Advances in animal models of femoral head necrosis

doi:10.3877/cma.j.issn.1674-134X.2024.03.012

Abstract

Abstract:

The pathogenesis of femoral head necrosis (ONFH) is complex and diverse, and most patients with initial-stage ONFHdo not receive prompt and effective diagnosis and treatment, which leads to femoral head collapse and osteoarthritis in the hip joint consequently. Numerous scholars have extensively researched the pathogenesis and treatment of ONFH by utilizing animal experimental models. However, there is still a lack of animal models that match clinical reality, which means many controversial clinical issues cannot be effectively verified and solved by animal experiments. This paper aimed to provide an overview of animal modeling in ONFH, and evaluate the advantages and disadvantages of the animal models, in order to understand the latest development of animal modeling and provide reference and direction for the subsequent selection and improvement of ONFH animal models.

Key words: Femur head necrosis, Animal, Experimental model, Review

Zhimin Tian, Chunnuo He, Huanxi Li, Haoyue Wu, Peng Liu, Yongjie Qiao, Shenghu Zhou, Pingheng Lan, Yang Guo, Haoqiang Zhang. Advances in animal models of femoral head necrosis[J]. Chinese Journal of Joint Surgery(Electronic Edition), 2024, 18(03): 383-389.

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Figures/Tables 4

References 56

［1］	Ma M，Tan Z，Li W，et al. Osteoimmunology and osteonecrosis of the femoral head［J］. Bone Joint Res，2022,11(1): 26-28.
［2］	Rezus E，Tamba BI，Badescu MC，et al. Osteonecrosis of the femoral head in patients with hypercoagulability-from pathophysiology to therapeutic implications［J/OL］. Int J Mol Sci，2021,22(13): 6801. DOI: 10.3390/ijms22136801.
［3］	Adesina O，Brunson A，Keegan THM，et al. Osteonecrosis of the femoral head in sickle cell disease: prevalence，comorbidities，and surgical outcomes in California［J］. Blood Adv，2017,1(16): 1287-1295.
［4］	朱诗白，张啸天，陈曦，等. 股骨头坏死的保髋治疗［J/CD］. 中华关节外科杂志（电子版），2020,14(6): 741-746.
［5］	周燕琳，杜晓刚. 糖皮质激素相关性股骨头坏死早期防治的研究进展［J］. 医学综述，2018,24(4): 672-676.
［6］	应金龙. 《骨科临床诊断与手术学》出版：比较分析CT和核磁共振诊断对股骨头坏死的准确率［J］. 介入放射学杂志，2023,32(1): 108.
［7］	范亚楠，张蕾蕾，李文龙，等. 股骨头坏死动物模型造模研究进展［J］. 中国医药导报，2016,13(21): 58-61.
［8］	杨云，范海燕，黄健，等. 酒精性股骨头缺血坏死大鼠模型的制备［J］. 中国组织工程研究，2016,20(27): 3977-3983.
［9］	Yang Q，Yin W，Chen Y，et al. Betaine alleviates alcohol-induced osteonecrosis of the femoral head via mTOR signaling pathway regulation［J/OL］. Biomed Pharmacother，2019,120: 109486. DOI: 10.1016/j.biopha.2019.109486.
［10］	Shimizu J，Okazaki S，Nagoya S，et al. Susceptibility of males，but not females to developing femoral head osteonecrosis in response to alcohol consumption［J/OL］. PLoS One，2016,11(10): e0165490. DOI: 10.1371/journal.pone.0165490.
［11］	Fu Z，Lai Y，Zhuang Y，et al. Injectable heat-sensitive nanocomposite hydrogel for regulating gene expression in the treatment of alcohol-induced osteonecrosis of the femoral head［J/OL］. APL Bioeng，2023,7(1): 016107. DOI: 10.1063/5.0130711.
［12］	Le G，Lu M，Li L，et al. The Lnc-HOTAIR/miR122/PPARγ signaling mediated the occurrence and continuous development of alcohol-induced Osteonecrosis of the femoral head［J］. Toxicol Lett，2023,380: 53-61.
［13］	Yu H，Liu P，Zhu D，et al. Chrysophanic acid shifts the differentiation tendency of BMSCs to prevent alcohol-induced osteonecrosis of the femoral head［J/OL］. Cell Prolif，2020,53(8): e12871. DOI: 10.1111/cpr.12871.
［14］	Fan ZQ，Bai SC，Xu Q，et al. Oxidative stress induced osteocyte apoptosis in steroid-induced femoral head necrosis［J］. Orthop Surg，2021,13(7): 2145-2152.
［15］	Chen K，Liu Y，He J，et al. Steroid-induced osteonecrosis of the femoral head reveals enhanced reactive oxygen species and hyperactive osteoclasts［J］. Int J Biol Sci，2020,16(11): 1888-1900.
［16］	何帅，刘锌，杜斌，等. 肠道菌群变化对大鼠激素性股骨头坏死造模效果的影响［J］. 解放军医学杂志，2023,48(5): 552-559.
［17］	董玉雷，周磊，李玉龙，等. 大鼠激素性股骨头坏死模型的建立和评价［J］. 中国医学科学院学报，2015,37(2): 152-156.
［18］	章建华，张成龙，尹华. 激素类型对大鼠股骨头坏死模型的影响［J］. 中华中医药杂志，2014,29(12): 3969-3973.
［19］	汪轩，张琳，邢婧，等. 激素剂量对激素性股骨头坏死模型建立的影响及系统评价［J］. 浙江中医药大学学报，2016,40(1): 19-25.
［20］	张琳，汪轩，张成龙，等. 激素性股骨头坏死大鼠模型内毒素剂量的优选［J］. 中成药，2016,38(11): 2462-2465.
［21］	佟鹏，王洋，梁瀛. 激素性股骨头缺血性坏死动物模型的建立及综合评估［J］. 中国组织工程研究，2018,22(32): 5169-5174.
［22］	Lv Y，Qiu X，Liu G，et al. A novel model of traumatic femoral head necrosis in rats developed by microsurgical technique［J/OL］. BMC Musculoskelet Disord，2022,23(1): 374. DOI: 10.1186/s12891-022-05289-7.
［23］	Liu D，Li X，Li J，et al. Knee loading protects against osteonecrosis of the femoral head by enhancing vessel remodeling and bone healing［J］. Bone，2015,81: 620-631.
