・综 述・ 中国医药导报2014年12月第11卷第34期 骨髓炎动物模型的研究进展 鲁嘉良t 徐 鹏 刘志勇。 王润泽 250012 穆卫东 1.山东中医药大学第二临床学院,山东济南250355;2.山东大学附属省立医院创伤骨科,山东济南250021; 3.山东大学医学院,山东济南【摘要】骨髓炎是由于感染引起的骨及其相关组织的急性或慢性炎症。该病具有治疗困难、花费高、病程迁延不 愈、致残率高等特点。由于骨髓炎发病过程非常复杂、变异度高,目前有多种动物模型应用于骨髓炎的发病机 制、诊断和治疗的研究。建立骨髓炎模型的动物常使用兔、大鼠和小鼠,较少使用狗、猪、山羊等大型动物。然而, 目前研究中尚未发现可以较好控制的动物模型。本研究通过检索目前骨髓炎动物模型的建立方法,以期寻求一 种可以较好控制的用于研究骨髓炎发生、发展的动物模型,并对目前骨髓炎研究进展进行展望。 【关键词1骨髓炎;动物模型;感染;内固定 【中图分类号】R681.2 【文献标识码】A 【文章编号】1673—7210(2014)12(a)一0154—04 Research progress on osteomyelitis animal models LUJialiangJ XUPen LIUZhiyonf WANG Runze|MU Weidonf 1.The Second Clinical College,Shandong University of Traditional Chinese Medicine,Shandong Province,Ji'nan 250355,China;2.Department of Traumatic Orthopedic,Provincial Hospital Affiliated to Shandong University,Shan— dong Province,ji nan 250021,China;3.Medical College of Shandong University,Shandong Province,ji nan 250012,China 【Abstract】Osteomyelitis is an acute or chronic inflammatory process of the bone and its related structures secondary to an infection with pyogenic organisms.Osteomyelitis has the characteristics of difficult therapy,high cost,duration of delayed healing,high morbidity and etc.Because of the variety in disease presentations and pathophysiology of OS— teomyelitis,animal models have been created for investigating pathogenesis,diagnosis,and treatment in vivo experi— mentation.Various animal models have been used for osteomyelitis in previous studies,rabbits,rats,and mice are of- ten used,instead of large animals such as dogs,miniature pigs,goats and etc.However,animal models of better control has not yet been found in the present studies.This review is aim to seek a better control animal model for the study of occurrence and development of osteomyelitis,through retrieving the animal models establishing method currently,in the meanwhile,prospect the study progress of osteomyelitis. 