代谢性疾病实验动物模型的建立与评价

2009年 8月 第 17卷 第 4期 中国实验动物学报 August，2009 ACTA LABORATORIUM ANIMALIS SCIENTIA SINICA Vo1．17 No．4 ∞ 进展·综述 6 ( 、 、 、 、 、 ；；＼ 代谢性疾病实验动物模型的建立与评价 杨丽霞 ，黄宗涛。，刘铜华 ，李娟娥 (1．北京中医药大学 ，北京 100029；2．兰州市榆中县中医院外科，兰州 榆中 730100； 3．北京中医药大学科技处，北京 100029；4．北京中医药大学，北京 100029) 【摘要】 代谢综合征是一组以多种代谢性疾病合并出现为临床特点的临床症候群。建立适合的 Ms动物模型 对研究代谢性疾病的发病机理和相关药物筛选有十分重要的意义。本文就目前 Ms实验动物模型的建立做一综 述 ，并对其进行评价 。 【关键词】 代谢综合征；动物模型；评价 【中图分类号】R347．8 【文献标识码】A 【文章编号】1005．4847(2009)04。0318．05 Establishment and Evaluation of Laboratory Animal M odels of M etabolic Diseases YANG Li．xia ，HUANG Zong—tao ，LIU Tong—hua3，LI Juan—e4 (1．Ph．D．06 Grade，Beijing University of Traditional Chinese Medicine，Bering 100029，China； 2．Surgery of Yuzhong Hospital of Traditional Chinese Medicine，Yuzhong，Lanzhou 730100； 3．Technology Agency of Beijing University of Traditional Chinese Medicine，Beijing 100029，China； 4．Ph．D．08 Grade，Beijing University of Traditional Chinese Medicine，Beijing 100029，China) 【Abstract】 Metabolic syndrome(MS)is a group of clinical syndromes，and it is characteristic as a combination of several kinds of metabolic disorders．It is of great significance to establish suitable animal models of MS on research of pathogenesis and related drug screening for metabolic diseases．This article introduces a review and evaluation of the current laboratory animal models of metabolic syndrome． 【Key word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 s】 Metabolic Syndrome；Animal Models；Evaluation 代谢综合征(metabolic syndrome，MS)是以中心 性肥胖、糖尿病或糖调节受损、高血压、血脂异常以 及胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)为共同病理生理 基础，以多种代谢性疾病合并出现为临床特点的一 组临床症候群 。目前全世界大约 1／4～1／3成人 受到 MS的影响，在西方 MS患病率为 20％ ～30％， 我国约 25％。随着社会老龄化 和肥胖 的流行 ，MS 发病率逐年上升，严重威胁着人类的健康。MS病因 不甚清楚 ，研究 MS发病机制及治疗策略已成为医 学工作者的一个重要课题。 我国应用动物模型进行研究 MS方面科研文献 [基 金项 目]高 等学校博士学科 点专项科 研基金 (编号： 20070026015)。 [作者简介]杨丽霞，女，博士，研究方向：中医药防治糖尿病及 其并发症临床及作用机制研究。 [通讯作者]刘铜华，教授，博士生导师，主要从事中医药防治糖 尿病以及并发症的临床与作用机制研究。E．mail：thliu@tom．corn 不多 ，而用实验动物研究 MS，使得在临床上 MS患 者不能采用的干预措施通过实验动物模型来完成。 实验动物模型与人类疾病病 因及发病 方式又有差 别，没有哪个单一动物模型包括了人类 MS的所有 特征，但是，它们可提供一个或几个方面与人类极为 相似的特征。为了更好的研究 MS发病机制和潜在 治疗因素 ，正确的动物模型是必要的 。 1 模型分类 MS动物模型有多种分类方法，本文就常用典型 模型作一评述，即自发遗传性模型、基因改造模型、 食物诱导模型。 1．1 自发遗传性 MS模型 1．1．1 ob／ob小 鼠：ob／ob小鼠是一株近亲繁殖的小 鼠，由Ingalls等于 1950年发现，该小鼠食欲亢进，过 度肥胖 ，且患有糖尿病 ，其肥胖是由于肥胖基因(ob) 发生了隐性突变引起的，因此而得名 ob／ob小鼠 中国实验动物学报 2009年 8月第 17卷第 4期 Acta Lab Anim Sci Sin，August，2009，Vo1．17．No．4 319 obese mice)。ob／ob小鼠同时存在着遗传背景的异 常和 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现型改变 ，其 中 C57B／6J系统异常是最常见 的遗传背景。该小鼠从2～3周龄起，脂肪细胞体积 开始增大，体脂量增加，到4周龄时即可根据体型识 别 ob／ob纯合子个体，到成熟期，纯合子个体的体重 为杂合子的2～3倍。雌雄纯合子均呈现极为显著 的肥胖、不孕，多食，并有高血糖、高甘油三酯血症、 高胰岛素血症和胰岛素抵抗的表现b 。其胰岛细胞 呈过度分泌状态，8细胞有脱颗粒改变。ob／ob小鼠 的骨骼肌对胰岛素刺激的葡萄糖摄取显著低下 。由 于高胰岛素血症的作用，在肝脏葡萄糖的合成明显 亢进 ，糖原合成酶活性则低下 ，糖异生酶系的抑制状 态明显减弱。此外还发现 6周龄以上的 ob／ob小 鼠 的胰 岛素靶组织 中，胰岛素受体的数量明显减少 ，功 能下降 J。 1．1．2 db／db小 鼠：db／db小 鼠(diabetic mice)，该种 模型的第 4号染色体有恶性突变，雌雄小鼠均发生 糖尿病 ，血浆胰岛素水平从 2～3周龄起 即开始上 升 ，胰岛细胞也有肥大 、增殖 、脱颗粒等改变 ，多食 、 肥胖也非常明显，在其肥胖高血糖期，该模型可有显 著的胰岛素抵抗，这与其内源性高胰岛素血症有关， 其胰岛素抵抗发生的主要部位是肝脏，体外实验发 现外周组织也存在胰 岛素抵抗 ，即骨骼肌 的葡萄糖 转运发生障碍，此外，该种小 鼠的肝 、骨骼肌、脂肪组 织的胰 岛素受体数量减少，功能减弱 。因此 ，该小 鼠是研究 MS胰岛素抵抗的模型之一。 1．1．3 KK和 KK．A 小 鼠：KK小 鼠是 1941年 Kondo 用日本商人的 Kasukabe小鼠原种群培育而成，1962 年 Nakamura发现 KK小 鼠具有和成人肥胖性糖尿 病相似的性质 ，属先天遗传缺陷性小 鼠 。16周龄 时可出现 明显肥胖 、多尿的特点 ，并 开始出现高血 糖 、高胰岛素血症和血脂紊乱 。该 动物糖尿病发 病率高，能自发出现明显肥胖、高血糖和高胰岛素血 症 ，表现为天生 的葡萄糖耐受不 良和胰岛素抵抗 ，但 它往往出现在 5月龄后 ，或予以高热量饲料后才发 病 。随着年龄增长 、饮食行为等逐渐肥胖 ，转变为高 血糖和高尿糖的显性糖尿病，老年动物偶见肥胖。 KK小 鼠其纯合子均在胚胎阶段即致死 ，而杂合子 则表现为严重肥胖 、2型糖尿病和黄色皮毛。因此 ， KK小鼠是用于肥胖相关糖尿病表达过程研究的一 种良好的动物模型。 KK小鼠与 C57 BL／6J小 鼠杂交 ，并进行近亲繁 殖 ，得 Toronto一(T．kk)小 鼠，将黄色肥胖基因(即 Av) 转至 KK小鼠，得 KK—A 鼠，与 KK小鼠相比，有明显 的肥胖和糖尿病症状 。从 5周龄起 ，血糖 、血循环中 的胰岛素水平以及 HbAIc水平逐步升高。