［24］	Chiang CW，Chen WC，Lee CH，et al. Intermittent parathyroid hormone injection can decrease femoral head collapse in the vascular deprivation of rat femoral head model［J］. Indian J Orthop，2019,53(2): 340-346.
［25］	黄涛，凯赛尔江·艾合买提，崔泳. 股骨头坏死模型动物血清降钙素基因相关肽水平的变化［J］. 中国组织工程研究，2015,19(5): 667-673.
［26］	张晨，王坤正，党晓谦，等. hVEGF165及hBMP-7共表达重组腺相关病毒载体对兔激素性股骨头坏死的修复作用研究［J/CD］. 中华关节外科杂志（电子版），2012,6(2): 243-250.
［27］	黄思俊，白志强，张弛，等. 采用激素联合内毒素建立兔中期股骨头坏死模型［J/CD］. 中华关节外科杂志（电子版），2016,10(3): 331-336.
［28］	Zhai JL，Weng XS，Wu ZH，et al. Effect of resveratrol on preventing steroid-induced osteonecrosis in a rabbit model［J］. Chin Med J，2016,129(7): 824-830.
［29］	王大伟，卢培根，贾永龙，等. 三七总皂苷干预酒精性股骨头缺血坏死模型兔的超微结构［J］. 中国组织工程研究，2014,18(27): 4277-4281.
［30］	陈东，华文彬，叶树楠，等. 骨内注射无水乙醇建立兔股骨头坏死模型［J］. 中国组织工程研究，2013,17(2): 205-209.
［31］	周正丽，张潜，彭笳宸，等. 液氮冷冻兔股骨头坏死模型制备新方法及可靠性评价［J］. 解剖学报，2012,43(2): 284-288.
［32］	李海冰，瞿向阳，李明，等. 应用软骨下钻孔结合液氮冷冻制作兔股骨头缺损坏死模型［J］. 第三军医大学学报，2014,36(19): 2051-2054.
［33］	Wang D，Wang G，Liu M，et al. A novel animal model of osteonecrosis of the femoral head induced using a magnetic resonance imaging-guided argon-helium cryotherapy system［J］. Exp Ther Med，2014,7(6): 1525-1528.
［34］	Wang C，Wang J，Zhang Y，et al. A canine model of femoral head osteonecrosis induced by an ethanol injection navigated by a novel template［J］. Int J Med Sci，2013,10(11): 1451-1458.
［35］	张彦，张长青，于晓巍. 三足负重犬股骨头坏死模型的生物力学相关性研究［J］. 医用生物力学，2012,27(2): 139-144.
［36］	闵红巍，刘克敏，王安庆，等. 改良激素法建立早期股骨头坏死动物模型［J］. 中国康复理论与实践，2014,20(6): 527-532.
［37］	Chen Z，Feng F，Su X，et al. Experimental study of a 3D-printing technique combined with biphasic calcium phosphates to treat osteonecrosis of the femoral head in a canine model［J/OL］. J Orthop Surg Res，2023,18(1): 693. DOI: 10.1186/s13018-023-04185-7.
［38］	Lou P，Deng X，Hou D. The effects of nano-hydroxyapatite/polyamide 66 scaffold on dog femoral head osteonecrosis model: a preclinical study［J/OL］. Biomed Mater，2023,18(2). DOI: 10.1088/1748-605X/acb7be.
［39］	Zhu ZH，Gao YS，Luo SH，et al. An animal model of femoral head osteonecrosis induced by a single injection of absolute alcohol: an experimental study［J］. Med Sci Monit，2011,17(4): BR97-BR102.
［40］	Vélez R，Soldado F，Hernández A，et al. A new preclinical femoral head osteonecrosis model in sheep［J］. Arch Orthop Trauma Surg，2011,131(1): 5-9.
［41］	Vélez R，Hernández-Fernández A，Caminal M，et al. Treatment of femoral head osteonecrosis with advanced cell therapy in sheep［J］. Arch Orthop Trauma Surg，2012,132(11): 1611-1618.
［42］	谭振，陈卓，康鹏德，等. 股骨头钻孔液氮冷冻法建立山羊股骨头坏死模型［J］. 中国矫形外科杂志，2014,22(23): 2183-2188.
［43］	Wang C，Wu Z，Li X，et al. An animal model of early-stage femoral head osteonecrosis induced by cryo-insult in small tailed Han sheep［J］. J Orthop Translat，2021,26: 84-91.
［44］	Li B，Yu L，Huang Z，et al. A novel device for treatment of osteonecrosis of femoral head: feasibility and preliminary efficacy of animal study［J］. J Orthop Translat，2021,31: 20-25.
［45］	Shapiro F，Connolly S，Zurakowski D，et al. Acetabular changes associated with avascularnecrosis of the femoral head in a piglet model［J］. Bone Joint Res，2014,3(4): 130-138.
［46］	Park SS，Kim HKW. Subchondral fracture after ischemic osteonecrosis of the immature femoral head in piglet model［J］. J Pediatr Orthop B，2011,20(4): 227-231.
［47］	Cheon JE，Yoo WJ，Kim IO，et al. Effect of arterial deprivation on growing femoral epiphysis: quantitative magnetic resonance imaging using a piglet model［J］. Korean J Radiol，2015,16(3): 617-625.
［48］	Kim HKW，Park MS，Alves do Monte F，et al. Minimally invasive necrotic bone washing improves bone healing after femoral head ischemic osteonecrosis: an experimental investigation in immature pigs［J］. J Bone Joint Surg Am，2021,103(13): 1193-1202.
［49］	Gorios Filho A，Santos GBD，Guarniero JRB，et al. Experimental model study of ischemic necrosis induction of the growing femoral head［J/OL］. Acta Ortop Bras，2022,30(2): e247996. DOI: 10.1590/1413-785220223002247996.
［50］	曲春涛. 构建双足类大型鸟类鸸鹋股骨头坏死模型［J］. 中国组织工程研究，2016,20(5): 611-615.
［51］	范猛，姜文学，汪爱媛，等. 鸸鹋股骨头坏死两种修复方式骨显微结构变化的比较［J］. 中国医学科学院学报，2016,38(1): 16-21.
［52］	Fan M，Peng J，Wang A，et al. Emu model of full-range femoral head osteonecrosis induced focally by an alternating freezing and heating insult［J］. J Int Med Res，2011,39(1): 187-198.
［53］	Goetz JE，Robinson DA，Pedersen DR，et al. Cryoinsult parameter effects on the histologically apparent volume of experimentally induced osteonecrotic lesions［J］. J Orthop Res，2011,29(6): 931-937.
［54］	肖春生，林娜，林诗富，等. 不同糖皮质激素诱导鸡股骨头坏死的实验研究［J］. 中国骨伤，2010,23(3): 184-187.
［55］	顾江江，赵凤朝，程琪，等. 酒精灼烧致青脚麻鸡股骨头坏死造模方法的可行性分析［J］. 中国组织工程研究，2020,24(17): 2700-2705.
［56］	Jiang W，Wang P，Wan Y，et al. A simple method for establishing an ostrich model of femoral head osteonecrosis and collapse［J/OL］. J Orthop Surg Res，2015,10: 74. DOI: 10.1186/s13018-015-0218-4.