【Key words】Osteomyelitis;Animal models;Infection;Fixation 骨髓炎是由感染引起的骨及其相关组织的急性或慢 性炎症过程【l】。根据病程,骨髓炎可分为急性、亚急性和慢 性3种类型。根据感染机制,骨髓炎可分为外源性和血源 类的单一动物模型尚未报道。本研究通过检索关于骨髓炎 动物模型的国内外文献并进行综述,以期寻求最佳的动物 模型建立方法。 1骨髓炎动物模型的历史回顾 性两类。外源性骨髓炎是由开放骨折、手术(医源性)或邻 近组织感染漫延引起的,而血源性骨髓炎则源自菌血症。此 外,依据宿主对感染的反应还可将骨髓炎分为化脓性和非 化脓性(肉芽肿性)两类。由于骨髓炎的发病过程非常复 最早的骨髓炎动物模型是1885年Rodet[2]通过直接将 葡萄球菌静脉注射到兔的体内的方法建立.但并不能模拟 人类疾病过程。1941年Scheman等嘲直接注射鱼肝油酸钠 杂,且变异度高,以上分类方法往往不能在临床上得到很 好的应用。以往有多种动物模型曾被用来进行骨髓炎的研 和葡萄球菌到兔胫骨干骺端,建立了一种可重复的慢性骨 髓炎模型,鱼肝油酸钠造成了骨的无菌坏死,这是能够引 究,基于这些早期的探索.可以研究骨髓炎的不同类型和 阶段,然而目前能够全面评价治疗、病原菌、疾病阶段和分 【基金项目】国家自然科学基金项目(编号:81171708、81401786)。 起骨髓炎进展的基础。这一方法被国内外多位研究者进一 步验证和发展,成为常用的建模方法。此后,多种小型动 物,如大鼠、小鼠和大型动物如狗、猪、山羊等开始被使用, 【作者简介】鲁嘉1 ̄(1988.2一),男,山东淄博人,山东中医药大学2012级 外科学(骨外)专业在读硕士研究生;研究方向:主要从事创伤骨科疾 病临床与基础研究。 越来越多的新方法在临床工作和研究中被应用。 2骨髓炎动物模型的进展 2.1静脉注射模型 【通讯作者】穆卫东(1970.2一),男,山东滨州人,博士生导师,主任医师; 研究方向:创伤骨科。 Rodet[2]通过直接静脉注射葡萄球菌到兔体内建立模 型.但是实验发现该方法具有较高的动物致死率和较低的 CHINA MEDICAL HERALD Vo1.1 1 No.34 December 2014 中国医药导报2014年12月第ll卷第34期 ・综 述・ 骨髓炎成功率。Emslie等[41通过鸡翅静脉直接注射金黄色 对生物膜内细菌的作用,将表面覆盖生物膜细菌的不锈钢 葡萄球菌的方法首次成功建立急性血源性骨髓炎动物模 型,研究证实了血流缓慢是引起细菌沉积的原因,骨骺血 管出现的内皮细胞间隙也是造成葡萄球菌骨髓炎的原因。 Pouhsides等_5l通过将葡萄球菌直接注射到股动脉来建立新 棒植入大鼠并且在手术部位接种细菌悬液。随后用妥布 霉素、万古霉素或头孢呋辛进行治疗,头孢呋辛治疗后发 现抑制了细菌群落在骨髓中的聚集,减少但并没有消除 来自植入物的细菌;妥布霉素治疗无效;万古霉素虽然无 法消除生物膜但部分动物的感染治疗有效。另一项类似 的实验仅植入预处理过的植入物而不接种细菌.所有实 验动物均出现骨髓炎.证明在手术部位同时应用细菌悬液 并不是必须的,还证明了头孢呋辛在消除细菌生物膜的有 效性。 的植入物相关的骨髓炎模型,但结果发现高浓度(5xlOs个 菌落数)会导致100%的病死率。而浓度降低也不能得到稳 定的感染结果。进一步说明了该模型建立的困难:即便注 入确保造成感染的最低浓度细菌.也会导致实验动物由于 全身炎性反应而大量死亡。 2.2局部注射或接种模型 Lucke等[131通过模拟髓内针来建立一种大鼠模型。为 了与人类疾病过程类似,并未使用其他能够引起骨髓炎的 促进剂。实验发现100个菌落数就可以发生急性破坏性骨 1941年Scheman等[31报道了第一个可以重复的慢性兔 骨髓炎模型。实验组动物局部应用5%鱼肝油酸钠和金黄 色葡萄球菌悬液,发现骨和软组织脓性组织形成、新骨形 成、骨膜下出现脓肿、骨骺和骺板破坏,并将这种模型的 成功归于硬化剂鱼肝油酸钠,因为其可以引起骨的无菌性 坏死。 髓炎。同时.