劉李玟韜 ,楊 潔 ,陳秉樸 *
(1.右江民族醫學院,廣西 百色 533000;2.右江民族醫學院附屬醫院,廣西 百色 533000)
高尿酸血癥動物模型研究述評
劉李玟韜1,楊 潔2,陳秉樸1*
(1.右江民族醫學院,廣西 百色 533000;2.右江民族醫學院附屬醫院,廣西 百色 533000)
高尿酸血癥動物模型是研究高尿酸血癥發病機制和藥物治療的關鍵。該文簡述高尿酸血癥的造模基本原理、動物模型的選擇、給藥方式,并對各種模型的造模方法及特點進行了概括和比較,以期為該類研究提供參考。
高尿酸血癥;動物模型;造模方法;述評
尿酸(uricemia,UA)是嘌呤衍生物,瑞典藥劑師Scheele于1776年在膀胱結石中發現[1]。高尿酸血癥(hyperuricemia,HUA)指因UA產生過多或腎排出減少導致血UA超出正常范圍的病態改變,中國發病率13%~25%[2]。HUA模型是研究HUA病理變化和治療藥物及探討藥物作用機制不可或缺的重要環節。本文茲就HUA動物模型的研究做一分析,以期為同類研究提供參考。
UA是嘌呤代謝的中間產物,主要由次黃嘌呤(hypoxanthine,HX)和黃嘌呤(xanthine)在黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase,XOD)催化下生成。嘌呤主要在肝內合成,非嘌呤基前體物質氨基酸、CO2、磷酸核糖、三磷酸腺苷(ATP)可形成磷酸核糖焦磷酸(phosphoribosyl pyrophosphate,PRPP),在谷氨酰胺作用下形成氨基磷酸核糖。在甘氨酸及磷酸核糖酰胺轉換酶 (PRPPAT)催化下形成次黃嘌呤核苷酸(IMP),而后轉換成腺嘌呤核苷酸(AMP)或鳥嘌呤核苷酸(GNP),最終生成尿酸。腦和骨骼等組織內游離的嘌呤和嘌呤核苷也合成嘌呤核苷酸,參與嘌呤代謝。UA2/3經腎排出,1/3通過糞便和汗液排出。血UA水平取決于腎小管功能完整性和腎小管上皮細胞中UA轉運體的表達[3]。尿酸鹽陰離子轉運體1(urateanionexchanger1,URAT1)和有機陰離子轉運體4(organic anion transporter4,OAT4)是尿酸重吸收的轉運體,排出轉運體有OAT1、OAT3、葡萄糖轉運體9(glucosetransporter9,GLUT9)、ATP 結合半轉運蛋白ABCG2、鈉依賴的磷酸轉運蛋白(NPT)等。轉運體表達受遺傳、飲食、環境等影響和基因調控,基因表達異常可引起轉運體異常,使腎排出減少,導致HUA[4]。Enomoto等[5]最早從人腎中克隆出URAR1基因,它由SLC22A12基因編碼,SLC22A12基因的多態性是HUA發病的重要危險因素[6]。
靈長動物與人有相似的尿酸代謝途徑,是理想的造模動物,但價格昂貴而失去實驗優勢。故常用造模動物是禽類、嚙齒類。
日本小宮山氏[7]最早發現埃及Fayoumi品系雞頻繁發生HUA和痛風,將雞作為先天痛風模型。禽類常用海蘭褐蛋公雛、迪法克品系鵪鶉、羅曼蛋雞、嶺南黃雞,這類動物和人一樣缺乏尿酸酶(urate oxidase,UAO),嘌呤代謝與尿酸形成途徑相似,但種屬與人類相差較遠,普通實驗室飼養和指標測定困難,因此限制了應用。
鼠類主要是Sprague-Dawley大鼠(SD大鼠)、Wistar大鼠、C57BL/6小鼠、昆明種小鼠、ICR小鼠等,但鼠體內的尿酸酶能使尿酸分解,導致模型不穩定和血UA值檢測時可存在時效性[8]。不同品系及性別的鼠生理病理有差異,也影響造模效果。金沈銳等[9]報道,♀♂小鼠及同性動物間血UA值差異較大,♀鼠個體間血UA值波動較大,建議選用♂鼠。劉曉燕等[10]發現ICR、C57BL/6J小鼠模型敏感度低。