j3细胞有 脱颗粒和糖元浸润，随后出现胰岛肥大和中心气泡。 肝脂肪化和脂肪组织增多。脂肪组织的胰岛素敏感 性降低比 KK小鼠明显，且到 l6周龄时完全丧失。 肾脏病变发生早 ，发展迅速 ，肾小球基底膜增厚。用 KK—A 鼠可评价抗糖尿病药物的胰腺外作用 ]。 1．1．4 STZ．SHR 和 SHROB大 鼠：自发性高血 压大 鼠 (spontaneously hypertensive rat，SHR)及 其 亚 系 SHRSP，是由 Okamoto和 Aoki用高血压大鼠交配生 产出的高血压大鼠，再进行选择性近亲繁殖而获得 ， SHR的血压随鼠龄的增加而逐步升高，是 当前国际 上公认的最接近人类原发性高血压的动物模型 J。 近年来的研究证明，2型糖尿病和高血压的早期病 理生理基础都是胰岛素抵抗，人类这两种疾病通常 是共同发生的 ，所 以建立糖尿病和高血压共存 的动 物模型将更接 近人类发病的模式 。将 SHR在新生 期给予 streptozotocin(STZ)处理，到成年时便可获得 2 型糖尿病合并原发性高血压模型(STZSHR) J。由 于该模型具有高胰岛素血症、高甘油三酯血症和高 非酯化脂肪酸等 ，现已得到普遍的认可和应用 ，尤其 是SHR大鼠的胰岛素抵抗现象使得该动物成为研 究 以高血压为突出特征 的 MS首选模型。肥胖 的自 发性高血压大鼠(SHROB)与瘦型 SHR的区别在于 SHROB是在高血压的遗传背景上叠加肥胖表现的 鼠种 ，具有高水平的空腹血浆胰高血糖素和游离脂 肪酸 ，并对糖负荷反应异常 ⋯。 1．1．5 Zucker肥胖大 鼠：Zucker肥胖大鼠为基因缺 陷的纯合子个体(fa／fa)，以高血糖、高胰岛素血症、 高血脂和中度高血压为特征，是典型的 MS模型 。 出生 4～5周后即可出现较为明显的肥胖 ，在 11～12 周时体重可达一般大鼠的2倍以上，体脂显著增加， 以皮下脂肪组织增加更 为显著，且有脂肪细胞的肥 大、细胞数增加和成熟延迟。雌雄纯合子个体都不 孕 ，并具有高胰岛素血症、血脂紊乱 、高糖皮质激素 血症和胰岛素抵抗，无酮症表现，类似人的非胰岛素 依赖型糖尿病，血糖一般尚保持在正常水平。用 Zucker糖尿病肥胖大鼠证明胰岛素敏感性与 IMCL (intramyocellular lipid)含量负相关u 。血糖钳夹技 术证明该类大鼠的胰岛素抵抗随年龄增加而变化， 其在生化代谢、组织形态改变和产生心血管并发症 的血液指标方面存在 与人类的相似性 ，正引起药物 320 中国实验动物学报2009年 8月第 17卷第4期 Acta Lab Anim Sei Sin，August，2009，Vo1．17．No．4 学研究者的重视。 1．1．6 OLETF 大 鼠：OLETF(Otsuka Long．Evans Tokushima Fattv)大鼠，是 1984年由 日本制药公司开 发的自发性 2型糖尿病 鼠种 。该 鼠胆囊收缩素 (CCK)一A受体 mRNA 的表达完全 缺失，其携带 的 ODBI和 ODB2基因与糖尿病的发病有关。该鼠 12 周龄起出现明显胰岛素抵抗，可用于胰岛素抵抗干 预措施的评价 ¨。18周龄后出现迟发的高血糖 ，呈 慢性疾病过程。起病多为雄鼠，雌 鼠也携带有致糖 尿病基因遗传特性，发现致糖尿病基 因 odb．1的传 递与 OLETF大鼠的x．染色体相关，但是睾酮是引起 糖尿病的重要因素。该鼠贪食，不好运动，体形肥 胖，具有多食、肥胖、多饮 、多尿等特征，能够缓慢地 自然发生 2型糖尿病。早期 以胰岛素抵抗、糖脂代 谢紊乱为主 ，以后逐渐出现胰腺功能减退 ，晚期合并 糖尿病肾脏病变 ，与人类 MS的 2型糖尿病极为相 似 ，为研究 2型糖尿病及其并发症 的发病机制和防 治措施提供了较好的动物模型。 1．1．7 JCR LA—cp 大 鼠：JCR LA—cp(JCR LA— corpulent)大鼠是 以动脉粥样硬化为表现特征的 MS 模型H 。雄性常染色体隐性 cp基因纯合子(cp／cp) 常表现为肥胖 、胰岛素抵抗、高胰岛素血症和高甘油 三酯血症等，具有 MS的典型特征。雄性 cp／cp大鼠 由于肝脏过多产生极低密度脂蛋白，导致高脂血症， 因此有动脉粥样硬化的倾向。