李 懿,張立穎
糖尿病腎病(DN)是糖尿病慢性微血管并發癥之一,以腎小球血管損傷、硬化為主,形成結節性病變,進而出現腎功能異常,最終形成終末期腎病(ESRD)。在西方國家人群中,DN已經成為終末期腎衰竭的主要原因,也是糖尿病致死的主要原因[1]。隨著糖尿病的不斷流行,我國DN的發病率也呈增多趨勢,DN防治已經成為一個不容忽視的問題。但由于確切的發病機制尚未闡明,建立合適的模型是研究其發病機制、病理變化的重要線索。同時也為臨床防治該疾病提供依據。目前,DN動物模型的常見制備方法包括手術切除胰腺、化學藥物誘導、自發性形成、轉基因技術等,但由于手術切除胰腺后的動物常在還未出現并發癥時就死于糖尿病本身,所以本研究主要對后面幾種方法進行闡述。
通過各種技術手段損傷動物的胰臟或胰島B細胞導致胰島素缺乏,或用各種拮抗劑對抗胰島素的作用,引起實驗性糖尿病或高血糖,而持續性高血糖是發生DN的必要條件。
1.1 1 型糖尿病腎病模型制備 DN 動物模型的誘發藥物包括鏈脲佐菌素(STZ)、四氧嘧啶(ALX)、鏈脲佐菌素聯合弗氏完全佐劑以及四氧嘧啶加嘌呤霉素等。常用的是STZ、ALX。STZ通過選擇性殺傷動物胰島B細胞,使其喪失分泌功能,形成不可逆的胰島素依賴性糖尿病,隨病程的延長可發展為DN[2]。采用STZ誘導的1型糖尿病模型動物,可出現中等程度的蛋白尿、血肌酐升高和與DN相關的病理改變。由于STZ造模穩定、快速,種屬選擇性不強,復制前不需禁食,組織毒性較小等,故常用STZ誘導構建1型糖尿病小鼠模型,技術已基本成熟,得到了廣泛應用[3]。
1.1.1 高劑量STZ誘導的小鼠糖尿病腎病模型 一次性給予實驗動物≥200mg/kg的STZ腹腔注射,增大胰島B細胞毒性,導致糖尿病發生率增高和嚴重程度加劇。由于嚴重的高血糖,需要對血糖濃度和胰島素給藥情況進行監測。幾個月后,可以檢測到中等程度蛋白尿和腎小球硬化。但是,由于STZ對其他組織也有非特異性毒性作用,因此很難將STZ直接毒性作用與高血糖病變加以區分。一些研究表明,該模型中蛋白尿嚴重程度與STZ劑量有關,而不依賴于血糖水平[4]。此外,高劑量STZ引起小鼠急性腎損傷已有報道[5]。
1.1.2 低劑量STZ誘導的小鼠糖尿病腎病模型 為了減輕STZ非特異性細胞毒性,人們采用低劑量(40 mg/kg~55mg/kg)STZ多次注射誘導糖尿病。該方法一般是40mg/kg~50mg/kg STZ腹腔注射,每天1次,連續5d[6,7]。低劑量STZ多次注射可導致胰腺B細胞低程度地反復損傷,同時伴有胰島內淋巴細胞浸潤。以更小劑量STZ,如30mg/kg多次腹腔注射誘導的動物模型被認為同1型糖尿病更接近[8]。Gurley等[9]報道小鼠品系對低劑量STZ多次誘導的糖尿病易感性順序為DBA>C57BL/6>MRL/MP>129/SvEv>BALB/c。研究也表明,雄性小鼠較雌性小鼠對STZ更敏感。不同近交系小鼠對低劑量STZ的B細胞毒性和非特異性毒性作用的敏感性存在很大差異,造模時可調整劑量。一般情況下,對同一品系,采用適當的低劑量STZ多次誘導與高劑量STZ一次誘導可產生相似的高血糖,但蛋白尿的程度一般較低[10],可能反映了直接腎毒性降低。美國糖尿病并發癥動物模型協會(AMDCC)還建議采用一個標準的低劑量模型誘導糖尿病并發癥包括DN。根據這一建議,作為DN動物模型的小鼠應該連續5d,每天腹腔注射STZ 50mg/kg,然而僅有50%C57BL/6小鼠發展為顯性糖尿病。因此,該方法是否被相關專家采納還值得商榷。