HUA動物模型的復制主要是干擾嘌呤和尿酸代謝。
尿酸酶(UAO)需要一定時間才能將血UA轉化為尿囊素排出,故腹腔注射UA或UA灌胃,可使血UA升高,但停用造模劑后下降,模型不穩定,增大劑量可導致動物死亡。Stavric等[11]報道,對狗、家兔、大鼠補充UA,不能形成持續穩定的HUA。李振坤等[12]報道,小鼠每天腹腔注射UA 300 mg/kg及400 mg/kg,造模第 1、3、7、14 天升高,但 400 mg/kg時死亡率高。
對動物飼喂或注射UA前體物質黃嘌呤、次黃嘌呤、酵母、沙丁魚、果糖、肌苷等,可促進尿酸產生,獲得HUA模型。陶兆燕等[13]報道,100 d齡羅曼蛋雞在產蛋日齡前喂高蛋白、高鈣飼料,限制進水量,造模第7、14、21天糞便UA顯著升高,第21天血UA顯著升高。林志健等[14]報道,高嘌呤飼料使鵪鶉及大鼠UA持續升高,高果糖飼料造模第14、21、35天大鼠血清UA顯著升高。王雨等[15]報道,SD大鼠以10%果糖飲水灌胃造模,第20~40天血UA顯著升高。黃勝男等[16]報道,每天對38 d齡雄性迪法克鵪鶉給予高嘌呤飼料(普通飼料拌入酵母干粉15 g/kg),第7、14、21、28 天 UA 顯著升高。趙振升等[17]報道,海蘭褐蛋公雛飼料在25%和30%蛋白水平時血UA不同程度升高,血UA值與飼料中蛋白含量呈正相關,飼喂時間越久血UA值越高。但周道遠等[18]報道,大鼠給予10%酵母粉飼料,難達到HUA狀態。李麗玉等[19]報道,10%果糖水持續喂養大鼠,血清UA第7~58天間斷升高,第14、51天血UA與空白組無明顯差異。
臨床發現乙胺丁醇和降脂藥煙酸有抑制腎臟清除UA的副作用,導致HUA,甚至誘發痛風[20]。腺嘌呤在動物體內轉化成的二羥基腺嘌呤對腎功能造成損傷,影響尿酸排泄。熊湘明等[21]對大鼠分別以腺嘌呤50 mg/kg+乙胺丁醇 250 mg/kg、腺嘌呤 100 mg/kg+乙胺丁醇250 mg/kg、腺嘌呤200 mg/kg+乙胺丁醇250 mg/kg灌胃,低劑量時血UA升高不明顯,高劑量時血UA升高較大而腎損害較嚴重。李永新等[22]對Wistar大鼠以腺嘌呤(300 mg/kg)灌胃,1周后血UA升高9.7%。盧忠英等[23]對SD大鼠以腺嘌呤200 mg/kg灌胃,連續3周后UA顯著升高。楊桂梅等[24]報道,不同劑量腺嘌呤連續灌胃,第10、20天大鼠血UA顯著增高,但第20天大鼠腎損害嚴重。
Fridovich[25]報道,氧嗪酸鉀是UAO抑制劑。牛艷芬等[26]報道,大鼠連續灌胃2.5 g/kg氧嗪酸鉀5周,HUA可維持5周。陳露瀅等[27]對SD大鼠每日以氧嗪酸鉀1.5 g/kg灌胃15 d造成UA升高。安海文等[28]等以氧嗪酸鉀混懸液按400 mg/kg一次性腹腔注射制備小鼠HUA模型。周道遠等[18]報道,5%氧嗪酸鉀制備的大鼠模型血UA水平升高明顯,但因UAO抑制劑的代謝,抑制劑作用隨時間延長而降低,常導致模型不穩定。曾友長等[29]報道,以腹腔注射氧嗪酸鉀300 mg/kg制備雄性KM小鼠HUA模型。但Nakagawat等[30]報道,氧嗪酸鉀誘導的動物體內血UA水平在一日內并不穩定,可能夸大造模大鼠與對照大鼠血UA水平的差異。