自12周龄起就有进 行性血管内膜损伤，血流改变，以后伴有心脏局部供 血不足 ，出现心肌缺血，尤其有显著 的旁路血管增 生 ，出现血管途径改变。因此 ，JCR LA—cp大鼠是胰 岛素抵抗相关心血管疾病发生机制和防治研究的可 靠模型。 1．1．8 Wistar肥胖大 鼠：具有糖耐量减低 的 Wistar— Kvoto大鼠携带有 fa肥胖遗传基 因，并具有高血糖 和 leptin受体异常。雌雄两性均具有肥胖 、高胰 岛 素血症和高甘油三酯血症 ，高血糖则 以雄性大鼠多 见，与人类 MS的I临床表现接近。同时，Wistar肥胖 大鼠的胰岛细胞肥大，胰岛素合成及分泌均增 加[151。 1．1．9 WOKW 大 鼠：Wistar Ottawa Karlsburg W (WOKW)大鼠表现为肥胖、中度高血压、血脂异常、 高胰岛素血症 和糖 耐量减低及蛋 白尿 ，与人类 MS 极为相似 ，可用于人类胰岛素抵抗相关疾病的研究。 其影响体重并导致肥胖 的遗传位点位于 1号和 5号 染色体上 。 1．1．10 GK大 鼠：GK大 鼠是一种 自发性 2型糖尿 病模型 ，是 1973年在 日本仙台由 Goto及 Kakizaki等 通过选择糖耐量处于上限的 Wistar大鼠近交繁殖重 复数代而来，具有血糖轻度升高、葡萄糖刺激的胰岛 素分泌 能力 受 损、胰 腺 8细胞 团块 量 减 少 等特 点 ¨。据国外研究者报道，GK大鼠体重较同性别 年龄匹配对照大鼠低 10％～30％，空腹血糖轻度增 高，进食后血糖升高，具有稳定的葡萄糖刺激的胰岛 素分泌受损与葡萄糖不耐受 。该模型肝糖原生 成过多，肌肉和脂肪组织中度胰岛素抵抗 。渐进 性B细胞消失，胰岛纤维化是 GK大鼠2型糖尿病 模型的特点 ]。此模型是用于 MS2型糖尿病发病 机制及胰岛素抵抗方面研究的一个很好模型。 1．2 基因改造 MS模型 MS属多基因遗传病，有许多机制参与发病。可 借助生物工程手段控制实验动物的特定基因组分及 其表达来建立模型，如，重新指导功能基因表达的水 平和(或)位点；将外来基因转移到实验动物体内；阻 止 目标基因的表达 ；或以特异的基因变异株取代原 基因或采用基因敲除法等。此类模型己 日渐成为 MS研究的热点。 1．2．1 A—ZIP／F一1和 AP2一SREBP一1C转基因小鼠：A— ZIP／F一1转基因小鼠和 AP2．SREBP．1C转基因小鼠两 者在表型上很相似，出生时即出现轻度脂肪肝，随后 血甘油三酯水平逐渐升高。由于脂肪组织发育不 良，此类小 鼠常常 出现高血糖 、高胰岛素血症、高甘 油三酯血症、游离脂肪酸水平升高以及胰岛素抵抗 等一系列的 MS症候 。 1．2．2 TKO—OBR小 鼠：由于外周脂肪组织瘦素抵 抗也会导致肥胖 ，可以应用基因敲除技术获得 TKO． OBR小鼠，该小鼠肝和骨骼肌甘油三酯水平分别升 高4倍和 2倍，并出现糖耐量减低及高胰岛素血 症 。 1．2．3 胰岛素受体基因敲除模型：基因敲除动物是 指应用基因敲除技术和胚胎干细胞技术制作出来的 在个体基因组特定位点上的目的基因被删除或灭活 的一类动物 。研究发现，小 鼠在胰岛素受体 (insulin receptor，INSR)基因缺陷时，出生时仅有轻度 生长发育迟缓 ，并没有代谢异常症状 ，但出生后很快 出现酮症酸中毒，几天后 I3细胞功能衰竭 ，接着死于 酮症酸中毒。因此，INSR基因敲除鼠无法对成年鼠 各组织中 INSR的功能进行分析。所 以，有必要制 备组织特异性敲除模型，分析不同组织中 INSR的 中国实验动物学报 2009年 8月第 l7卷第 4期 Acta Lab Anim Sci Sin，August，2009．Vo1．17，No．4 S1 作用。如 ，敲除小鼠肌 肉 INSR称 MIRKO鼠，可导致 血脂代谢紊乱；敲除肝脏 INSR小 鼠称 LIRKO，可表 现胰岛素抵抗和糖耐量减低 ；敲除胰岛 G细胞 INSR 小鼠称 [3IRKO，可出现葡萄糖耐量受损；敲除棕色脂 肪组织 INSR称 BATIRKO小 鼠，常可导致 8细胞衰 竭 。 1．3 饮食诱导 MS模型 对于无遗传背景的动物，可模拟人类不健康的 生活方式，长期高脂饮食并限制运动诱导出现肥胖， 使其出现 MS的基本特征 。 1．3．1 SD大鼠：8周龄 SD大鼠经过高脂饲料喂养 1个月后，表现为明显的高胰岛素血症、体重增加和 内脏脂肪堆积 ，提示大鼠存在胰岛素抵抗 j。 