。研究發(fā)現(xiàn)在趾骨關節(jié)和跗骨，膝關節(jié)股骨遠端和脛骨近端有不同程度的骨損傷。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)在給予高劑量的IL-23mc后，小鼠在較早時間出現(xiàn)了關節(jié)紅腫的表現(xiàn)，并在組織學上出現(xiàn)了特異性的附著點炎。附著點炎的發(fā)生可能是由對IL-23敏感的RORγt+CD3+CD4-CD8-淋巴細胞所驅動，使CD3+T細胞分泌IL-17和IL-22從而導致附著點炎的發(fā)生。該模型為研究IL-23通路在附著點炎的發(fā)生發(fā)展過程中的作用機制提供了機會。
人類來源的IL-23過表達小鼠模型解釋了此類炎癥性疾病的發(fā)生依賴于IL-23和與人類背景的相關性，同時也說明IL-23/IL-17軸在各種情況包括各種方法誘導的疾病模型中的重要性，阻斷IL-23和IL-23R都可以有效的改善疾病的嚴重程度。目前SpA在臨床治療上存在很多未解決的需求，尤其缺乏顯著有效的藥物，研究者以此為出發(fā)點可以從發(fā)病機制IL-23/IL-17軸找尋和探索疾病發(fā)病機制相關的靶點，研發(fā)出有效的與之靶點相結合的抑制劑，實現(xiàn)精準的靶向治療。
其他動物模型
DBA/1、TTP KO和IL-27RA-/-p53R172H/+均是研究自身免疫性疾病的常用動物模型。雄性DBA/1小鼠自發(fā)的出現(xiàn)關節(jié)炎、趾炎和附著點炎，在10～12周齡小鼠中會有軟骨內(nèi)骨形成以及出現(xiàn)關節(jié)強直。Tristetraprolin（TTP）是一種RNA結合蛋白，通過破壞編碼促炎細胞因子的mRNA并抑制其生物合成（例如TNF-α），具有重要的內(nèi)源性抗炎作用；TTP KO模型會出現(xiàn)嚴重的全身性炎性綜合征，同時會伴有破壞性關節(jié)炎、骨質(zhì)減少、結膜炎和骨髓增生等嚴重表現(xiàn)。IL-27RA-/-p53R172H/+是通過IL-27受體α缺陷的IL-27RA-/-小鼠與P53R172H/+小鼠雜交獲得，由于敲除了IL-27RA，小鼠體內(nèi)Th17譜系失去IL-27對其分化的抑制作用，小鼠表現(xiàn)為脊柱出現(xiàn)骨丟失、椎間盤處出現(xiàn)病理性骨形成的表現(xiàn)，而炎性反應則很輕微。
3 結論與展望
SpA是一組累及脊柱關節(jié)、外周關節(jié)和肌腱韌帶附著點的慢性炎癥性疾病，附著點炎性反應是其特征性表現(xiàn)，炎性反應進而影響到骨的結構致使骨丟失、骨破壞的發(fā)生，嚴重者可出現(xiàn)關節(jié)強直以及致殘，危害人類的健康。研究學者為構建較好的動物模型以模擬SpA疾病特征，同時也是由于局部病變組織取材難度較大出現(xiàn)的不可行性，使得動物模型成為研究該疾病的一個重要工具，也提高了我們對SpA的認識，為我們在研究和認識SpA提供了可指導的思路。目前，針對在SpA的進展過程中不同的發(fā)病機制、表現(xiàn)和組織病理過程構建不同的大鼠和小鼠動物模型，以期模擬SpA的疾病特點，這些模型在基因修飾、疾病的機制和病理特征方面各有不同，動物模型數(shù)據(jù)都有助于SpA疾病發(fā)生和發(fā)展中致病過程的研究，為未來人類患者的疾病研究提供良好的基礎，從而更好地了解疾病的發(fā)展以及外周骨骼和其他組織如何參與這種疾病的發(fā)生，增加人們對于這一炎癥性疾病的理解，以此探索新的潛在治療靶點，旨在為進一步改善SpA患者預后的治療性策略提供基礎。
不同的動物模型特征模擬了疾病的不同臨床表現(xiàn)和組織病理結構，然而至今為止尚未構建一種動物模型能夠完全模擬SpA全部的臨床表現(xiàn)及一系列異常變化?，F(xiàn)有的大鼠和小鼠動物模型也存在一些不足，如大鼠模型的造模周期長、成模率低、匹配的試劑少等缺點；小鼠模型造模時間長、發(fā)病率低、表達不穩(wěn)定等。動物模型的應用為SpA的探索研究和治療提供了有力支撐，選擇和構建一個模仿人類SpA的動物模型是亟待解決的問題，具有十分深遠的意義?？傊?，SpA動物模型具有非常廣闊的應用前景，將是探究免疫性疾病診斷和治療的重點，打開免疫性疾病世界的大門。
Source: 實驗動物科學. 2024, 41 (02)；脊柱關節(jié)炎動物模型研究進展
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