脊柱关节炎（Spondyloarthritis，SpA）是由多种免疫因素导致的一种常见的慢性炎症性自身免疫病，常累及中轴脊柱、外周关节、肌腱和韧带的附着点和其他部位，关节外表现包括银屑病、炎性肠病（Inflammatory Bowel Disease，IBD）和葡萄膜炎等。根据SpA的临床特点，不同临床将其分为两种类型，包括中轴型SpA和外周型SpA，前者有强直性脊柱炎（Ankylosing Spondylitis，AS）和放射学阴性的中轴型SpA两大类型；后者包括银屑病关节炎（Psoriatic Arthritis，PsA）、IBD相关性关节炎和未分类的SpA。SpA患者早期常出现下腰背痛的临床表现，晚期可出现关节骨破坏和新骨形成，严重者会导致关节运动功能丧失甚至致使患者残疾，严重威胁患者的身心健康并增加社会的经济负担。SpA的病因及发病机制尚未得到完全清晰的阐述，其中HLA-B27等多种基因、白细胞介素-23/白细胞介素-17（Interleukin-23/Interleukin-17，IL-23/IL-17）、机械应力及微生物菌群等多种因素均与SpA的发病有关；为进一步探索SpA的发病机制，目前已建立了多种能够模拟SpA患者疾病特点的动物模型，包括HLA-B27大鼠/小鼠模型，以及其他多种自发性、诱导性和基因修饰的小鼠模型，包括SKG小鼠、TNFΔARE小鼠和IL-23诱导的SpA小鼠模型，同时这些研究表明了TNF和IL-23/IL-17轴在SpA疾病发生发展过程中起着关键作用。另一方面，由于SpA的局部病理组织获取难度较大，致使对于SpA的研究受到一定程度的限制，因而建立能够模拟SpA患者疾病特点的动物模型成为SpA疾病进一步研究的重要工具，现越来越多的国内外研究开始侧重于SpA相关动物模型的研究，下文就目前与 SpA有关的动物模型展开综述，旨在为SpA动物模型的研究建立提供新思路，提升SpA动物模型的理论及实验基础，并为SpA的发病机制、临床疗法的研究提供新思路。

大鼠模型

早期HLA-B27双转基因成功的大鼠模型是将含有HLA-B27（B*2705）和Hβ2m基因导入到炎症性疾病诱导易感的大鼠品系中建立人类白细胞抗原B27/人类β2微球蛋白（Human Leukocyte Antigen-B27/Human β2Microglobulin，HLA-B27/Hβ2m）双转基因大鼠模型，如导入Lewis大鼠编号为21-4H种系和F334大鼠编号为33-3种系。其中导入Lewis大鼠编号为21-4H种系的转基因模型不但表现出与AS患者类似的脊柱炎，而且出现了不同程度的自发性腹泻，结肠部位受影响最严重；关节的滑膜被大量炎性细胞浸润，附着点的炎性反应；软骨被侵蚀和骨赘形成都可以被观察到。并且与人类SpA患者不同的是，雄性大鼠出现了附睾睾丸炎。

后来，雄性（21-3×283-2）低拷贝数的F1 Lewis大鼠（包含20个拷贝数的HLA-B27和50个拷贝数的Hβ2m）被建立。值得注意的是，该品系的所有大鼠均出现了附睾睾丸炎的症状，部分发生外周关节炎和脊柱炎，但没有胃肠道炎症症状表现。外周关节组织学检查可见滑膜组织被炎性细胞浸润，主要为中性粒细胞，严重情况下关节软骨和软骨下骨可能会受到致炎细胞的侵害，甚至累及骨髓，且可见破骨细胞样多核巨细胞。脊柱关节的组织学检查显示，在位于纤维环和椎骨交界处的结缔组织中能观察到脊髓炎性反应的征象，炎症浸润含有大量中性粒细胞；骨终板逐渐被侵蚀破坏，同时可见破骨细胞样多核巨细胞；在严重炎性反应的情况下，炎性反应会逐渐影响软骨终板并累及骨髓，最终椎间盘和椎体也会被完全破坏。然而在肌腱/韧带插入骨的位置，即附着点，未观察到炎性反应和新骨形成。为提高HLA-B27/hβ2m（21-3×283-2）F1转基因大鼠的发病率并且利于对动物模型进行干预研究，同时减少附睾睾丸炎引起的不适，该研究团队在4周龄前对该转基因雄性大鼠行睾丸切除术，随后在6～8周龄时用灭活结核分枝杆菌和弗式不完全佐剂对睾丸切除术后的雄性大鼠和雌性大鼠进行免疫。在免疫后的2～3周，80%～100%的大鼠出现了关节炎及脊柱炎，且临床和组织学特征与自发性HLA-B27/Hβ2m（21-3×283-2）F1转基因大鼠模型类似。