1.1.3 STZ誘導的大鼠DN模型 大鼠DN模型一般在斯潑雷格·多雷(Sparague Dawley,SD)、威斯塔·京都(Wistar Kyoto,WKY)和自發性高血壓大鼠(Spontaneous Hypertension Rat,SHR)大鼠中誘導。8周齡雄性大鼠(200g~250g)禁食16h,一次性尾靜脈注射(SD 55mg/kg,WKY 60mg/kg,SHR 45mg/kg)飲用蔗糖水(15g/L)48h[11],以減少早期死亡(因為貯存的胰島素從受損的胰島中大量釋放導致低血糖)。注射后1周,測定空腹血糖15mmol/L以上者(約有90%)納入DN研究。為防止隨后發生酮尿,糖尿病大鼠每天需皮下注射長效胰島素(2U/鼠~4U/鼠)以維持理想的血糖水平(16mmol/L~33mmol/L)。STZ注射后至少3周,腎臟才能從STZ輕微的急性腎毒性中恢復過來,這時才能開始檢查STZ誘發DN的作用[12]。42d后大鼠尿微量白蛋白水平升高,腎臟膜細胞增生、基質增多、腎小球基底膜增厚。
1.1.4 單側腎切除后誘導的大鼠DN模型 不同品系的大鼠(SD,Wistar和SHR)單側腎臟切除術加上35mg/kg~50mg/kg STZ多次小劑量誘導即可制備模型。單側腎切除后可導致對側腎的代償性肥大并加速疾病的進展過程。
1.2 2型糖尿病腎病模型
1.2.1 大鼠2型糖尿病腎病模型 采用SD大鼠喂以高糖高脂飼料(飼料組成:10.0%豬油、20.0%蔗糖、2.5%膽固醇、1.0%膽酸鹽、66.5%常規飼料),以誘導出胰島素抵抗。聯合40mg/kg的STZ腹腔注射[13]破壞胰島B細胞的部分功能,使胰島素分泌減少,形成非胰島素依賴性2型糖尿病。此方法模擬人類2型糖尿病形成過程,后期形成DN模型。21d后血糖穩定升高,98d后模型大鼠出現與臨床DN相似的生化、尿液、病理組織學、免疫組織化學變化[14]。
1.2.2 小鼠2型糖尿病腎病模型 給C57BL/6小鼠喂飼高脂飼料(10.0%豬油、20.0%蔗糖、2.5%膽固醇、1.0%膽酸鹽、66.5%常規飼料)是誘導肥胖和胰島素抵抗2型糖尿病的一種常用方法。該法對研究動脈硬化尤其有用。高脂飼料的作用與研究的小鼠品系有關,APJ小鼠相對抵抗[15],該模型中蛋白尿未有報道。一項研究發現高脂飼料可在KK-ay小鼠誘導明顯的蛋白尿[16]。
該模型是指動物未經過任何有意識的人工處置,在自然情況下發生的DN,或者由于基因突變,染色體畸變,通過定向培育保留下來的動物模型,進而發生DN。這類動物模型特點是來源有限,繁殖飼養條件要求高,發病率低,造模周期較長,價格昂貴,但在一定程度上減少了人為的因素,腎臟病變特點與人類DN相似程度較高,此類動物模型為糖尿病及其并發癥機制及藥效學研究提供了實驗平臺。
2.1 1型糖尿病腎病自發性動物模型
2.1.1 NOD(nonobese diabetic mouse)小鼠 NOD小鼠是目前研究最廣泛的1型糖尿病腎病自發性動物模型。由于與人類DN的致病性和遺傳的相似性,該模型廣泛用于對病因、病理和疾病相似性的探討。NOD小鼠是ICR近交系小鼠,大概在4周齡~5周齡起,小鼠胰腺自發出現程度不等的炎癥,24周齡~30周齡時大多數胰腺B細胞被破壞出現顯性糖尿病,進而發展成為DN,表現為尿蛋白排泄增加。腎臟病理變化:系膜細胞增生,腎小球毛細血管基底膜增厚,細胞外基質增多,最后出現腎小球硬化[17]。在NOD小鼠中,雌鼠的發病率比雄鼠高4倍[4]。該模型與人類1型糖尿病在臨床癥狀上有眾多相似之處:高血糖、尿糖、多尿、多飲,不僅有如此相似之處,還包括含有特異性主要組織相容性復合體(MHC)ò類等位基因和許多非MHC位點作為多基因易感性位點;通過造血干細胞傳播疾病;胰島內炎性細胞浸潤(胰腺炎);有胰島自身抗體;對T細胞嚴重依賴[18]。然而它對酮癥酸中毒的抵抗性更強。如果沒有胰島素的注射,NOD小鼠通常死于脫水而非酮癥酸中毒。盡管如此,NOD小鼠仍然不是一個完美的動物模型,作為一個近交系,存在著可以發展為1型糖尿病的風險并且以一種可以預見的方式發展[19]。而人類的1型糖尿病腎病是一個多基因遺傳病,并且受到環境的影響。
