作者：华中科技大学同济医学院附属同济医院骨科     王新淮

骨关节炎（OA）是一种常见的退行性关节疾病，全球受影响的人数估计超过5亿，是导致中老年人疼痛和残疾的主要原因，给社会带来沉重的经济负担。其病理特征包括进行性关节软骨丢失、软骨下骨硬化、骨赘形成及不同程度的滑膜炎。当前临床治疗以缓解症状为主，晚期患者往往需接受关节置换手术。OA的发病机制复杂，涉及机械应力、衰老、代谢异常、炎症反应等多因素相互作用。因此，构建能够精准模拟人类OA不同阶段和病理特征的实验模型，是揭示其分子机制、寻找生物标志物及评估新型干预措施（如药物、生物制剂、细胞疗法）效力的基石。

文献检索策略

检索PubMed、Embase、Webof  Science、中国知网及万方数据库，检索时限为建库至2024年12月。中文检索词包括：“骨关节炎”“细胞模型”“动物模型”“软骨细胞”“滑膜细胞”“体外模型”“自发模型”“诱导模型”“基因敲除”“手术诱导”。英文检索词包括：“osteoarthritis”“invitromodel”“cellmodel”“animalmodel”“chondrocyte”“synoviocyte”“spontane⁃ousOA”“surgically⁃induced OA”“DMM”“MIA”“geneedit⁃ing”。通过布尔逻辑运算符组合检索式，初步获得文献1369篇。纳入标准：①研究主题为OA细胞或动物模型的建立、验证或应用；②包含明确的模型构建方法与评价指标；③发表为核心期刊文献或相关英文文献。排除标准：①个案报告或会议摘要；②方法学描述不清或数据不全；③重复发表文献。经筛选后，最终纳入分析文献65篇。

OA的细胞模型

OA细胞模型的生成       OA细胞模型通过体外模拟软骨细胞及关节周围细胞的病理微环境，再现细胞凋亡、基质降解等核心病理变化，按培养体系与诱导方式可分为以下四类：

单层细胞模型      该模型是最基础的体外造模方式，常选用人类或常用实验动物（小鼠、大鼠、兔、豚鼠等）的原代软骨细胞、人软骨瘤细胞系SW1353，小鼠成软骨细胞系ATDC5等，通过白细胞介素-1β（IL⁃1β）、肿瘤坏死因子α（TNF⁃α）或脂多糖（LPS）等炎症因子刺激细胞，模拟OA病理刺激，从而诱导细胞产生基质金属蛋白酶（MMPs）、含血小板反应蛋白基序的解整合素金属蛋白酶（ADAMTSs），并抑制Ⅱ型胶原（ColⅡ）和聚集蛋白聚糖的合成。此模型操作简便、成本低，适合单一信号通路研究与药物初步毒性检测操作，但无法复现细胞外基质的3D结构与细胞间复杂的相互作用。

共培养模型    共培养模型则为模拟关节内不同组织细胞的相互作用，常采用软骨细胞-滑膜细胞、软骨细胞-软骨下骨细胞或软骨细胞-巨噬细胞共培养。滑膜与软骨细胞的共培养是一种常见方法，因为滑膜是骨关节滑液的主要来源，二者共同培养下在蛋白聚糖和基质结构的分解上与单独培养时产生了截然不同的结果，其有助于研究滑膜在OA中的作用。成骨细胞-软骨细胞共培养有助于理解骨与软骨的交互作用，有研究发现联合培养软骨细胞和成骨细胞能促进细胞生长分化、基质生成和沉积，同时减少糖胺聚糖沉积。与单层细胞培养类似，共培养模型可用于同时研究实验产生的多种可能性，有望为OA的病理机制提供大量数据。虽然共培养相比于单层细胞培养考虑到不同细胞类型之间的串扰，但由于其为分离细胞，不同细胞的培养条件存在差异，共同培养难免会引起其表型的改变。