HLA-B27的基因相关机制可能是多种因素作用的结果，包括细胞因子的表达、睾丸炎所导致的激素失调以及同时出现的胃肠道的异常，多种脏器受累的改变与人类B27相关疾病的临床表现极为相似，是今后SpA模型发展的研究基础，目前HLA-B27/Hβ2m转基因大鼠是较为经典的SpA模型，值得强调的是虽然在该动物模型中出现了附睾睾丸炎，但在人类SpA患者中并未见报道。现研究阶段中由于转基因大鼠模型的造模周期长、成模率低、匹配的试剂少等缺点，不能满足当前研究的需要；而小鼠具有体积小、易控制、成本低以及基因编辑技术成熟等优势，因此目前在疾病研究的基因工程的动物大多选用小鼠。

SpA小鼠模型

HLA-B27转基因小鼠模型

第一个人类HLA-B27的转基因小鼠模型并没有发生人类SpA的症状，其原因可能是小鼠的β2m在加工和组装过程中使细胞表面表达的HLA-B27功能受到影响。建立具有人类白细胞抗原B27的内源性β2微球蛋白缺失（Human Leukocyte Antigens-B27/Mouse β2-Microglobulin-/-，HLA-B27/Mβ2m-/-）转基因小鼠被建立，该转基因小鼠只有在普通环境下才发病，表现为部分小鼠出现了后爪关节炎，雄性的临床表现较重，同时约40%出现关节炎的雄性小鼠最终出现了关节强直；组织学上以滑膜细胞增生、单个核细胞浸润以及软骨和软骨下骨侵蚀为特点。随后该团队报道，在HLA-B27/Mβ2m-/-转基因小鼠中转入了人的β2m而建立的B27+Hβ2m+Mβ2m-/-双转基因小鼠也出现了人SpA患者相似的表型，但该发现并没有被其他研究者重复出来。

肿瘤坏死因子（Tumor Necrosis Factor，TNF）过表达小鼠模型

TNF相关的AS小鼠模型主要有人TNF转基因小鼠、TNFΔARE小鼠和TgA86（跨膜型TNF过表达小鼠）。人TNF过表达小鼠模型在3～4周能够自发的发生多发性关节炎，组织学上关节滑膜增生、淋巴细胞在滑膜间隙浸润，晚期血管翳形成和出现关节软骨的破坏。但有些SpA的关键特征，如新骨形成和脊柱受累尚未出现。TNFΔARE小鼠是通过敲除TNF基因中的ARE（AU-rich-elements），使TNF的信使RNA（mRNA）能够稳定表达，同时TNF mRNA翻译沉默减少，最终导致小鼠的内源性TNF过度产生和表达。该小鼠模型自发的出现了外周多关节的滑膜炎、骶髂关节炎、附着点炎和肠道炎性反应，但新骨形成和脊柱受累尚未见报道，TNFΔARE小鼠有助于了解TNF在SpA疾病过程中的作用机制和作为潜在的治疗靶点。跨膜型TNF过表达TgA86的所有小鼠的四肢均出现外周关节炎，表现为关节肿胀、前后爪变形、关节僵硬，最终导致握力丧失，中轴表现为尾巴弯曲僵硬和驼背。组织学可见关节面血管翳样组织，且炎性侵蚀骶骨和髂骨。外周关节组织学表现滑膜炎、附着点炎和局灶性软骨下骨侵蚀，且在附着点炎部位有异位的软骨细胞和骨细胞形成。该TgA86小鼠模型-有利于研究跨模型TNF在脊柱关节炎炎症早期及新骨形成过程中的作用机制。

到目前为止，TNF-α已被确定为中轴型脊柱关节炎的主要促炎细胞因子，TNF-α改变了成骨细胞和破骨细胞之间的相互平衡，在诱导骨破坏的同时使成骨细胞的功能下降，填补了中轴型脊柱关节炎中炎性反应到成骨这一研究的重要一环，同时也证实了TNF-α在中轴型脊柱关节炎的发病机制中的关键作用，另一方面现较多的研究力证了TNF-α抑制剂治疗时能够很好地控制疾病的发展。TNF过表达小鼠疾病模型能够在SpA的发病机制、自身免疫病理的研究以及对药物治疗中轴型脊柱关节炎疾病的发展研究过程中作为极其重要的手段和研究基础。