董靜等[31]報道,雄性昆明小鼠以酵母膏 15 g/(kg·d)十乙胺丁醇 0.125 g/(kg·d)灌胃 3 周,可建立相對持久穩定的HUA模型。Batool等[32]報道,單用含60%果糖飼料飼喂大鼠10周,血UA升高37%;單用氧嗪酸鉀造模,大鼠血UA升高45%;聯合使用果糖與氧嗪酸鉀,血UA升高55%。王莉等[33]報道,連續4周飼喂10%酵母飼料和飼喂10%酵母飼料聯合每日腹腔注射100 mg/kg氧嗪酸鉀可獲得大鼠長期HUA模型,但后者大鼠體內抗氧化活力較前者稍低。馬麗等[34]以高脂飼養鵪鶉30 d后再連續7 d腺嘌呤灌胃,22 d后血UA明顯升高。邢儒伶等[35]以酵母干粉飼喂+腺嘌呤(100 mg/kg)連續灌胃5周,第7天血UA 500 mol/L,但第26 d血肌酐達慢性腎衰水平;腺嘌呤劑量增加到250 mg/kg或300 mg/kg,第24天大鼠全部死亡。閆云霞等[36]對雄性KM小鼠以氧嗪酸鉀(10 mg/mL)200 mg/kg和黃嘌呤 (5 mg/mL)100 mg/kg灌胃,血清UA明顯升高。劉暢[37]、王淳[38]等對8周齡雄性SD大鼠以酵母膏 10 g/(kg·d)+腺嘌呤 100 mg/(kg·d)連續灌胃 14 d制備HUA模型。別鳳儀等[39]報道,對雄性Wistar大鼠給予酵母聯合高果糖飲食,大鼠SUA在第2~8周末保持較高水平,酵母聯合氧嗪酸鉀第8 w末SUA仍顯著升高。楊旭娟等[40]報道,小鼠腹腔注射200 mg/kg肌苷聯合皮下注射200 mg/kg氧嗪酸鉀在1.5 h時能形成較穩定的急性HUA模型。周翔等[41]等對雄性SD大鼠灌胃HX(30 g/L)2 mL/kg每日1次,第2日給予氧嗪酸鉀(200 mg/kg體積為1mL/kg)腹腔注射每隔48 h腹腔注射1次,連續7 d可制備HUA模型。胡向陽等[42]報道,對4周齡SPF級Wistar雄性大鼠給予10%酵母飼料,每天按100 mg/kg于20:00灌胃給予腺嘌呤(4 g/L)懸濁液,9:00與 19:00腹部皮下注射氧嗪酸鉀乳懸液100 mg/kg,連續14 d,大鼠血UA、尿UA顯著升高。
酶缺陷是UA生成增多的重要原因,Wu等[43]最早通過剔除破壞小鼠尿酸氧化酶基因,再基因重組,獲得尿酸酶缺乏的突變小鼠,小鼠出現HUA和痛風癥狀,但小鼠約1/2以上在4周齡前死亡。房冬冬等[44]報道,以TALEN靶向基因修飾技術將C57BL/6J小鼠尿酸氧化酶基因敲除,建立了自發性HUA模型,但Uox-/-小鼠出生率約15.8%,死亡率較高;Uox+/-小鼠出生率約53.3%,死亡率4.45%。Uox+/-小鼠高酵母飼養+氧嗪酸鉀溶液腹腔注射造模后血UA升高明顯高于野生型小鼠模型。
HUA模型成功的標準是血UA、尿UA增高,但高尿酸可致代謝紊亂,損害腎臟,故應進行血脂、肌酐、尿素氮等檢測和內臟尤其是腎臟的病理檢查,及參與嘌呤及尿酸代謝的酶活性、尿酸轉運體表達等檢測。楊會軍等[45]報道,SD大鼠造模后第14天血清UA、肌酐、尿素氮升高明顯,腎臟體積增大、包膜泛白、表面可見少量散布白色點狀物、皮質變薄,髓質和錐體內可見少量白色絲狀物。吳生元等[46]報道,模型大鼠有大量尿酸鹽結晶阻塞腎小球毛細血管腔,致腎小球正常結構消失,腎小管腔擴大,部分輕度萎縮,腎近曲小管腔、間質部分及血管有較多棕褐色尿酸鹽結晶沉積,和大量炎性細胞浸潤,腎臟OAT3蛋白表達水平有所降低。田騰躍等[47]報道,小鼠造模后血清中UA、尿素、肌酐含量均明顯升高。迪麗達爾·希力甫等[48]發現酵母膏與氧氫酸鉀聯合造模后,極低密度脂蛋白、不飽和脂肪酸、丙酮降低,導致脂代謝、氨基酸代謝紊亂。趙振升等[17]報道,海蘭褐蛋公雛模型心肝脾及腸系膜表面有石灰樣尿酸鹽沉積,腎臟體積顯著腫大,表面白色與紅色相間,呈現典型花斑腎病變。