三维细胞模型     三维细胞模型通过构建支架或无支架培养体系，模拟关节组织的立体微环境。支架培养常采用生物材料搭建三维支架，接种软骨细胞后培养，部分还会添加转化生长因子β1（TGF⁃β1）等诱导因子促进细胞分化。Roncada等利用三维胶原和海藻酸支架实现了间充质干细胞（MSCs）的三维培养，支持MSCs的软骨生成分化。支架的材质和机械性能在MSCs软骨组织的形成和表现中起关键作用，这表明施加某些特定机械刺激可能导致软骨组织退化并产生OA。然而这种模式的局限性在于无法完全模拟细胞外基质的生物学特性以支持软骨细胞。无支架培养则通过细胞自聚集形成多结构的球体，其允许细胞向各个方向增殖，更好地模拟内部环境。目前，无支架制备三维球体的方法包括极低吸附面的微板培养、悬浮滴落培养、旋转培养和磁悬浮培养。三维培养模型可以用于研究细胞与细胞及细胞与细胞外基质（ECM）的相互作用，这对于模拟体内关节的机械环境具有一定的研究价值。然而，与二维细胞模型（单层细胞模型及共培养模型）相比，三维细胞模型细胞增殖速率降低，诱导OA形成的方法需要进一步改进，且培养细胞的结构强度很大程度上取决于所使用的支架。

组织外植体模型    该模型直接取自动物或人类的关节软骨组织块进行体外培养，无需分散为单个细胞，可最大程度保留组织的原始结构与细胞间联系。外植体模型的获取通常来自股骨帽，由于软骨未从骨组织脱离，因此可以长期维持其天然的机械约束状态。在经过一段时间的体外培养后，即可在这些外植体上实施OA的诱导操作。Greni⁃er等构建了软骨外植体以模拟早期OA，其通过胶原酶对软骨进行预处理，随后对其施加机械应力以模拟OA损伤。该模型的建立为软骨退变相关机制研究提供了新的依据。相比于其他模型组织外植体模型，既能用于研究物理损伤、炎症刺激对软骨组织的影响，也可评估药物对组织的修复效果。但其面临的主要挑战之一是如何避免在提取过程中环境改变对骨组织的影响，切除的软骨细胞在人工环境中存在脱水、变形、细菌感染甚至是坏死的风险。此外，组织块的营养供应易受限制，难以长期维持活力。

器官芯片    器官芯片是一种基于微流控技术的仿生系统，通过在芯片上构建植入活细胞排列的微通道来模拟人体器官的组织-组织切面、流体剪切力、机械应力等关键生理特征。机械负荷芯片、多组织互作芯片以及生化调控芯片是体外模拟OA的有效方法，也是研究OA病理生理机制及临床药物筛查的重要手段。Occhetta等及Paggi等都通过集成聚乙二醇、水凝胶三维微环境及机械驱动的生理微芯片系统，构建体外OA软骨细胞模型，研究机械负荷对OA的影响。Li等构建了包含骨软骨复合体、滑膜纤维软骨细胞及脂肪细胞的微关节体系。这种集成微流控系统允许不同组织之间进行交流，有助于阐明各种组织在OA中的作用。此外，Rosser等根据不同营养梯度培养了被纤维蛋白水凝胶包裹在微流控芯片上的马软骨细胞，并将其暴露于炎症环境中，成功建立了体外OA模型。与其他体外模型相比，微流控系统由于其可控的液体流动特性以及将特定营养物质稳定输送到细胞及组织的特性，在整体仿生特性、模拟多组织对关节软骨作用方面表现出巨大优势。然而，由于微环境调控困难、长期培养稳定性差及技术复杂度高、成本昂贵等缺点，例如微流控通道的气泡可能损害细胞、阻碍芯片的控制等，其在模拟OA方面的应用仍存在局限性。