β-葡聚糖诱导SKG小鼠模型

SKG小鼠是ZAP-70W163C基因点突变的BALB/c小鼠，SKG ZAP-70基因突变导致T细胞选择过程中发生紊乱，使自身反应性T细胞被释放到外周，它还改变了CD4+CD25+Treg细胞的分泌以及功能。模型小鼠自发的发展成为自身免疫性关节炎表现为对称性的外周关节红肿，组织学上显示有严重的滑膜炎，滑膜下大量的中性粒细胞、淋巴细胞、巨噬细胞和浆细胞的浸润，滑膜细胞的增生伴血管翳的新生。事实上，SKG小鼠在无特定病原体（Specific Pathogen-free，SPF）的环境下不表现任何的症状，在SPF环境下，使用β-葡聚糖免疫SKG小鼠后，几乎所有的小鼠四肢出现不同程度的红肿，同时可见弓背、趾炎和尾巴畸形等表现。组织学上，可见踝关节以及周围软组织水肿、滑膜炎、免疫细胞浸润。同时该模型小鼠也出现回肠炎、单侧葡萄膜炎以及尾部银屑病样皮损等许多关节外的表现。凝胶多糖激活了IL-23的产生，进一步诱导了免疫失调、IL-17和IL-22等细胞因子的释放。研究发现，抗IL-23治疗β-葡聚糖诱导SKG小鼠和凝胶多糖诱导的IL-17-/-SKG小鼠的脊柱炎、外周关节炎、附着点炎和回肠炎均较野生型SKG小鼠明显减轻。并且在该模型中发现IFN-γ、IL-6和IL-17A细胞因子的产生是具有IL-23依赖性的。最近的研究表明，在人类的肌腱中存在一些固有的CD4+和CD8+T细胞，当受到刺激后会产生TNF-α和IL-17A，此时的IL-17是不依赖IL-23的产生。研究表明T细胞和固有样淋巴细胞可以通过IL-23以外的细胞因子产生IL-17，这些细胞因子通常是维持固有样细胞T细胞群所必需的，如IL-7和IL-9等。

没有一种动物模型能够完全模仿人类疾病，SKG小鼠模型在微生物影响下发展为多器官炎性反应，该研究发现了与人类SpA类似的发病机制。在小鼠和人类的疾病研究中，遗传风险因素、环境易感性、下游机制的IL-23/IL-17和TNF等信号传导均与发病机制相关，在该模型中许多机制不同程度上支持了SpA的病因学和发病机制。SKG小鼠有效模拟了人类疾病的特征，让我们对SpA的发病机制获得了新的见解，针对SpA的新疗法提供了新思路，对进一步认识疾病起到了重要的作用。

蛋白聚糖（Proteoglycan，PG）诱导BALB/c小鼠模型

软骨PG是在人的关节软骨和椎间盘中分离出来的一种细胞外基质，PG诱导的小鼠模型是将从人类软骨中提取出来的蛋白聚糖去免疫易感性BALB/c和一些C3H小鼠品系，最初该模型小鼠表现为关节的红肿，随病程进展出现关节的畸形和僵硬。组织学上表现为滑膜细胞的增生以及单核和中性粒细胞的浸润；在四肢关节强直可有软骨增生、骨赘形成和生长板破坏。另外，在中轴关节组织发现椎间盘炎、骶髂关节和脊柱关节的骨增生。PG诱导的关节炎模型出现了与人类SpA相似的外周关节和中轴关节的炎性反应和骨结构的改变。

在前人的基础上，研究人员发现在人软骨PG诱导的BALB/c小鼠免疫后出现外周关节的红肿并且伴随体质量的下降。组织学上关节间隙有增生的滑膜细胞和淋巴细胞，在踝关节、趾指关节和跟腱的附着点处可见软骨细胞的增生。Micro-CT结果显示该模型小鼠的BMD和BV/TV较对照组显著降低，并在中轴关节出现椎体的破坏和融合，骶髂关节见骨增生和关节融合。组织学上该模型小鼠椎间盘见异常增生的软骨细胞，脊柱附着点部位有纤维结缔组织增生，成骨细胞的异常增生；骶髂关节软骨细胞异常增生。该模型在影像学和组织学等系统检查方法的应用，成功建立了人软骨诱导的PGISpA模型，该模型表现出来的特征与人类SpA具有很强的相似性，并且为SpA疾病的研究提供了重要的实验工作基础。

由人的关节软骨蛋白聚糖诱导的脊柱关节炎小鼠模型未随着外周关节的发生和发展，外周关节炎和中轴型脊柱炎可能是两个独立的病程，可能是不同模式或不同遗传因素造成的。人的关节软骨蛋白聚糖参与了BALB/c小鼠脊柱关节炎的发生发展，可能在治疗方面提示了需要针对上述抗原的免疫反应，不失为控制病情的有效方法，同时对全面的认识疾病的病理特点和诊疗有重要意义。