楊桂梅等[24]報道,大鼠模型腎臟表面布滿灰黃色顆粒,光鏡和電鏡下觀察到腎組織中大量的二羥基腺嘌呤結晶沉積,部分腎小管完全破壞并有炎性細胞浸潤,局部纖維組織的增生腎損害嚴重,腎損害早于血尿酸增高。別鳳儀等[39]發現造模后大鼠血清和肝勻漿中XOD活性、血清腺苷脫氨酶(ADA)活力顯著高于空白對照組,腎臟OAT1水平明顯下降,尿酸鹽轉運體(RST)水平明顯升高,第8周大鼠腎小管管腔間質偶見結晶物沉積,無明顯纖維化,腎小管、腎小球組織結構無明顯異常。李振坤等[15]報道,腹腔注射尿酸小鼠模型的GLUT9的基因表達上調,URAT1、OAT10的基因表達無顯著變化。劉暢等[37]發現SD大鼠HUA模型血清UA、ET-1、TXB2含量顯著升高,NO、6-keto-PGF1α含量顯著降低,主動脈血管內皮形態發生異常改變。王淳等[38]報道,SD大鼠HUA模型血清UA、ET-1含量升高,NO含量降低,腎組織ET-1mRNA表達水平顯著升高。黃勝男等[16]報道,鵪鶉造模第 7、14、21、28 天時 UA 顯著升高,鳥嘌呤脫氨酶(GDA)活性有增高趨勢(P>0.05),第 7、14 天時 5’-核苷酸酶、腺苷脫氨酶(ADA)活性明顯升高,第 21、28 天有升高趨勢(P>0.05);第 21、28天嘌呤核苷磷酸化酶 (pufine nucleoside phosphorylase,PNP)活性明顯升高,第 7、14、21,28 天與正常組比較,差異無統計學意義;第7天黃嘌呤氧化酶性明顯升高,其余時間點有升高趨勢(P>0.05)。曾友長等[29]報道,模型小鼠外周血mOAT1相對表達水平明顯高于對照組。鄭媛等[49]報道,大鼠腺嘌呤和酵母膏灌胃造模后血清UA、BUN、Scr水平升高,腎臟損傷明顯,腎組織 IL-1β、TNF-α、TGF-β1 含量顯著升高。
鼠是常用的HUA建模動物,但鼠體內客觀存在的UA酶可分解尿酸,隨著時間延長,UA被逐漸分解排泄,必然導致模型不穩定和實驗結果與人高尿酸血癥有明顯差異,不利于長時間觀察HUA病理生理變化和藥物治療作用及機制。最理想的模型動物是缺乏UA酶的禽類動物和人源化動物。人源化動物可采用Red/ET重組打靶技術,或通過轉錄激活因子樣效應物核酸酶技術及回文重復序列集關聯蛋白系統,使尿酸氧化酶基因剔除或失活。對于剔除基因后的免疫排斥,可通過移植免疫細胞,使免疫功能重建。
直接使用尿酸造模,與人原發性HUA原因及發病機制大相徑庭,不能探討HUA發病機制,失去使用價值。增加UA前體物質,雖可獲得HUA模型,但人內源性嘌呤產生過多導致的HUA僅10%~15%。原發性HUA的另一重要原因是次黃嘌呤-鳥嘌呤核苷酸轉移酶(HGPRT)缺乏或活性減弱及PRPP活性增高,嘌呤代謝受酶的反饋調節,外源性嘌呤過多可通過負反饋機制抑制PRPPS活性,HGPRT活性增高。抑制尿酸酶活性法雖可消除動物與人類在代謝上的某些差異,但人HUA以腎排泄減少型為主,大多數原發性HUA是血尿酸增高,腎對UA清除不增加,但動物腎排泄尿酸能力很強,在血尿酸升高的同時,尿中排出尿酸也升高。外源性抑制隨著藥物分解排泄,模型血UA不能維持較長時間的穩定性,必須連續給藥。抑制尿酸排泄法可增加體內尿酸蓄積,但藥物損害肝腎功能。人HUA病因和發病機制復雜,單一藥物造模不能全面反映HUA發病機制,故應聯合造模。