类器官    类器官是由多能干细胞或组织特异性祖细胞在体外自组织形成的三维细胞聚集体，能够模拟器官的关键结构、细胞类型及部分功能。Sun等利用滑膜间充质干细胞在3D培养模式下构建了用于OA临床前建模和治疗的三维类器官，成为疾病预测和治疗药物开发的有效生理模型，并为OA类器官建模提供了新的切入点。此外，Abraham等报道了一种混合人类骨骼类器官，用IL⁃1β（5ng/mL）处理24小时诱导炎症模型，并用腺苷受体激动剂作为治疗药物。结果显示FOX01及FOX03水平显著上调，成功拮抗IL⁃1β的促炎作用并减少软骨损伤。与其他体外模型相比，骨类器官在空间参与性和生物微环境方面具有巨大优势，在揭示OA生化、病理生理及发病机制中展现出巨大潜力，成为OA从体外模型向体内模型过渡不可缺少的重要桥梁。

细胞模型的优势及局限性      OA细胞模型具有操作简便、成本较低、可精准控制实验条件等优势，能够快速模拟OA相关细胞的病理变化，适用于机制研究、靶点筛选和高通量药物筛选。但现有细胞模型仍存在局限性：①微环境缺失，无法复现体内关节软骨复杂的三维结构、ECM的生化与力学特性以及细胞-基质-细胞间的多维相互作用。这可能导致研究结果与体内实际情况存在偏差；②缺乏系统性交互，难以模拟软骨-软骨下骨对话、神经免疫调节以及全身性因素（如代谢综合征、衰老相关的系统炎症）对关节局部的影响；③无法模拟疾病动态进程。未来细胞模型的发展方向应聚焦于构建更贴近体内环境的三维共培养模型、结合生物材料模拟关节微环境、利用诱导多功能干细胞（iPSCs）构建疾病特异性细胞模型，以提高模型的临床相关性。

动物模型

OA模型中的动物物种      截止到目前，已有至少十八个不同物种的动物模型被开发出来用于研究OA。其中小型动物如小鼠、大鼠、兔子和豚鼠等，因其有效性、成本低、便于管理及操作等优点，常被用于生成疾病模型。但其体型较小，且解剖结构及组织结构与人体差异较大。相比之下，大型动物如马、狗、猪及羊等的关节解剖结构、软骨形态及关节生物力学等特征与人体更为相近，从而提供了更具临床价值的数据。此外，还可以对大型动物进行更广泛的检测，如反复滑膜收集及影像学检查。大型动物模型的寿命更长，使得其疾病进展较为缓慢，这种缓慢渐进的模式能更为准确地模拟人类OA的特点。然而这种特点也导致在对大型动物进行造模过程中成本更高、耗时更长。此外，大型动物也面临更大的伦理考量。

小鼠   小鼠的寿命较短，人工诱导OA后进展较快，为研究OA最常用的简单模型。其关节较小，可对其整个关节进行组织化学染色。同时基因改造鼠易于制作，可用于深入研究OA的发病机制，探索引起软骨退变、软骨下骨重塑、炎症的关键基因及分子机制。但其也存在明显局限性，由于其解剖结构与人体存在显著差异，如小鼠的关节软骨厚度约为人体关节软骨厚度的七十倍，且其疾病进展迅速，不能很好地模拟人类OA的进展。

大鼠   大鼠体型较大，相比于小鼠手术诱导OA较为容易，且术后感染率极低，成为手术诱导OA常用的模型。其软骨厚度比小鼠更厚，可诱发部分和全软骨缺损模型，常用于OA的药理学检测及软骨修复技术的研究。自然发生OA在大鼠中较为罕见，且不同大鼠株之间结果常有差异，因此在探索OA发病机制中存在局限性。

兔    兔自然发生OA非常常见，其常用于药物疗效研究。但由于兔子步态与人类截然不同，软骨厚度较人类薄十倍，软骨密度更高，且软骨可以自发愈合和再生等特点，常常不用于模拟人类OA。

犬   犬类表现出广泛的临床OA发病率，且其解剖结构和疾病进展与人类较为类似，同时由于其便于组织及液体采集，是目前较为常用的大型OA动物模型。目前其自然发生OA模型可用于临床试验。