IL-23 过表达小鼠模型

IL-23是产生IL-17的经典细胞因子，能与IL-23R结合并通过STAT3进一步激活JAK-STAT通路，IL-23/IL-17轴在SpA疾病发生发展机制中具有无法替代的作用。实验表明高水平的IL-23能够诱导肌腱端炎性反应并且进一步发展为病理性新骨形成和关节破坏，通过水动力学传递的方式将含有编码IL-23的微环DNA（IL-23 minicircle DNA，IL-23mc）注入雄性B10.RIII小鼠体内，使小鼠体内的IL-23过表达从而导致严重和破坏性的多发性关节炎。在IL-23mc注射后的第28天，小鼠血清中的TNF、IL-6、IL-17A/F等细胞因子水平增加。组织学上滑膜增生，中性粒细胞和单个核细胞浸润，并有新生的血管翳。研究发现在趾骨关节和跗骨，膝关节股骨远端和胫骨近端有不同程度的骨损伤。此外，研究人员发现在给予高剂量的IL-23mc后，小鼠在较早时间出现了关节红肿的表现，并在组织学上出现了特异性的附着点炎。附着点炎的发生可能是由对IL-23敏感的RORγt+CD3+CD4-CD8-淋巴细胞所驱动，使CD3+T细胞分泌IL-17和IL-22从而导致附着点炎的发生。该模型为研究IL-23通路在附着点炎的发生发展过程中的作用机制提供了机会。

人类来源的IL-23过表达小鼠模型解释了此类炎症性疾病的发生依赖于IL-23和与人类背景的相关性，同时也说明IL-23/IL-17轴在各种情况包括各种方法诱导的疾病模型中的重要性，阻断IL-23和IL-23R都可以有效的改善疾病的严重程度。目前SpA在临床治疗上存在很多未解决的需求，尤其缺乏显著有效的药物，研究者以此为出发点可以从发病机制IL-23/IL-17轴找寻和探索疾病发病机制相关的靶点，研发出有效的与之靶点相结合的抑制剂，实现精准的靶向治疗。

其他动物模型

DBA/1、TTP KO和IL-27RA-/-p53R172H/+均是研究自身免疫性疾病的常用动物模型。雄性DBA/1小鼠自发的出现关节炎、趾炎和附着点炎，在10～12周龄小鼠中会有软骨内骨形成以及出现关节强直。Tristetraprolin（TTP）是一种RNA结合蛋白，通过破坏编码促炎细胞因子的mRNA并抑制其生物合成（例如TNF-α），具有重要的内源性抗炎作用；TTP KO模型会出现严重的全身性炎性综合征，同时会伴有破坏性关节炎、骨质减少、结膜炎和骨髓增生等严重表现。IL-27RA-/-p53R172H/+是通过IL-27受体α缺陷的IL-27RA-/-小鼠与P53R172H/+小鼠杂交获得，由于敲除了IL-27RA，小鼠体内Th17谱系失去IL-27对其分化的抑制作用，小鼠表现为脊柱出现骨丢失、椎间盘处出现病理性骨形成的表现，而炎性反应则很轻微。

3 结论与展望

SpA是一组累及脊柱关节、外周关节和肌腱韧带附着点的慢性炎症性疾病，附着点炎性反应是其特征性表现，炎性反应进而影响到骨的结构致使骨丢失、骨破坏的发生，严重者可出现关节强直以及致残，危害人类的健康。研究学者为构建较好的动物模型以模拟SpA疾病特征，同时也是由于局部病变组织取材难度较大出现的不可行性，使得动物模型成为研究该疾病的一个重要工具，也提高了我们对SpA的认识，为我们在研究和认识SpA提供了可指导的思路。目前，针对在SpA的进展过程中不同的发病机制、表现和组织病理过程构建不同的大鼠和小鼠动物模型，以期模拟SpA的疾病特点，这些模型在基因修饰、疾病的机制和病理特征方面各有不同，动物模型数据都有助于SpA疾病发生和发展中致病过程的研究，为未来人类患者的疾病研究提供良好的基础，从而更好地了解疾病的发展以及外周骨骼和其他组织如何参与这种疾病的发生，增加人们对于这一炎症性疾病的理解，以此探索新的潜在治疗靶点，旨在为进一步改善SpA患者预后的治疗性策略提供基础。

不同的动物模型特征模拟了疾病的不同临床表现和组织病理结构，然而至今为止尚未构建一种动物模型能够完全模拟SpA全部的临床表现及一系列异常变化。现有的大鼠和小鼠动物模型也存在一些不足，如大鼠模型的造模周期长、成模率低、匹配的试剂少等缺点；小鼠模型造模时间长、发病率低、表达不稳定等。动物模型的应用为SpA的探索研究和治疗提供了有力支撑，选择和构建一个模仿人类SpA的动物模型是亟待解决的问题，具有十分深远的意义。总之，SpA动物模型具有非常广阔的应用前景，将是探究免疫性疾病诊断和治疗的重点，打开免疫性疾病世界的大门。

Source: 实验动物科学. 2024, 41 (02)；脊柱关节炎动物模型研究进展