糖尿病心肌病動物模型的研究進展*

葉婷 馬國慶 牛世煜 綜述 陳晶 審校

(1.黑龍江中醫藥大學，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江中醫藥大學附屬第二醫院，黑龍江 哈爾濱 150001)

DCM是指DM引起的心肌病變，是一種復雜的臨床綜合征，以心室功能障礙、心肌間質纖維化和心肌細胞肥大為主要特征，不伴高血壓、冠心病或其他心臟疾病[1]。1型和2型DCM動物模型均表現出高血糖和高血脂，同時這些模型也表現出心臟功能、結構和代謝異常，與人類DCM病理相類似。DCM早期表現為縱向收縮功能下降、代償性的徑向功能和舒張功能不全[2]，隨著病情進展，逐漸出現射血分數降低和心室擴張。實驗1型和2型DCM動物通過超聲心動圖，磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)，血流動力學檢測，出現舒張或收縮功能不全，舒張功能障礙的出現通常先于心臟收縮力的改變[3]。舒張功能分析主要參考二尖瓣口流速E/A比值和等容舒張時間[4]，由于超聲心動圖的主觀性估計和不同多普勒模式的嚴重不同共存，經導管測量左心室舒張壓也是非常有價值的。本文對DCM動物實驗研究常用的動物模型做一綜述。

1 誘發性DCM模型

目前，動物實驗中鏈脲佐菌素(streptozocin，STZ)和四氧嘧啶(alloxan，ALX)常用于誘發性DCM模型的建立，因其均能對胰腺β細胞破壞，減少或終止胰島素分泌，進而形成DM，隨著病程的延長，發展成DCM。選擇不同的注射方式和藥物劑量會導致β細胞損傷程度不同，嚴重時將導致動物死亡。因此，在藥物誘發DCM復制模型時，要注意選擇合適的注射方式和注射劑量。同時，為了模擬人2型DCM的發病機理，可結合高糖高脂飼料進行喂養。

1.1 誘發性1型DCM模型 最常用于復制DCM模型的小鼠品系有C57BL/6小鼠和Webster小鼠等，大鼠主要為SD和Wistar大鼠。復制模型方法包括一次性大劑量腹腔注射STZ復制成速發模型、與人類1型DCM更為接近的多次小劑量腹腔注射的遲發型DCM動物模型。劉文旗[5]應用普通飼料喂養Wistar大鼠，STZ 60 mg/kg一次性腹腔注射12周后，心臟病理顯示心肌細胞體積增大，排列紊亂，MASSON染色顯示膠原沉積增加，成功構建1型DCM模型。STZ誘導的DCM模型的主要特點是左室內徑增加，室壁變薄，線粒體損傷膜電位喪失，ROS生成增加，抗氧化劑谷胱甘肽減少，引起心室重塑[6]。蛋白質組學分析顯示，在代謝紊亂和ROS過量生成中的24種不同心臟蛋白的表達有顯著改變，其中一半位于線粒體[7]。

1.2 誘發性2型DCM模型 2型DCM模型常用STZ聯合高糖高脂飼料，可誘發胰島素抵抗，按自然病程發展為DCM。常用實驗方法為高脂飼料喂養結合一次性腹腔注射STZ或多次小劑量腹腔注射STZ。谷玉紅[8]應用一次性腹腔注射STZ 55 mg/kg，4周后光鏡下觀察造模組心肌細胞肥大、間質纖維化，認為DCM造模成功。董世芬[9]等將雄性Wistar大鼠應用高糖脂負荷STZ 30 mg/kg小劑量腹腔注射，11周后，結合糖、脂代謝指標和心臟功能指標，判定DCM模型成功。王春艷[10]等將SD大鼠應用高糖脂喂養10周，分別在第4、8周末負荷STZ 20 mg/kg小劑量腹腔注射，結合糖、脂代謝指標和心臟功能指標，判定DCM模型成功。有學者單純應用高脂高糖喂養的小鼠16周后顯示了室壁心肌纖維縮短率(fiber shortening，FS)、射血分數(ejection fraction，EF)，以及顯著舒張功能受損，判定DCM大鼠模型復制成功[11]。同時，在飲食誘導的肥胖DCM模型中也存在炎癥，高脂飼料小鼠的一些研究顯示，炎性因子的上調，以及抗炎脂聯素和IFNγ[12]，過表達TGF-β軸，p-Smad1/5和骨形態發生蛋白-2 (bone morphogenetic protein-2，BMP-2)下調[13]，心肌細胞凋亡增加[14-15]，出現過度的氧化應激和內質網應激[16]，肥胖模型也顯示出廣泛的心肌脂肪變性[17]。高脂高糖喂養小鼠的實驗顯示FA代謝過量，PPARα上調，小鼠心肌細胞中線粒體解偶聯的存在，原因可能是高脂肪攝入與氧化蛋白質、氮氧化物和解偶聯相關因子的增加以及抗氧化反應有關[18]。