羊   羊的膝关节大小、软骨厚度与人类较为接近。相比于其他大型动物模型，羊在研究过程中成本低廉且易于使用，可用于软骨修复的研究。但由于仅通过前交叉韧带对其进行OA造模，损伤有限，且进行慢病毒转染过程中可能会造成滑膜炎及关节退变，所以目前较少用于OA进展的研究。

马   马匹体型较大，便于组织和体液采集。马蹄关节与人类膝关节相似，关节软骨厚度、软骨细胞结构、生化组成和性质与人类非常相似。且马匹可以进行多种影像和临床检查，常常用于软骨缺损闭合及修复的研究。

猪    猪在膝关节解剖、胃肠道、心血管结构及基因组方面与人类最为相似，且膝关节软骨生物力学如承重能力及厚度方面与人类也较为相近。目前猪已有基因改造模型，用于研究局部软骨缺陷和再生。但由于猪的骨骼成熟年龄在10个月至24个月之间，因此在动物饲养管理方面存在局限性。

非人类   灵长类动物非人类灵长类动物如恒河猴、食蟹猴和狨猴等在解剖结构、遗传学、行为学、生物学、OA病理特征及疾病与年龄的相关性等方面与人类最为接近。但由于非人类灵长类动物饲养成本高昂且伦理上难以管理，例如黑猩猩表现出与人类相似的抑郁和创伤后应激障碍，及非人类灵长类动物寿命较长，疾病发病时间长，既耗时又昂贵等缺点，较少用于OA研究。

OA动物模型的构建      OA动物模型能够在体内还原OA的整体病理进程，包括软骨退变、滑膜炎症、软骨下骨重塑等，是评估OA治疗效果、研究疾病进展规律的核心工具。根据模型构建方式，可分为手术诱导模型、化学诱导模型、力学诱导模型、自发性模型和基因编辑模型五大类。

手术诱导模型    该模型通过破坏关节稳定性，模拟创伤后OA的发病过程，是目前应用最广泛的诱导方式。常用方法包括内侧半月板失稳术（DMM）和前交叉韧带横断术（ACLT）。DMM手术通过切断小鼠内侧半月板韧带，造成关节力学失衡，引发软骨退变与滑膜炎；ACLT则通过切断膝关节前交叉韧带，破坏关节稳定性，小鼠术后8~12周可出现明显软骨损伤与骨赘形成。此外还有半月板切除术等改良方式。该类模型病理表型与人类创伤后OA相似度高，可重复性强，适合软骨修复机制及相关药物研究。虽然小动物很容易接受手术，但由于操作者操作标准差异较大，限制了实验结果的可重复性。此外，该动物实验对实验人员的手术操作技能及实验室环境要求高，术后可能出现感染等并发症，影响实验结果的准确性。

化学诱导模型    向关节腔注射有毒或促炎因子直接损伤软骨细胞，是非手术诱导OA的主要办法之一。这些促炎因子可以诱导ECM的降解，抑制软骨细胞活性，从而导致OA的发生与发展。这种造模方式周期短且操作微创。核心试剂为碘乙酸钠（MIA），向小鼠膝关节腔注射2mg/10μL的MIA溶液，可抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶活性，阻断细胞有氧糖酵解途径，从而诱导软骨细胞凋亡，2~4周即可出现明显软骨坏死，后期还会伴随软骨下骨硬化。文献证明，0.4mgMIA可显著诱导软骨细胞及滑膜损伤。关节内注射胶原酶、木瓜蛋白酶等也是化学诱导OA模型常用的方法之一。该方法可导致软骨中胶原纤维的分解，导致关节不稳定，短时间内引起明显的软骨改变，并逐渐出现OA的症状。此外，胶原酶还可能激活外周和中枢神经系统的神经伤害感受器和损伤通路，导致OA的症状。化学诱导模型的局限性在于其病理生理机制与OA退行性特征不同，这意味着化学模拟在观察人类疾病进展方面通常效果不佳。化学诱导不仅无法像其他模型那样模拟出OA的真实症状，更难以复现现实OA在日常生活机械负载和磨损下所形成的动态机械微环境。由于该模型病理进程以炎症主导，因此其适合急性炎症机制的研究，观察和评估疼痛反应及抗炎药物的筛选。

