肥胖動物模型的研究及應用

駱文錦，陳香均，馬林強，吳金姍，汪志紅*

(重慶醫科大學附屬第一醫院，1.內分泌科, 2.糖脂代謝實驗室，重慶 400016)

肥胖癥是由于機體攝入熱量過多或消耗過少造成脂肪過多、分布異常的一種慢性代謝性疾病。隨著人們生活水平的提高和生活方式的改變，肥胖癥(BMI≥28 kg/m2)的患病率正在逐年上升。一項全球范圍的調查顯示從1980年到2008年，男性肥胖患病率從4.8%上升至9.8%，女性則從7.9%上升至13.85%，預計2030年美國肥胖患者將超過50%[1]。研究表明，肥胖是2型糖尿病、冠心病、高血壓、腦卒中以及某些腫瘤的危險因素[2]，因此肥胖癥的防治尤為重要，而建立良好的肥胖動物模型是開展相關研究的前提。

肥胖的動物模型十分廣泛，包括哺乳動物和非哺乳動物。非哺乳動物，如斑馬魚、線蟲、果蠅等，應用于肥胖模型的研究有三大優勢：一是壽命短，這有利于究肥胖在遺傳過程中的作用機制；二是研究人員可以利用全基因組數據庫使用多種基因編輯工具去進行干預；三是研究成本也相對較低[3-5]。但由于解剖和生理與人類存在較大差異[6]，這一類模型的研究價值存在一定的局限性。而哺乳動物在解剖、生理方面與人類更接近，其中運用最廣泛的是嚙齒動物，下面本文將主要介紹嚙齒動物肥胖模型。

1 飲食誘導的肥胖模型

由于長期攝入過多的熱量是肥胖發生的重要原因，飲食誘導的肥胖模型被廣泛應用[7]。高脂飲食模型通常使用用含60%脂肪的飼料喂養動物，早期即可出現糖耐量和胰島素分泌出現下降；2～4周體重明顯增加，16～20周體重達峰，一般表現為肥胖、高血壓、高血糖、高胰島素血癥等。高脂飲食模型與單基因模型相比，這種模型發育的時間更接近于大多數人群體重增加的過程[8]。而這種模型也受很多因素的影響，如品系、性別、周齡、飲食等。

1.1 品系

近親繁殖的品系小鼠有遺傳差異，這會影響他們對高脂飲食的敏感性。近交系C57BL/6J小鼠被廣泛用作飲食誘導肥胖模型，因為它很容易發展成嚴重的肥胖、糖耐量下降和中度胰島素抵抗。而其他近交系包括SWR/J和A/J小鼠則對高脂飲食敏感性較差[9]。C57BL/6J小鼠很少發生胰島β細胞缺陷和高血糖，如果要研究藥物對糖尿病終點的改善情況，C57BL/6J小鼠則不是理想的選擇[10]。

1.2 性別

在大鼠和小鼠中，雄性比雌性對高脂喂養更敏感，胰島素抵抗和糖耐量下降更明顯。研究表明，使用普通飼料喂養，雄性ZDF大鼠發生了嚴重高血糖和低胰島素血癥，雌性ZDF大鼠則維持正常水平，而它們肥胖的程度沒有明顯差異。本課題組既往使用高脂喂養的SD大鼠均為雄性。

1.3 周齡

在C57BL/6J小鼠中，體重在9個月時達到峰值，且與周齡較大的小鼠(22個月)相比，年輕小鼠(19個月)脂肪含量更高，瘦肉則較少。本課題組高脂喂養的SD大鼠體重在第8周左右體重增長速度開始變慢，15周體重接近峰值；而正常喂養的大鼠在第8周左右體重即達到峰值，不再增長[11]。

1.4 飲食模式

研究表明，飲食對老鼠的代謝有顯著影響，脂肪含量越高，老鼠發生肥胖的程度越大[12]。此外，老鼠的飲食模式對于肥胖的發生也有影響。下面介紹兩種飲食模式。

(一)Cafeteria diets

顧名思義，Cafeteria diets就是為動物提供有甜味、咸味、高脂或高糖的固體食物，Rothwell等[13]首次使用這種方式，老鼠每天從40多種食物中選擇4種人類食物。但這種食物存在標準化欠缺以及變異度大的問題，難以從多種多樣的食物中計算能量和營養素的攝入。