无菌克氏针可以模拟体内异物植入和生物膜 形成。该模型被后来其他一些研究者所验证和重复¨4_阍,此 外还有植入细菌和髓内固定后使用骨水泥和骨蜡封闭钉 孔来建立模型【 切。 Garvin等 建立一种犬慢性骨髓炎模型来探讨多乳酸 化合物/聚乙醇酸交酯共聚物作为局部载药系统,感染四周 后行伤口清创并开始治疗。利用庆大霉素骨水泥或庆大霉 1970年NordenE ̄通过研究菌落接种验证了Scheman等131 的模型。发现单独应用鱼肝油酸钠或葡萄球菌在14 d或 60 d时无明显骨髓炎症状,而同时应用鱼肝油酸钠和葡 萄球菌在60 d和180 d时90%的感染胫骨培养出细菌:影 素多乳酸化合物/聚乙醇酸交酯共聚物。6周后提取组织, 取出内植物,发现骨水泥可以完整取出,而共聚物因为大 部分已经被吸收而无法完整取出。实验发现局部治疗效果 比全身用药效果要好.并且使用可吸收材料作为载药系统 不需要进行植入物取出手术。 像学结果显示脓肿形成、骨膜破坏、骨正常结构被破坏和 新骨形成。卢曼鹏等17]在探讨骨髓炎模型与菌液浓度的关 系中重复了该方法,并通过大体标本观察和放射学检测 标准反映骨髓炎严重程度分级。闻一新等[81制备兔胫骨金 黄色葡萄球菌慢性骨髓炎模型,在兔胫骨近端钻孑L,髓 腔注射鱼肝油酸钠和2×l0 个菌落数的金黄色葡萄球菌 并且骨蜡封闭,30例患者中有3例死亡,27例通过大体 观察、放射学、细菌学及组织病理学等方法评价,显示造模 成功。 李云飞等[ 91采用植入载药纳米仿生骨的方法治疗兔骨 髓炎,取得良好疗效。吴伟等l删通过建立兔慢性股骨骨髓炎 模型研究可降解缓释抗生素载体对慢性骨髓炎的治疗效 果,发现硫酸钙、纳米羟基磷灰石两种载体效果更好,有良 好的应用价值。 2.4其他模型 Schulz等[91将一枚活检针头植入股骨近段髓腔,通过 活检针取出1 mL骨髓.然后将0.1 mL 5%鱼肝油酸钠和 0.1 mL葡萄球菌悬液注入髓腔,并且将活检针头留在髓 腔内,研究发现所有实验动物均发生骨髓炎,认为抽出 骨髓破坏了髓腔内血运,同时硬化剂的应用是模型成功的 关键。 1988年Worlock等_2l_最早利用兔研究开放性骨髓炎。 通过造成开放骨折并进行髓内固定建立模型。最近 Williams等㈤利用模拟羊胫骨近端的Gustilo mB型开放骨 折,同时使用涂有耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物膜钢板 作为内固定建立模型。褚立涛等 在研究兔胫骨创伤后骨 髓炎时.通过造成兔胫骨开放骨折、断端菌液注射和小夹 板外固定也成功建立模型。 Lindsey等 和Aslani等[251通过模拟大鼠股骨开放骨 折、克氏针髓内固定和髓腔接种金黄色葡萄球菌建立模 型.研究免疫调节对于预防和治疗骨髓炎的作用,认为其 Salgado等㈣在羊的胫骨钻直径为3 mm的孔,注射金 黄色葡萄球菌后10 min注射5%鱼肝油酸钠1 mL,术后1 h 注射头孢唑林预防致死性脓毒血症,在术后12~l6周处死 动物并进行临床和影像学检查。27只实验动物在影像学和 组织学发现骨髓炎形成,并且没有动物出现致死性脓毒血 症。11例在引流部位形成伤口,23例的细菌培养发现金黄 色葡萄球菌。章相锋等I“]用兔重复和验证了该方法,成功率 为100%。 2.3生物膜及载药系统研究模型 可在治疗骨科相关的感染中发挥作用,提供了一种通过免 疫调节来治疗骨髓炎的新思路。 Funao等[261建立了一个实时、定量、可重复的小鼠骨髓 炎模型,切开膝关节,在股骨远端钻孔,向髓腔注射金黄色 治疗骨髓炎时,植入的生物材料可能形成细菌生物 膜.这是骨髓炎的治疗中面临的仅次于产生细菌耐药性的 第二个复杂问题。Gracia等[ 21通过建立模型来研究抗生素 葡萄球菌后用骨蜡封闭钻孔.利用生物发光体内成像检测 技术连续监测感染的过程和骨髓炎的建立。 黄金亮等771建立动物模型模拟临床难治性慢性骨髓炎, CHINA MEDICAL HERALD Vo1.1 1 No.34 December 201 4 ・综 述・ 中国医药导报2014年12月第11卷第34期 cal muscle transplantation J South Orthop Assoc,1998,7(1):43一 在应用鱼肝油酸钠和金黄色葡萄球菌建立慢性骨髓炎模 型的基础上.