人HUA發病存在時間過程,一次給藥時高血UA最長只能維持數十小時,與人HUA發病機制不同,不利于觀察HUA發病機制和病理生理變化。連續、多次給藥雖可彌補一次性給藥的不足,血UA可維持較長時間,但存在明顯不足。連續、多次飼喂法,動物可自由攝取含有造模劑的水或飼料,隨著機體機能損害逐漸加重,動物攝入量逐漸減少,造成藥物浪費和動物之間造模劑攝入量不均,血UA變化不一致。連續、多次灌胃和注射法雖給藥均勻,但有些物質不溶于生理鹽水,且間斷性灌胃、注射常因藥物濃度有時效差異性變化,導致血UA水平在不同時間內不同,同時需連續多次觀察動物健康狀況,增加了工作量,且易導致誘導劑藥量過大,使動物死亡。同時,嚙齒類動物存在尿酸酶,長時間血UA升高可反饋性地引起尿酸酶表達增多和活性升高,給藥一段時間后血尿酸不升反降,影響模型效果。因此,從給藥方法上分析,也應選擇人源化動物模型。
對于腎損害,單一造模藥物較聯合用藥輕,短期使用較長時間使用損害輕。UA介導的氧化應激可致腎損害,腎損害與血UA水平呈正相關,尤其是長時間和大劑量使用乙胺丁醇、煙酸、腺嘌呤,模型血UA水平顯著升高時腎損害明顯。腎損害有屬于造模藥物副反應者,也有屬于高尿酸血癥的并發癥。人尿酸性腎損害是慢性損害,實驗即使長達2月,與人HUA腎損害比較,仍是亞急性HUA。
HUA發病率不斷增加,深入開展HUA動物模型研究,統一造模方法、模型評價標準,建立穩定的接近人類發病機制的動物模型是今后研究的主要方向。可以認為,實驗動物應選擇缺乏UA酶的禽類動物或人源化動物,根據實驗目的選擇相應造模劑,以低劑量UA前體物質和UA排泄抑制劑聯合連續造模為佳。
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A Review of Animal Studies on Hyperuricemia
LIU Liwentao1,YANG Jie2,CHEN Bingpu1*
(1.Youjiang Medical University For Nadionalities,Baise,Guangxi 53300,China; 2.Affiliated Hospital of Youjiang Medical University For Nationalities,Baise,Guangxi 53300,China)
Hyperuricemia animal model is the key to study the pathogenesis and drug treatment of hyperuricemia.This paper introduces the basic principle of hyperuricemia model,animal model,drug delivery,and the analysis model of various models,the preparation methods and characteristics of hyperuricemia animal model are summarized and compared,to provide a reference for the study.
hyperuricemia;animal model;modelling method; review
R-332;R259
A
10.3969/j.issn.1674-070X.2017.12.031
本文引用:劉李玟韜,楊 潔,陳秉樸.高尿酸血癥動物模型研究述評[J].湖南中醫藥大學學報,2017,37(12):1431-1436.
2017-09-08
廣西高校科學技術研究項目(ZD2014105)。
劉李玟韜,男,在讀博士研究生,研究方向:解剖與組織胚胎學:分子人類學。
* 陳秉樸,男,教授,E-mail:715042882@qq.com。
(本文編輯 李 杰)