2 自發性 DCM模型

自發性 DCM模型是在自然條件下形成的，往往未經人工處置，這類動物通常是發生基因突變，經過遺傳育種自發地形成模型。常用的自發性 DCM模型有NOD 小鼠、Akita 小鼠、BB 大鼠、ob/ob小鼠、db/db 小鼠、ZDF大鼠等。這類動物模型心肌病理改變與人類相似，在動物實驗中被廣泛應用。

2.1 自發性1型 DCM 模型

2.1.1 NOD 小鼠 NOD 小鼠是ICR近交系小鼠，患有先天性胰腺炎，24～30周齡時胰島素的絕對分泌減少或終止，出現DM，進而發展成為DCM，表現為心臟收縮和舒張功能降低，能夠很好的模擬人類DCM的病理生理變化[19]。

2.1.2 Akita 小鼠 Akita小鼠是基因顯性突變，最終導致小鼠胰島 β 細胞缺乏，發展成1型DCM。典型表現為心肌肥厚和纖維化，心臟舒張功能減低，左室舒張末壓下降[20-21]，炎性因子TNFα和IL-10 上調[22]。

2.1.3 BB 大鼠 BB大鼠發病機制是組織相容性抗原復合物相關的遺傳易感性，引起胰島β細胞自身免疫性破壞。多在出生后60～140日自發發病，雌雄發病幾率相同，均無肥胖。多飲、多食、多尿癥狀明顯，體重減輕，病理檢查可見胰島內大量淋巴細胞浸潤，胰島結構紊亂，BB大鼠也顯示心肌纖維化的膠原沉積增加和減少MMP活性[23]。

2.2 自發性2型DCM模型

2.2.1 ob/ob小鼠 ob/ob小鼠DCM的發生是由于ob基因突變，純合子動物表現為肥胖、明顯的高血糖及高胰島素血癥。作為一種肥胖型的實驗動物，胰島素抵抗和糖耐量受損介導心肌葡萄糖氧化能力減弱和脂肪酸(棕擱酸)濃度的升高，心肌耗氧量上升，心臟功能大幅下降，尤其是嚴重的舒張功能障礙，收縮特性仍有輕微影響,在12周，ob/ob小鼠有較高的心臟重量，明顯的心肌纖維化和細胞凋亡的發生[24]。

2.2.2 db/db 小鼠 db/db小鼠是基因突變導致瘦素缺乏的先天肥胖性2型DCM小鼠，病程與人類較為相似，是目前2型DCM應用較為廣泛的自發性動物模型。在9周，db/db小鼠有較高的心臟重量。在12周時表現出了FS減少，E/A速度減少[25]。MRI顯示13周左心室質量、左室后壁(posterior wall of left ventricle，LVPW)顯著增加。24周齡起，收縮末期彈性減少，心輸出量、EF和dp/dt減少，心肌炎癥增加[26]。

2.2.3 OLETF大鼠 OLETF大鼠是自發性2型DM大鼠，攜帶的ODB1和ODB2基因引發2型DCM。有多食、少動、肥胖等典型糖尿病特征。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，與人類2型DCM極為相似。超聲心動圖顯示，E波減速時間延長，峰值下降速度減慢，左心室舒張末期內徑與左心室后壁厚度增加和左室質量增加，表現為心室舒張明顯減低，而心臟收縮功能保留，同時檢測到纖維化[27]，心臟脂質代謝異常，包括上調基因參與脂肪酸的攝取，脂質酯化和β氧化[28]。