Cafeteria diets不僅成本高，其所用食物存在較大的異質性，如果用組學的方法篩選這種飲食模式喂養的模型的基因進而尋找潛在的治療靶點，那么得出的結果可能不可靠。故Cafeteria diets的運用有一定局限性。

(二)Fat or sugar choice diets

2014年la Fleur等[14]首次與報道Fat or sugar choice diets的飲食模式，允許大鼠自己在飽和脂肪、一瓶30%的糖水和標準飼料中自己選擇進食。與普通飼料喂養的動物相比，這些動物容易獲取高能量飲食，易于變胖。這種肥胖模式的吸引力在于，它能在滿足食欲的同時，能誘導動物攝入過多的能量。這種模式可以評估飲食偏好和量化飲食選擇，有利于觀察干預措施的效果。

盡管飲食誘導的肥胖在一定程度上可以代表人類發病機制，包括緩慢的體重增加和胰島素抵抗，但該模型也存在一定的缺點。目前仍然沒有單一、標準化的飲食結構，這導致研究的數據可能不完全一致。由于飲食中宏量營養成分和微量營養成分的不同以及能量密度、濃度、風味、物理配方和口感的不同，體內能量攝入、身體成分和體重變化均存在差異。此外，動物通常在整個白天-黑夜的循環中隨意進食，而且飲食較單一，這并不能代表所有人的飲食習慣和模式。

2 單基因遺傳模型

在單基因模型中，無論是否患有糖尿病，肥胖都是由于點突變引起的單個位點的改變或丟失[15]。

黃色Ay突變小鼠是最早培育的肥胖小鼠，其肥胖性狀通過常染色體顯性遺傳，定位于2號染色體。1905年Cuenot[16]首次觀察到實驗室里黃色小鼠比普通白色小鼠更胖。KK小鼠是一種多基因遺傳背景的糖尿病模型，1969年Nishimura等[17-18]首次將Ay基因導入KK小鼠成為KK-Ay小鼠。KK-Ay小鼠在2月齡時體重可以達到45 g左右，4～5月齡體重穩定在50～60 g，脂肪組織約占全身體重的33%。KK-Ay小鼠還會表現出高血糖、高胰島素血癥以及糖耐量下降，但血糖在1歲齡之后會下降[19-20]。

1960年，Jackson實驗室的Coleman等[21]發現了兩種突變小鼠ob/ob和db/db。ob鼠是一種廣泛應用的肥胖模型，因瘦素基因缺乏從而不能分泌瘦素，引起肥胖。ob/ob小鼠過度進食且能量消耗減少，通常在1個月的時候就會出現肥胖伴高胰島素血癥、高血糖、糖耐量下降，但不會出現高血壓、高血脂。

ZDF大鼠是一種經過篩選的高血糖肥胖Zuker大鼠，1961年TF Zuker和LM Zuker發現脂肪基因fa的常染色體隱形突變，雜交形成肥胖純合子fa/fa[22]。由于缺乏瘦素受體基因，ZDF會過度進食，在第5周即表現出明顯的肥胖，第14周身體脂肪含量會超過40%，它們還會出現高脂血癥、高膽固醇血癥、高胰島素血癥和脂肪細胞萎縮[23]。需要注意的是，由于嚴重的糖尿病的發生ZDF大鼠容易出現酮癥酸中毒而影響存活，后期應密切關注且必要時給予胰島素治療[24]。

Koletsky大鼠與以上模型不同，它是一種是由自發性高血壓大鼠和SD大鼠雜交而來的肥胖高血壓大鼠。它們的瘦素受體基因缺陷，常常表現為動脈粥樣硬化和心肌損傷[25]。