1．3．2 仓鼠：具有血脂异常的啮齿类动物多为兔和 仓鼠，并需要高胆 固醇或高脂肪喂养诱导制备。研 究发现，给予仓鼠高脂肪3个月体重显著升高，腹内 脂肪比例明显增加，且存在更明显的高胰岛素血症、 高甘油三酯血症及肝脏脂肪含量增高，类似人类 MS 的表现 。 1．3．3 Gottingen小 猪：Johansen等 用高脂肪高热 量饮食诱导 9～10个月龄雌性 Gottingen小猪 ，5周 后 ，腹内脂肪含量和血甘油三酯水平明显升高 ，其代 谢受损与人类肥胖者相似 。 1．3．4 Wistar大 鼠：饮食诱导的 MS动物模型 中以 Wistar大鼠最为多见，常用的方法有高脂高盐喂养、 高果糖喂养、高脂喂养 、高脂高糖喂养以及高蔗糖喂 养。大鼠会出现肥胖，伴有胰 岛素抵抗 、高血压 、高 甘油三酯血症等，似人类 MS特征 。 2 模型评价 代谢综合征实验动物模型还有其他 的分类方 法 ，即许多单病种为主的动物模型 ，如 以肥胖 、高血 压、糖尿病和血脂紊乱为主的模型。但这些模型均 在某一方面改变 明显 ，不能完全符合 临床 MS的临 床特征。上述模型均已具备 了一定 的 MS特点 ，也 各有 自己的优点及局限性。 2．1 遗传 自发性模型的优缺点 各种遗传性高血压、肥胖、糖尿病和血脂紊乱大 鼠或小鼠模型。最大的优点是完全在 自然条件下发 病，排除了人为因素，其病理生理改变与单一疾病很 相似，没有环境因素的作用也可致病。但其没有体 现 MS的发病特点，可能只出现 MS的部分表型。另 外某些种属来源困难 ，饲养要求条件高 ，易于出现变 异 。 2．2 基因改造模型的优缺点 转基因和基因敲除模型的优点是能在活体进行 基因修饰，深入细致地明确一个或几个基因的作用。 不足之处为 MS属多基 因多因素所致 ，而非少数基 因的作用 ，并且模型建立技术复杂、成本高、周期长。 另外，由于动物本身遗传背景和修饰基因的不同，不 一 定会出现预期的表型。 2．3 饮食诱导模型的优缺点 饮食诱导模型的优点是方法简单易行，成本低 ， 成模率高。缺点是 由于种属间差异 ，虽可出现血脂 紊乱和明显的胰岛素抵抗 ，但不易形成糖尿病 ，并且 啮齿类动物的脂代谢 与人类差距较大 ，脂质对血管 损害程度较轻。另外，环境 因素诱导使体内多个系 统改变，涉及的关键基因和神经体液因素尚不明确， 增加 了病因学和病理生理机制分析的复杂性。 3 展 望 近年来 ，由于分子生物学的迅猛发展以及各种 基因修饰动物模型的应用，对于了解 MS有 了重大 进展 。但随着研究的不断深入 ，发现 与 MS相关的 候选基 因越来越多 ，有人认为 MS是 由多基 因与多 后天环境因素共 同控制的结果。因此，研究还需不 断深入并要结合多项分子生物学技术，使基因敲除 技术更趋完善 ，为探索各种候选基 因在 MS发病 中 的确切意义 以及后天环境 因素在 MS的发生发展中 所起的作用提供更确切 的证据 ，从而有助于 MS的 早期发现和针对性防治。此外 ，后天环境 因素中的 心理 因素在引起 MS中所起 的作用正 日益受到重 视。这些研究都需要更多更稳定的动物模型，面对 日益严峻的 MS全球流行趋势 ，在 MS动物模型的建 立方面还有很大的发展空间。 参 考 文 献 [1] 张敏，宋秀霞，姜 涛．高尿酸血症与代谢综合征的相关性分 析[J]．中国现代医学杂志，2008，18(5)：623—625． [2] Cefalu WT．Animal models of type 2 diabetes：clinical presentation and pathophysiological relevance to the human condition[J]．ILAR J，2006，47(3)：186—198． [3] 毕秀萍，张薇．代谢综合征动物实验模型的研究进展[J]．中 国动脉硬化杂志，2006，14(11)：1007—1009． [4] Zhang Y，Proenca R，maffei M，et a1．Positional cloning of the mouse obese gene and 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