力学诱导模型    该方法的原理是通过外部力量损伤关节，从而诱发OA，常见方式包括跑步机强制训练、关节固定及骨内高压法等。其中机械过载模型是让大鼠在12°斜坡上每天跑步1小时，通过持续力学刺激激活Wnt/β⁃catenin通路，诱导软骨肥大化与退变；而关节固定模型是指用石膏固定关节，限制关节活动导致软骨萎缩，从而模拟长期制动引发的OA。该模型精准模拟了力学因素在OA中的作用，适合力学信号转导机制研究。但由于无法定义合适的机械刺激，常导致动物过度损伤或模型不稳定。

基因修饰模型     基因修饰模型是指通过基因编辑技术插入或删除特定基因，从而产生具有遗传性OA特征的动物，用于解析基因对OA发病的调控作用。例如Col2a1突变小鼠因胶原Ⅱ合成缺陷自发出现OA症状，Adamts5敲除小鼠则表现为软骨基质降解减少，可用于验证该基因在软骨退变中的作用。Staines等利用STR/ort小鼠构建了代谢相关自发OA模型，发现其雄性高发且与肥胖等因素相关。Kang等发现，诱导衰老的微小RNA转录因子miR⁃204在骨关节软骨中显著上调。miR⁃204在异位关节组织中的表达可诱导自发软骨脱落和OA生成。此类模型可定向研究特定基因（如胶原家族、金属蛋白酶）的功能，适合OA遗传机制与靶向药物研发。但其造模周期长达6~12个月，成本较高，且需要专业基因编辑平台的支持。

自发模型    OA可能由年龄和自然环境因素自发引起，理论上它可以被视为生命周期中自然磨损的结果。而自发OA模型中，受测动物关节的自然衰老过程是OA的主要原因。因此，这些自发动物OA模型研究OA发病机制并评估治疗方法具有极大临床价值。典型代表有Hartley豚鼠，其随年龄增长自发出现OA，关节病理与人类高度相似；恒河猴5岁后也会逐渐发展为临床OA。该模型具有多重优势，如操作便捷、无需专业设备和外科医生，且不存在医疗过程带来的不确定性。此外，病理进程最接近人类OA的慢性退行性特征，适合长期病程观察与基础机制验证。但由于其造模周期极长，饲养成本高，且个体差异导致数据可控性差，极大程度上限制了其大规模应用。

动物模型的优势及局限性     OA动物模型能够在体内还原OA的整体病理进程，具有提供完整在体系统、模拟结构与功能的整体变化、再现关键的病理特征等优势，为研究病因与病程、评估治疗药物的体内疗效、研究疾病进展规律提供了不可替代的工具。但现有动物模型仍存在局限性：①种属差异，难以模拟人类OA的异质性与复杂性；②诱导模式的单一性，难以模拟人类OA多致病因素的特点；③评价指标的局限性；④伦理与成本挑战。未来动物模型的发展方向应聚焦于构建更贴近人类OA病理特征的自发性模型和精准基因编辑模型，加强模型的标准化建设，提高模型的可重复性和临床相关性。

OA细胞模型与动物模型的协同应用及展望

OA作为一种复杂的、多因素驱动的全关节退行性疾病，当前阶段对其疾病机制的深度解析和转化疗效的准确评估依赖于成熟可靠的OA模型。OA细胞模型与动物模型各有优势，协同应用能够互补不足，提高研究结果的可靠性和临床转化价值。