造模方法	主要步骤	优点	缺点	成功率
激素型ONFH（单激素）	皮下/腹腔注射类固醇	造模成功率高；操作简单；与人类病理变化相似	类固醇/联合物种类、剂量、给药次数及方式均未统一；造模周期长	75%~90%
激素型ONFH（激素联合）	脂多糖/马血清/内毒素联合类固醇注射	造模成功率高；操作简单；与人类病理变化相似	类固醇/联合物种类、剂量、给药次数及方式均未统一；造模周期长	40%~100%
酒精型ONFH	灌胃/酒精饲料喂养	可模拟人类酒精摄入过程；操作简单；成功率高	坏死部位不确定；仅模拟塌陷前阶段；酒精浓度不确定	35%~89.48%
无水乙醇型ONFH	外科脱位/透视下向股骨头中心注射无水乙醇	造模周期短；可重复性高	病灶范围及大小不可控；与人类骨坏死病因不同	88.9%~100%
液氮型ONFH	外科脱位/透视下向股骨头中心注射无水乙醇	可模拟晚期ONFH；造模周期短；无化学残留；死亡率低	冷冻次数未统一；液氮气化过程产生空腔；病因与人类不同；	12.5%~100%
创伤型ONFH	切断股骨头圆韧带/结扎股骨颈/两者联合/联合其他造模方案	原理简单；成功率高；造模时间短	创伤大、技术难度大；死亡率高	70%~100%