2.1.2 胰島素-2Akita小鼠 因為Insulin-2基因突變,導致胰島素肽鏈錯誤折疊,選擇性地對胰島B細胞產生蛋白毒性,導致B細胞分泌胰島素能力下降。突變的雜合子在(3~4)周齡時由于嚴重的胰島素缺乏表現為顯著的高血糖,但純合子通常在圍生期死亡。雄性小鼠比雌性小鼠更缺乏胰島素。Akita小鼠表現出一定程度的蛋白尿和輕至中度的腎小球系膜擴張。DN早期即可表現為足細胞缺失,可能與足細胞凋亡增加有關[20]。Akita小鼠模型可以出現病理結構表現,如腎小球系膜擴張,足細胞數目減少,腎小球硬化,腎間質纖維化等[21]。此外,Akita小鼠可產生不明原因的IgA系膜沉積,這就使得關于腎小球系膜增生的解釋變得更加復雜[22]。目前,這種突變的小鼠種系中只有C57BL/6可以利用,但C57BL/6小鼠對DN有較好的耐受性,因此不是理想的DN模型。
2.2 2型糖尿病腎病自發模型
2.2.1 db/db小鼠 db/db小鼠是位于小鼠4號染色體的瘦素受體因突變所致的先天肥胖性2型糖尿病模型。db/db小鼠發生糖尿病的病程與人類極為相似,微血管并發癥多見,尤其好發DN。在出生10d后就表現出高胰島素血癥,1個月后表現出輕度的血糖升高,8周齡后表現為顯著的高血糖[10]。12周~14周出現明顯的組織形態學改變,表現為腎小球肥大,系膜區增寬,基底膜增厚,細胞外基質過量積聚,腎功能明顯損害[23]。在db/db小鼠中蛋白尿水平為68μg/24h~600μg/24h[10,24-27]。一般來說,這些小鼠不會發展到腎小球膜溶解、結節性腎小球硬化和進行性腎功能不全[28]。對于人類早期的DN研究而言,不失為一個好的選擇。
2.2.2 GK大鼠 GK大鼠是由對葡萄糖不耐受的Wistar大鼠重復近親繁殖多代后產生。這種動物模型的特點是中度的高血糖,外周胰島素抵抗和肥胖表型。GK大鼠產生2型糖尿病腎病主要由于胰島B細胞受損。GK大鼠表現出與人類早期DN一致的腎小球肥大、基底膜增厚等。在出生8個月后也不表現出明顯的蛋白尿和進行性腎病。然而,Sato等[29]發現GK大鼠在24月齡時表現出節段性腎小球硬化和腎小管間質纖維化等晚期腎臟病變。與此同時,出現了顯著的蛋白尿。因此,他們認為晚期DN大鼠的腎臟變化與人類進行性DN相似,GK大鼠可以作為研究DN及2型糖尿病的有用工具。
2.2.3 OLETF大鼠 OLEFTF大鼠是膽囊收縮素(CCK)2A受體信使RNA(mRNA)的表達完全缺失的2型糖尿病大鼠。早期以胰島素抵抗、糖脂代謝紊亂為主,以后逐漸出現胰腺功能減退,胰島纖維化,晚期合并DN[30]。可以采取鍛煉和限制高熱量飲食的攝入作為OLEFT大鼠在2型糖尿病腎病的進展過程中的預防措施。12周齡~20周齡時表現出輕度的肥胖和高胰島素血癥,18周齡時表現出與晚發性高血糖[31],22周齡時出現大量顯性蛋白尿、30周齡時、OLETF大鼠腎臟膜基質增生,基底膜增厚,腎小球透明性變、縮小,出現結節性腎小球硬化[32],54周齡時表現出與人類DN相類似的大量蛋白尿、結節性病變、彌漫性腎小球硬化和腎小管間質纖維化[33]。因此,OLEFT被視為研究DN最好的鼠類動物模型之一。
2.2.4 ob/ob小鼠 ob/ob小鼠糖尿病的發生是由于ob基因突變,造成其編碼的蛋白瘦素缺乏,引起肝脂肪生成和肝糖原異生顯著增加,高血糖又刺激胰島素分泌,導致胰島素抵抗。這種突變主要存在于DBA2/J和B57BL/6J品系小鼠。ob/ob小鼠癥狀的輕重取決于遺傳背景,純合子動物表現為肥胖、明顯的高血糖及高胰島素血癥,而ob/ob/6J小鼠胰島素水平可達正常小鼠10倍~50倍,但其血糖常只有輕度的升高。Clee等[34]將ob/ob變異引入到BTBR小鼠品系中。BTBRob/ob小鼠在第8周出現與人類DN早期形態學特征類似的早期腎臟改變,包括早期足細胞喪失及同時出現的蛋白尿。