经清创、万古霉素治疗后依然有56.8%未治 愈,认为成功建立难治性慢性骨髓炎动物模型。 3骨髓炎动物模型常用的实验动物 57・ [21 RodetA・Etude exP。打 “ al。。“ R。“dA。 s。i, 88 ,99: 9一 ’L 。my。 i 。infe。 i。 。【J】-c。 pt 在以往的研究中有多种动物模型曾被用来进行骨髓 炎的研究,常用的动物有兔、大鼠和小鼠,狗、猪、山羊等较 少1吏用。 兔早在1885年被Rodet[2 ̄作为模型动物进行骨髓炎的~【e0mvelitis: li in ,p。rt[J】_JA ,l94l,177(1 :1525—1529. f41 E s1ie KRN d。s.A t h at。ge 。 s staphyl。c。ccal 0ste。my。li一 titsA descripti。n。f the natural hist。ry in an avian m。de1 fJ】.Am J .Patho1.1983.110(3):333—345. 研究,并且回顾已有文献被使用次数最多。其大小较合适, 相对容易饲养和维持,此外骨的尺寸也足够大.可以支持 [51 Poultsides LA,Papatheodorou LK,Karachalios TS,et a1.Novel model ofr studying hematogenons infection in an experimental setting of im一 钢板螺钉内固定的安放。包括兔胫骨模型 _8 28-3o]、兔股骨模型 捌、兔血源性骨髓炎模型翻、兔下颌骨模型pl】等。 plant—related infecti。“by a c。mmunity—acq“i d hi i i”一 i “ s “ i“[J】_J onh叩R。 , o08, 6( 0): 。 一 .一・ de 大鼠具有体积小、经济的特点,是一种成熟的模型建立 对象,并且支持尺寸较小的髓内固定,包括大鼠胫骨 、 ordenCWExpimenta1osteomliterye.. 。A de ri i0“ofm。 Infe。t。.1972(5)1。418s.。12:4,大鼠股骨模型 。 等。 小鼠作为最常用的试验动物也被用来研究骨髓炎的 病理过程。Funao等闭以小鼠为实验动物.利用生物发光体 内成像检测技术实现了对骨髓炎发生与发展的实时动态 连续监测。 其他一些实验表明,大型动物模型可以制作慢性、渐 进性和稳定的感染r 。- 4小结与展望 一[7]卢曼鹏蒋电明,权正学,等.兔胫骨慢性骨髓炎动物模型的建立『J]. 中华实验外科杂志2010,(5):664—666. ,[8】闻一新,周田华,徐永清,等.兔胫骨金黄色葡萄球菌慢性骨髓炎模 型的制备『J1.实用骨科杂志,2013,11:1001-1003. [91 Schulz s,SteinhartH,MuttersR.Chronic osteomyelitisin a newtab一 bit odel lJ1.J InVe Surg,2001,14(2): 一 ・ [1O1 algad0 cJ,Ja li AA,Mardini S,et al・A 。d 1 f0 。h “i 砒 叨・a 。 叩 [11]章相锋,阮峰,谭彦斌,等.明胶海绵吸附金黄色葡萄球菌改进兔 ,个好的动物模型可以有效地模拟疾病的发生发展 慢性骨髓炎模型 中华实验外科杂志2012,29(6):1204. 过程,从而来探索新的诊断和治疗原则。多年来,国内外学 者对骨髓炎动物模型的建立方法进行了大量深入研究,其 中包括静脉注射模型,由于该模型病死率高,并且与人类 疾病过程不同,故无法用来评价内植物引起的感染。局部 注射或接种模型主要依赖于细菌种植和软组织操作来导 致感染,如硬化剂、异物植入、纤维蛋白胶,认为骨的预处 理比细菌植入更加重要 。生物膜及载药系统研究模型, [12]Gmcia E,Lac1e—riga A,M。nz。 n M,et a1.App1icati。n。f a rat ns- 【e0mye1itis roode1 t。c。mpare in viv。and in vitro the antibi。