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软骨修复研究中动物模型的优点和局限性

2017年12月01日 浏览量: 评论(0) 来源:Journal of Experimental Orthopaedics December 2016, 3:1 | Cite as 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:本文综述了目前用于软骨缺损修复试验的体内模型。前使用的一些临床前模型目包括小鼠、兔、绵羊、山羊、猪、犬、马模型。这篇综述将研究目前在软骨修复前临床研究中使用的各种动物模型的优缺点。
摘要:目前许多研究正在采用新的生物材料进行软骨缺损修复的新疗法,声称具有显著的再生能力。这些生物材料可以被归类为医疗器械,因此必须在植入人体前进行严格的测试。这个测试的很大一部分涉及体外试验和生物力学测试。然而,为了弥补实验室和临床之间的差距,需要在体内进行临床前试验,通常由监管机构批准。本文综述了目前用于软骨缺损修复试验的体内模型。前使用的一些临床前模型目包括小鼠、兔、绵羊、山羊、猪、犬、马模型。这篇综述将研究目前在软骨修复前临床研究中使用的各种动物模型的优缺点。
 
关键词:组织工程 胶原 体内 骨软骨
 
简介:长期以来,软骨缺损引起了严重的发病率,给外科医生带来了难以修复的困难。由于软骨表面的性质和特殊的细胞密度低的特异性刚性细胞外基质,组织本身很难再生。目前正在进行的重要研究集中在停止这些缺陷的传播和最终的关节置换要求。目前的临床方法包括骨髓刺激技术、软骨塞移植和扩大的自体软骨细胞植入。近年来,关注的焦点已经转移到生物材料与细胞的生物工程支架。虽然生物材料的体外测试和生物力学分析可以提供许多关于这些新型生物材料的安全性、有效性和修复潜力的信息,但要真正评估其再生能力,以及与植入相关的免疫反应,需要使用动物模型。在新设备可以转化为临床实践之前,监管机构需要在动物体内进行研究。在进行动物研究时,必须遵循3R原则:减少、优化和替代。使用的动物数量应减少到达到有效的统计显著结果所需的最低限度。任何可能的情况下,动物的使用都应该用其他方法来代替,如计算机模拟、尸体或体外试验,实验必须以任何可能的方式加以改进或改变,以减少所有涉及动物的痛苦。
 
小动物模型:啮齿类动物模型:小动物模型可以非常有用地提供关于植入物停留时间的信息,也可以确定形成修复组织的类型。裸鼠的可用性,转基因和基因敲除菌株的大鼠和小鼠意味着这些模型可以用来评估多种因素包括小鼠品系的使用(DBA/1),其中骨性关节炎发生自发性和裸株可用于评价同种异体和异种细胞和组织。啮齿类动物,如小鼠和大鼠,有目的繁殖是为了减少生物变异。因此,它们充当了体外和体内实验中提供概念数据证明的良好桥梁。然而,它们的关节很小,软骨非常薄,仅由几个细胞层组成。啮齿类动物模型可以提供有用的皮下模型和肌内模型,用于评估生物材料和植入物的降解率和安全性,一般为6~8周。大鼠模型不经常使用于修复软骨缺损的评价由于软骨层较薄。股骨滑车沟关节软骨缺损直径1毫米,深0.15毫米,用于评价释放水凝胶的生长因子。此外,直径为1.5毫米的股骨髁和2毫米的骨软骨缺损已被用于评估生物材料。这些模型在确定新的生物材料修复过程的临床潜力方面潜力有限。啮齿类动物在其成熟期也有开放的生长板,因此可能增加内在愈合能力。此外,啮齿类动物的步态和生物力学负荷环境与人类的差异很大。因此,啮齿类动物极有可能被用作人体软骨表面修复的翻译模型。
 
兔模型:兔模型为软骨修复的评估提供了一个更合适的小动物模型,因为它们有较大的关节,并且是一个很好的尺寸,便于外科手术和标本处理,软骨厚度为0.25毫米- 0.75毫米。兔已被广泛用于软骨修复的评估,长达16周的研究,虽然之前已经进行了大约1年的兔子研究。兔子有很多优点,因为它们价格便宜,操作方便,便于运输。股骨髁是最经常用于负重模型缺陷的部位。由于跳跃过程中后肢的着陆模式多种多样,平均262.3%的体重作用与内侧外侧胫股关节,303.8%体重作用与外侧关节。以前的研究显示,胫骨平台外侧骨密度增加和软骨组织体积平衡。此外,兔后肢主要保持完全弯曲的状态,与人类主要是膝关节负重相反。因此,由于不同的生物力学,因此,当兔研究结果与人类比较时建议谨慎小心。髁间沟缺损被用作部分负重缺损。与其他物种相比,由于较高的代谢活性和靠近缺损部位的多能干细胞密度,兔关节软骨模型的修复率可能更高。此外,人和兔关节软骨中的软骨细胞大小没有显著差异。人股骨内侧髁(MFC)软骨的整体细胞体积密度约为1.7%,而成年兔的软骨细胞体积密度约为12.2%。人和兔的细胞密度分别为1800和7500每立方毫米。兔软骨细胞密度增加意味着有更多的细胞紧靠缺损部位进行修复。兔股骨内侧髁(MFC)中的骨密度与骨板上的骨密度相似(分别为1.19克/立方厘米和1.17克/立方厘米),但深度为3毫米时为0.65克/立方厘米,而在人类中则为0.36微克/立方厘米。兔子MFC骨体积分数为58 ± 10%,而人为33 ± 13%。兔膝关节与人类相比,具有不同的载荷特性和软骨厚度。
 