蛋白尿出現10周后可檢測到系膜增厚,第18周時這些小鼠出現DN晚期的典型特征,如嚴重的系膜增厚、腎小球系膜溶解、持續性足細胞丟失、基底膜增厚、輕度間質纖維化。BTBRob/ob小鼠的一個突出優點是在相對較短時間就會發展到DN晚期,這就縮短了模型建立后對DN晚期進行干預的研究時間[35]。ob/ob小鼠與db/db小鼠比較,腎臟疾病更少,這可能是由于ob/ob小鼠缺乏循環的瘦素,而瘦素可以直接刺激間質產生。另外一種可能是兩種小鼠的基因背景不同。Pichaiwong等[36]利用瘦素替代而不抑制腎素血管緊張素系統(RAAS),發現晚期DN動物模型的結構(腎小球系膜擴張、腎小球膜溶解、基底膜增厚、足細胞的損失)和功能(活性氧的積累、蛋白尿)幾乎可以完全逆轉,因此,BTBRob/ob小鼠提供了一個先進但可逆的動物模型,這些結果也表明了足細胞的恢復是可能的但不是由RAAS抑制引起的,可能解釋了RAAS抑制劑在治療DN上緩解的有限性,這一動物模型的缺點是價格昂貴,不能生育。
2.2.5 Zucker大鼠 Zucker大鼠體內編碼瘦素受體的基因錯義突變,表現出高血糖、高血脂、高血壓。27周齡大鼠腎臟出現腎小球囊膜基質彌散或結節狀的增生,基底膜增厚,近曲小管萎縮。Reisin等[37]采用Zucker大鼠高脂喂養的方法制作模型,大鼠體內蓄積大量膽固醇、脂肪酸,在體內發生脂質過氧化反應,產生細胞毒性,引起腎臟細胞凋亡和器官損壞。
基因工程動物是指某種或某些遺傳性狀通過基因工程技術而被人為改造過的動物。利用轉基因、基因敲除、基因替換等手段,可以用來研究DN相關遺傳易感基因。通過這一技術,我們可以在動物基因組的特定位點引入所設計的突變基因,模擬造成人類遺傳性疾病的基因結構或數量異常;可以通過對基因結構進行修飾,在動物發生、發育的全過程中研究體內基因的功能及其結構功能之間的關系。
3.1 eNOS敲除鼠 敲除上皮一氧化氮合酶(endothelial nitric oxidesynthase,eNOS)基因的 C57BLKS/J(BKS)db/db小鼠,表現為高血糖、高血壓、蛋白尿。26周后其病理改變為腎小球系膜基質擴張、伴小動脈瘤的腎小球系膜溶解及Kimmelstiel-Wilson結節性改變。eNOS可以減少內皮細胞間連接,降低血管通透性,不含eNOS基因的小鼠更易形成DN損傷。eNOS基因敲除鼠在模擬糖尿病的晚期腎臟形態學變化,尤其是在有敏感的遺傳背景小鼠是在很多糖尿病動物模型中很難見到,這意味著這種小鼠模型非常具有發展前景。或許當這種突變被轉移到另外一種遺傳背景上時和eNOS解剖位點的缺失可調節時一個更穩定的糖尿病動物模型可能會出現[35]。
3.2 轉基因OVE26小鼠 利用轉基因技術使鈣調蛋白在OVE26自發性糖尿病小鼠胰島B細胞中過量表達。小鼠2月齡時出現蛋白尿,6月齡時出現大量蛋白尿,9月齡時腎小球基底膜增厚,系膜擴張,出現腎小球硬化和小管間質性纖維化等病理改變,伴有腎小球濾過率降低[38]。
3.3 GIPR(dn)轉基因小鼠 GIPR(dn)轉基因小鼠是一種新型的早發性DN動物模型,病理現象與人類DN相似。通過隨機誘變和基因修飾獲得,使得葡萄糖依賴性促胰島素多肽受體隱形表達,破壞B細胞,胰島素分泌減少,形成DN。進而發展成為ESRD,這種小鼠對于單基因DN的發病機制和治療方法的研究具有重要意義[39,40]。
隨著DN發生率的逐漸升高,建立一個理想的動物模型刻不容緩。但是,人類DN是一個發病機制非常復雜的并發癥。由于實驗動物與人的差異性,動物模型僅僅能模擬人類DN的病理學改變和部分功能性改變,不能完全重現人類DN。因此,DN動物模型的制備應該更加側重于病因上的相似性,今后應該不斷探索,努力開發出更多更好的DN動物模型用于醫學研究中。
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