造模方法	主要步骤	优点	缺点	成功率
激素型ONFH（单激素）	皮下/腹腔注射类固醇	造模成功率高；操作简单；与人类病理变化相似	类固醇/联合物种类、剂量、给药次数及方式均未统一；造模周期长	75%~90%
激素型ONFH（激素联合）	脂多糖/马血清/内毒素联合类固醇注射	造模成功率高；操作简单；与人类病理变化相似	类固醇/联合物种类、剂量、给药次数及方式均未统一；造模周期长	40%~100%
酒精型ONFH	灌胃/酒精饲料喂养	可模拟人类酒精摄入过程；操作简单；成功率高	坏死部位不确定；仅模拟塌陷前阶段；酒精浓度不确定	35%~89.48%
无水乙醇型ONFH	外科脱位/透视下向股骨头中心注射无水乙醇	造模周期短；可重复性高	病灶范围及大小不可控；与人类骨坏死病因不同	88.9%~100%
液氮型ONFH	外科脱位/透视下向股骨头中心注射无水乙醇	可模拟晚期ONFH；造模周期短；无化学残留；死亡率低	冷冻次数未统一；液氮气化过程产生空腔；病因与人类不同；	12.5%~100%
创伤型ONFH	切断股骨头圆韧带/结扎股骨颈/两者联合/联合其他造模方案	原理简单；成功率高；造模时间短	创伤大、技术难度大；死亡率高	70%~100%

动物类型	优点	缺点
四足动物（鼠、兔等）	来源方便；便于饲养；价格便宜	不能模拟人类ONFH病理改变过程；股骨头负重与人类不同；大型四足动物价格昂贵
四足动物（羊、犬、猪等）	股骨头较大，便于治疗性研究；股骨头解剖与人类相似	不能模拟人类ONFH病理改变过程；股骨头负重与人类不同；大型四足动物价格昂贵
双足动物（鸸鹋、鸵鸟等）	符合人体生物力学；可模拟人类ONFH病变过程	与人类亲缘性较差；价格昂贵

动物类型	优点	缺点
四足动物（鼠、兔等）	来源方便；便于饲养；价格便宜	不能模拟人类ONFH病理改变过程；股骨头负重与人类不同；大型四足动物价格昂贵
四足动物（羊、犬、猪等）	股骨头较大，便于治疗性研究；股骨头解剖与人类相似	不能模拟人类ONFH病理改变过程；股骨头负重与人类不同；大型四足动物价格昂贵
双足动物（鸸鹋、鸵鸟等）	符合人体生物力学；可模拟人类ONFH病变过程	与人类亲缘性较差；价格昂贵

评价方法	主要观察指标
一般情况	有无精神萎靡、饮食减少、跛行、活动减少等
大体标本	有无股骨头色泽、外形、软骨光滑度改变；有无软骨下骨颜色及硬度变化等
X线检查	有无局部低密度影或者高密度影；有无硬化带，观察其和低密度影的位置关系；有无股骨头轮廓变形、塌陷及髋关节变窄；有“无新月征”等
CT检查	有无软骨面变薄，软骨下骨出现坏死及囊变；有无骨小梁稀疏、变薄、变细及断裂；有无骨小梁厚度、骨体积分数改变等
MRI检查	有无骨髓水肿；有无囊性变；有无T1WI 低信号条带，T2WI 高信号双线征等
组织学检查	有无骨小梁稀疏、变细，结构紊乱部分骨小梁断裂，骨陷窝内骨细胞减少；有无髓腔内脂肪细胞、造血细胞变化；有无纤维细胞增生，破骨细胞及成骨细胞的变化。

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