另一種肥胖模型OLETF (Otsuka Long-Evans Tokushima Fatty, OLETF)大鼠，由于β細胞功能衰竭它們會發生糖尿病，表現出特征性的多飲、多食、多尿的癥狀。通常這種大鼠過度進食也會引起肥胖[26]。

在過去的20年，使用基因編輯工具建立單基因動物模型研究特定的靶基因的生理作用，對能量代謝的相關機制有了深入理解。大多數單基因模型都是近交品系，遺傳背景的同源性較好，環境因素控制的情況下容易進行基因編輯。然而這些模型往往是針對某一個特殊位點的基因突變，并且這些模型往往會出現瘦素缺乏的情況[27]，這與人類肥胖的病理生理過程大相徑庭。

3 多基因遺傳模型

人類肥胖具有遺傳性，人類的基因座絕對數量與肥胖有關，這表明人類的大部分肥胖是一種多基因遺傳疾病且個體之間異質性很大[28-29]。故多基因肥胖動物模型對于深入了解人類疾病有重要意義。

C57BL/6J小鼠是實驗室常用的多基因模型小鼠，由于過度進食會出現肥胖。部分研究者發現，高脂喂養后只有約60%的C57BL/6J小鼠出現肥胖，這可能是因為后天環境因素的影響。通常C57BL/6J小鼠在6周齡時即可觀察到對高脂喂養的敏感性，在這個時間C57BL/6J高脂喂養敏感的小鼠與高脂喂養不敏感的小鼠相比血漿胰島素濃度水平出現顯著升高[30-31]。

DIO-Prone SD大鼠是一種常用的多基因遺傳的肥胖大鼠模型。研究表明，SD大鼠高脂喂養后只有50%會出現肥胖，肥胖的這一部分稱為DIO-Prone SD大鼠，沒有肥胖的稱為DIO-Resistant大鼠[32]。1989年Levin等[33]高脂喂養100只SD大鼠，然后挑選出肥胖的大鼠進行交配，反復進行最后篩選出了DIO-Prone大鼠。肥胖是多基因遺傳疾病，攜帶的致病基因越多個體越容易出現體重增加。普通喂養時DIO-Prone 大鼠體重正常，使用高脂喂養后即可迅速出現肥胖以及高胰島素血，血漿瘦素水平上升。本課題組使用SD大鼠高脂喂養8周，約40%成為DIO-Prone 大鼠[34]。

NZO(New Zealand obese, NZO)小鼠是一種會發生肥胖和2型糖尿病的多基因模型，這種小鼠飲食攝入增加，自主活動減少，并且胰島、肝功能下降，在4～5周齡NZO小鼠即表現出胰島素抵抗，值得注意的是，這種小鼠對于飲食結構尤其敏感，飼料中不加入碳水化合物時NZO小鼠雖然出現胰島素抵抗和肥胖但血糖正常；加入碳水化合物之后，胰島功能受到顯著影響，NZO小鼠2型糖尿病的發生與肝的脂肪含量有關，當NZO小鼠10周齡肝脂肪含量<10%時它就不會出現高血糖癥和β-細胞丟失，并且肝的甘油三酯和膽固醇會減少[35-36]。

UCD(The University of California Davis, UCD)大鼠模型時將SD大鼠與一種ZDF瘦鼠雜交而產生的模型，這種ZDF瘦鼠瘦素基因時野生型但發生了胰島功能缺陷，有明顯糖尿病，且成年后發生肥胖。UCD大鼠3～4個月內即出現空腹血糖升高并且在低脂、低糖喂養的情況下都會發生糖尿病，雄性和雌性均受影響，但雄性發病比雌性更早。UCD大鼠會出現許多2型糖尿病并發癥如白蛋白尿、骨質疏松以及神經損傷。由于它的瘦素受體未發生突變，UCD大鼠是可以生育的。UCD大鼠常用于2型糖尿病并發癥相關研究[37]。