协同应用策略：构建完整的研究价值链     细胞模型扮演“探索者”与“筛选器”的角色。解析特定细胞（软骨细胞、滑膜细胞、巨噬细胞）在OA相关刺激下的分子机制（信号通路、基因表达、代谢改变），并用于高通量药物或生物标志物筛选。动物模型扮演“验证者”与“整合者”的角色。进一步验证细胞层面发现的靶点或候选疗法的体内有效性、生物安全性，并评估其对关节结构、功能、疼痛及系统生理的整体影响。二者的协同应用突破单一模型的局限性，实现“体外机制探索-体内验证拓展-临床转化”的研究闭环，为OA的病理机制解析、治疗靶点筛选及新型干预策略研发提供更全面、可靠的实验数据支撑。

当前协同应用面临挑战    复杂性断层即使协同应用，现有体系仍难以无缝模拟人类OA的多因素、慢性进展、高度异质性的核心特征。从简单的体外培养系统，到复杂的动物体内系统，对疾病复杂性的模拟往往存在明显的“跳跃”，缺乏足够的过渡与衔接。

标准化缺失细胞培养条件、动物造模方法、评价指标的多样化和不统一，使得不同研究间的数据难以直接比较和整合，阻碍了OA研究领域知识的积累及共享。

转化鸿沟一方面，细胞模型的研究结果多停留在分子或细胞层面，缺乏向动物模型转化的关键技术支撑，如体外发现的靶点在体内如何实现精准调控（如给药途径、靶向递送系统）、以及细胞制剂在体内的存活与功能维持等问题尚未完全解决。另一方面，动物模型的研究结果向临床转化时，也面临物种差异导致的药物代谢、毒性反应不一致等问题。

未来展望：迈向整合化与精准化的新模型体系     发展“桥梁性”复杂体外系统如类器官与器官芯片。开发包含软骨、骨、滑膜等多种细胞的“关节类器官”，或设计具备机械刺激模拟和生化梯度调控功能的“微流控关节芯片”。这类系统的优势在于，既能提供接近体内真实环境的细胞间相互作用和微环境，其复杂度和实验通量又介于传统细胞模型与动物模型之间，既能更精准地预测治疗方法的临床潜力，也能为深入解析疾病机制提供更优的研究平台。

构建更具临床相关性的高级动物模型一方面，可以开发多因素叠加模型，结合OA常见的风险因素，如衰老、肥胖（高脂饮食）、轻度创伤等，构建更符合人类OA亚型特征的动物模型；另一方面，可推进人源化与基因编辑模型的开发，利用CRISPR等技术构建携带人类OA风险基因（如GDF5、COG5）的动物模型，或建立基于人类细胞/组织的移植模型，以缩小动物与人类在生理、病理特征上的种属差异。

利用前沿技术实现数据驱动与动态整合在细胞模型方面，平行开展细胞与动物模型的多组学（转录组、蛋白质组、代谢组等）测序，通过生物信息学方法进行交叉比对，构建跨尺度的分子网络图谱，清晰呈现不同模型中OA相关分子的变化规律。同时在动物模型方面，应用高分辨率活体成像技术，实现对动物关节内软骨退化、骨重塑等过程的无创、实时监测，为优化体外模型的构建提供反馈。最终，可以利用AI整合多维度数据，构建能预测OA进展、评估治疗方法响应的计算模型，从而进一步帮助研究人员优化实验设计、提高研究效率。

结论

OA模型对于研究OA的发病机制和治疗方法至关重要。细胞模型与动物模型是OA研究的两大支柱，各具优势与适用范围。细胞模型擅长机制解析与初筛，而动物模型则提供了不可替代的体内研究系统。这些模型普遍存在的问题，阻碍了我们对OA发病机制的进一步理解。虽然目前仍缺少能够完全模拟OA复杂病理特征的成熟实验模型，然而组织工程技术的快速发展和未来可获得的临床数据，将为模型的优化与完善提供强大动力。一个具备稳健性、生理相关性与可靠性的高通量系统的建立，有望进一步推动OA机制的研究及治疗药物的开发。

来源：骨科2026年3月第17卷第2期