2.2.4 ZDF大鼠 ZDF大鼠是同時具有2型DCM和肥胖的動物模型。在這種模型大鼠中，被正式確認的心肌生理異常有：心肌肥大，心臟脂質代謝異常和心臟纖維化。研究表明，在ZDF大鼠，表現出廣泛的心肌膠原沉積，增加ECM的沉積和纖維化因子在GK心肌表達上調[29]，ZDF大鼠存在心肌細胞凋亡,心臟脂質代謝異常，包括上調基因參與脂肪酸的攝取，脂質酯化和β氧化[30]。同時，ZDF大鼠具有更高的線粒體ROS的產生和脂質過氧化率，抗氧化水平的升高[31]。ZDF大鼠通常表現出顯著室間隔及LVPW厚度增加，左室舒張和收縮直徑降低，心肌細胞體積增大，ANP表達率增加，但收縮功能被保存[32]。 Zhou報告在20周時FS減少，Daniels和Ramírez在16、44周分別發現超聲心動圖和核磁共振成像，沒有發現收縮功能不全的證據[ 33-34]。在9～13個月時心肌呈炎性細胞浸潤或缺乏，在22周齡時促炎性細胞因子達到更高水平[35]。

2.2.5 KKAy小鼠 KKAy小鼠具有多基因遺傳性，同時具有高血糖和肥胖等2型DCM典型表現，其糖尿病的發病機制為遺傳和環境因素共同作用，與人類發病機制類似。8周后出現重度肥胖、高血糖和高胰島素血癥。

2.2.6 GK大鼠 GK大鼠的特點是高血糖，胰島素抵抗和肥胖。GK大鼠心臟舒張內徑、舒張時容積明顯增加，每搏輸出量、EF、 FS降低。超聲心動圖心室舒張明顯降低，如E波減速時間延長，峰值下降速度減慢，左心室舒張末期內徑與左心室后壁厚度增加和左室質量增加，心臟收縮功能保留。GK大鼠通常表現出顯著增加的間隔、LVPW厚度，降低左室舒張和收縮直徑，增大心肌細胞體積，和ANP表達率高，事實上，收縮功能經常被保存[36]。相關研究還發現[37]，GK大鼠存在明顯心肌細胞凋亡、心臟脂質代謝異常、線粒體ROS的產生和脂質過氧化率提高。

3 轉基因 DCM 模型

轉基因動物模型是指通過改變某種基因的表達水平以建立 DCM 動物模型。目前最常用的是轉基因 OVE26 小鼠，22周左室內徑增加，室壁變薄是主要的特點，引起心室重塑，心房鈉尿肽(atrial natriuretic peptide，ANP)和β-主要組織相容性復合物(major histocompability complex-beta，β-MHC)的改變[38]。同時，在OVE26 小鼠的心臟中，巨噬細胞和淋巴細胞浸潤，促炎細胞因子和粘附分子的表達增加，氧化應激和炎癥反應增加，心肌纖維化的膠原沉積增加，MMP活性降低，與總抑制組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase 3,HDAC3)相關[39]，凋亡也隨著發病時間延長而加重[40]。在OVE26小鼠，鈣調素的上調可能發展較慢，與人類DCM相似，關于其模型深入研究仍在進一步探索中。

4 小結與展望

隨著 DCM發病率逐年增加，對其機制研究不斷深入，建立理想的動物模型成為實驗研究的前提。目前，基礎研究中應用的 DCM 動物模型多樣，選擇依據主要是課題的研究方向。誘發性的DCM模型因對其他組織影響小，動物易存活，目前應用較廣泛，但需注意藥物的注射方法和劑量。自發性 DCM 模型的病理生理變化與人類 DCM 相似，個體差異度小，實驗可重復性好，人為因素少，在DCM動物實驗研究中被采用，但其往往因價格昂貴，對飼養條件要求高，限制其應用。轉基因DCM動物模型遺傳背景明確，癥狀單一，接近人類病癥，能很好的模擬人類DCM，但轉基因技術復雜，難度大，費用昂貴，應用受限制。中醫藥在治療DCM的臨床上取得很好的療效，因此對于其機制的深入研究成為中醫工作者的研究方向，制備病證結合DCM動物模型在研究中醫藥機制方面尤顯重要，研究工作者應借助現代醫學手段，根據糖尿病證型特點，制備出病證結合DCM動物模型[41]。因此，DCM動物模型的制備仍需不斷探索，努力開發出更多更好的DCM動物模型用于醫學研究中。