大动物模型:短期(8 - 12周)的研究可以用来提供信息的生物相容性,早期的细胞反应性和持久性和植入内缺陷的条件。更长的研究(6 - 12个月)是必要的,获得关节软骨修复和再生的成功程度,包括与邻近软骨、软骨下骨和关节面的接触。1)缺损的大小不应超过关节面的15至20%,或髁突宽度的50 - 60%。 2) 由于缺陷部位的凸曲率,缺陷可以从中心到边缘不同。 3)有必要考虑半月板和胫骨平台关节的影响。
 
犬模型:犬有许多人类软骨病变如骨软骨炎、骨关节炎。兽医定期对犬膝关节进行关节内窥镜术。因此,犬模型被认为是软骨修复研究的理想选择。犬接受康复治疗方案,很好地应对不动关节,并可以训练在跑步机上走,可以游泳和控制负重康复。软骨厚度,显著薄于人类软骨,中型到大型的狗(范围:0.95 - 1.3毫米),报告的缺陷临界尺寸直径为4毫米,即使在最大的狗中。解剖学上的差异是起源于一个额外的囊内,额外的关节,外侧趾长伸肌腱起源于犬关节的髌骨沟外侧缘。它的功能是在膝关节屈曲过程中前足背屈。虽然犬围手术期的治疗方法很好,其膝关节没有很好地模拟人的膝关节,伦理问题也阻碍了它们的广泛应用。
 
猪模型:猪(猪)模型在关节大小、关节载荷、重量等方面都是有优势,自发愈合功能差,骨小梁厚度和胶原网络的排列同人类相似。此骨骼年龄相仿的成熟动物采购往往是困难的。成年小型猪体重约40-70kg,是很好的模型动物。生理参数,如血细胞计数、血液凝固、电解质和肝酶,已被证明与人类相似。据报道,未成熟的尤卡坦小型猪股骨内侧髁软骨厚度为1~2毫米。哥廷根小型猪外周骨组织形态计量学分析显示,骨沉积率和骨小梁厚度,类似于人类的。这是衡量植入生物材料炎症反应和毒性的一个重要因素。许多研究使用未成熟的小型猪,没有达到骨骼成熟,因此报告的数据在临床上的相关性有限。
 
影响模型选择的操作因素:选择一个模型而非另一个模型有很多原因,但是某些模型的外科局限性在选择合适的组中起着很大的作用。大小是主要因素之一。为了在特定区域内植入一种生物材料,该区域必须有足够的尺寸才能植入。例如,一个大鼠膝关节有一个0.1毫米的MFC软骨厚度,在小鼠软骨只有几层细胞厚而山羊MFC的厚度为0.8毫米到2毫米之间。人类修复软骨的手术后恢复各不相同,自由运动和负重的逐渐增加改善了结果。然而,这在动物模型中是很复杂的。在某些动物,如马,不负重是不可能的,并可能导致严重危及生命的疾病。
 
影响模型选择的体外因素:选择的模型影响分析结果,无论是研究中,或是结束时进行的安乐死。小动物原位显微CT或活体动物的磁共振成像有良好的影像学评分。由于设备有限,这对大型动物更具挑战性。在大型动物中,较大的关节尺寸允许在研究期间进行第二次关节镜检查。这可以在研究终点之前提供关于修复组织的有用信息。大动物模型的使用导致对较大的组织标本进行分析。例如,在马模型中,临界缺陷尺寸是9毫米,这带来了一些技术上的缺点,在染色前需要较长的脱钙时间。必须在研究开始时仔细考虑这些因素,并选择所需的适当模型。
 
结论:在减轻疼痛和阻止关节退变的装置的研制方面,有一个重要的临床前空白。选择适当的临床前体内模型对于确保成功地向临床转化是非常重要的。大型动物研究中所涉及的财务和人工成本可能是令人望而却步的,因此,为了验证概念或退化和安全性,在大型动物研究中确认动物的有效性之前,可以使用小动物或啮齿类动物模型。考虑四足动物关节的生物力学和运动学是非常重要的。接头承载面上的接触压力受关节面应力和应变的影响而不是完全类似于人膝关节的应力和应变的。在许多方面,山羊模型是在软骨面缺损修复大型动物研究的最合适的模型,由于解剖学最接近人类,他们的膝关节与膝关节的生物力学相似,软骨厚度充足,允许部分和全层缺损。在广泛使用前,临床前研究对于确保生物材料的安全性和有效性是重要的,然而,不同的动物模型和人类的解剖和生物力学之间存在着显著的差异。为了成功地将生物材料转译到临床,这些差异必须在研究设计和比较研究结果中得到承认和考虑。
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