4 轉基因肥胖模型

研究證實人類肥胖與FTO基因密切相關，Chris等[38]在2010年首次在小鼠體內過表達FTO，不論是普通飲食還是高脂飲食都會導致肥胖，同時該模型出現糖耐量下降。FTO基因在調節進食與能量消耗方面有重要作用，敲除FTO基因后小鼠的體重減輕，但脂肪含量與對照組相仿且進食量增加[39]。Marc等[40]發現在下丘腦POMC神經元中Mfn2是一種能量代謝的調控因子，它在內質網應激和線粒體-內質網相互作用中有重要作用。敲除Mfn2基因后小鼠體重明顯增加。此外，機體可以通過消耗棕色脂肪產熱從而減輕體重，熱基因的表達需要各種協同激活因子的參與，如PGC-1α。干擾素調節因子(IRF4)作為一種重要的產熱轉錄因子，可以誘導PGC-1α的表達進而減輕體重。研究表明敲除IRF4，小鼠的體重顯著增加，故IRF4敲除鼠可作為轉基因肥胖模型[41]。

轉基因肥胖模型的優點是可以在動物體內觀察基因過表達或敲除的對機體的生物學效應，但建模非常復雜，購買和飼養的成本非常高。目前來看，轉基因模型適用于機制相關研究，而不適用于組學篩選。

5 手術或藥物誘導肥胖模型

5.1 手術誘導模型

1942年Hetherington等[42]首次報道通過破壞下丘腦腹內側核來建立肥胖大鼠模型，具體方法為：大鼠固定于腦立體定位儀，根據腦定位圖譜的坐標將絕緣電極定位于下丘腦腹內側核，通過一定強度和時間的電流進行損傷。這種肥胖模型的特征是體重顯著增加、高胰島素血癥、高脂血癥、糖耐量受損以及中重度空腹血糖升高，盡管胰島素分泌能力正常。近年來有研究者發現損傷室旁核也能增加大鼠的體重，其血漿胰島素水平也顯著升高，但體重下降后胰島素水平恢復正常[43-44]。然而，室旁核損傷導致中樞性肥胖的作用機制尚不清楚。

通過手術干預下丘腦可以模擬中樞異常所致肥胖，其優點是穩定性好，與人體中樞異常所引起的肥胖相符合。應用藥物或飲食誘導的肥胖對身體的其他器官存在細胞毒性作用，但手術誘導肥胖模型則能夠避免這一問題。然而這種方法需要昂貴的儀器，在大鼠下丘腦區域操作難度大，精度要求很高，對動物需要進行術后護理。此外，由于中樞損傷分泌功能紊亂，動物常出現消化不良。進行手術的肥胖模型相對死亡率較高。

5.2 藥物誘導模型

研究表明，腹腔注射谷氨酸鈉或金硫葡萄糖能引起下丘腦損傷從而導致肥胖。高劑量谷氨酸鈉可以損傷下丘腦弓狀核及其鄰近區域，導致攝食及能量代謝紊亂，引起肥胖[45]。谷氨酸鈉誘導的肥胖模型會出現高血糖、高脂血癥和胰島素抵抗，但這種方法會抑制肝脂質沉積，所以除了肥胖外它還可以用作非酒精性脂肪肝的動物模型。由于弓狀核被破壞，促生長激素釋放激素分泌減少，動物往往生長緩慢且體型相對較小[46]。金硫葡萄糖則是損傷下丘腦腹內側核，增加食欲引起肥胖。其作用機制尚不明確且金硫葡萄糖價格高昂、造模時間長且腹腔注射動物死亡率高限制了它的應用[47]。

6 展望

目前應用最廣的肥胖動物模型是飲食誘導的肥胖模型，但仍存在一些不足，仍需繼續開發周期短、有確定衡量標準的肥胖模型。人類肥胖與個體遺傳、飲食、生活行為習慣以及環境因素等密切相關，研究者可以適當采取改變模型的飲食模式，改變運動量等措施，使動物模型更接近人類的疾病狀態。在研究哺乳動物的同時，還應看到果蠅、斑馬魚等非哺乳動物壽命短、易于使用基因編輯工具干預的特點，在人群研究的基礎上篩選鑒定肥胖相關基因時可以充分加以利用，高效便捷地分析，實現多模型互補研究。