tic efif一 cacy against bacteira with high capacity to form bioiflms[J1.J Surg Res,1998,79(2):146—253・ [131 Lu。k。M,Schmidmaier G,Sadoni S,et I.A“。 te dostrel ate.d。 。 i pl “ 一 eom1itisinyerats1J1.J Bi 。d M 。 R。。B A l Bi。。 200367(1):593一6。2..f14】Bisla d SK,Chien c。wil 。 Bc,。t 1.P 一cli ical i it and i 1978年Costerton等阁提出生物膜后,研究者开始围绕其建 立新的动物模型,并且有效的局部治疗使研究者逐渐关注 可降解的局部载药系统。 目前已有的模型中有多种动物被应用于研究,小动物 viv。studies t。examine the p0lential use。f photodvnamic thempy in the treat ent of 0ste。 ve1iti 『J1_Ph0tochem Phnt0hinl Sci,2006,5 (1):31—38. 【l5]Garcia-Alvarez F,Navarro-ZorraquinoM,CastroA,et a1.Effect of age 虽然具有很多优势,但是不能接受临床内植物系统,且无 法进行复杂的操作,所以也就无法有效评价骨髓炎。狗、 猪、山羊等大型动物的骨和关节的尺寸接近于人类.可以 使用临床内植物,而且这些大型动物能够耐受较大的药物 剂量,承受较复杂手术和更大的失血量。但是大型动物饲on cytokine resPonse in an experimental model of 0steomyelitis『J1_ Biogerontology,2oo9,10(5):49—658・6 [ 6]0 “ KE,Yucel ,K。c。glu E,et ・Em。 。y。 in。xaci“。。 一 p …n‘he打eann ¨mp m-rd砒ed ch 。 teomy i i i“咖 [J】.J 0nh。pR。 ,2。 。, ( o): 一 3 ・ o binso【"]Rn养困难、花费高、观察时间长使研究变得困难。 随着分子生物学和组织工程的发展,越来越多的新方 法应用于临床工作和研究中。目前关于骨髓炎的研究主要 DABe ch toldJECarlsonC S,,,e a1.Develoofafracpment R。,- t e0sle。玎lv。1iti。。lid th。ratfeu(1):131—137. [18]GJ。nh[J].叩2。1129,arvi KL,Mivan。JA'R0bins。nD,et a1.P0ly1actide/o0lv vco1ide a 一 .集中在抗生素以及局部载药系统方面,包括骨水泥控释系 统、载药人工骨以及纳米人工骨的应用,在控制感染的同 时可以作为骨骼重建支架。此外,骨髓炎的免疫研究也逐 渐被大家关注,如何通过调节细胞免疫和体液免疫来预防 治疗骨髓炎发生发展成为一个研究的新方向。 tibi。ti i p1drntsinth。t 。at.ne t。f osteo州eliti A caninem。del田. J B0 e Joint S 璎Am1994,76(10):1500—1506. ,[191李云飞方涛林.董健.载万古霉素纳米羟基磷灰石对耐甲氧西林 。金黄色葡萄球菌慢性骨髓炎兔骨缺损的修复lJ1.中国组织工程与 临床康复,2008,12(23):4422—4426. 【参考文献】 [1】Maynor ML,Moon RE,Camporesi EM,et a1.Chronic osteomyelitis of the tibia:treatment of hyperbaric oxygen and autogenous microsurgi一 [201吴伟,李振清,杨建中,等.可降解抗生素缓释载体治疗慢性骨髓 炎动物模型的实验研究[J].实用骨科杂志,2013,19(3):229一 23 1,289. CHINA MEDICAL HERALD Vo1.1 1 No.34 December 201 4