不同方法建立大鼠慢性阻塞性肺疾病模型的比較研究

盧心鵬, 劉 蓉, 黃文博, 趙 瑾, 李洪濤

(廣州醫科大學附屬第一醫院,呼吸疾病國家重點實驗室,廣州呼吸健康研究院,廣州 510120)

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）簡稱慢阻肺，是一種氣流受限不完全可逆、呈進行性發展的疾病，以氣道、肺實質和肺血管的慢性炎癥為主要特征。隨著發達國家人口老齡化進展、發展中國家吸煙人數上升和生物燃料污染嚴重，世界衛生組織預計未來COPD 的發病率將持續升高，到2060 年可能將有超過540 萬人/年死于COPD 及相關疾病［1］。我國COPD 的發病狀況也相當嚴重，40 歲以上人群COPD的死亡率達到13.7%［2］。作為一種高致殘率和高病死率的疾病，COPD的防治始終是臨床和基礎研究的重點之一。建立與臨床患者疾病發生發展及病理變化相符合的動物模型，是研究COPD 發病機制與治療藥物的基礎。目前建立COPD 動物模型的常見方法有兩種，即煙草煙霧暴露（cigarette smoke exposure，CSE）以及CSE 聯合細菌脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）暴露（CSE+LPS）［3-5］，但尚未有關于這兩種方法建立大鼠COPD模型的對比研究報告。本研究對CSE和CSE聯合氣道內滴注LPS兩種方法建立的大鼠COPD模型進行評價和對比分析。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

30只SPF級雄性SD大鼠，6～8周齡，體質量140～160 g，購于浙江維通利華實驗動物技術有限公司［SCXK（浙）2019-0001］。大鼠飼養于廣州醫科大學實驗動物中心屏障環境［SYXK（粵）2020-0227］，溫度22～25 ℃，濕度恒定，12 h 日夜交替照明。本實驗所涉及的動物實驗操作均經過廣州醫科大學附屬第一醫院實驗動物倫理委員會批準（No.202040A）。

1.2 主要儀器和試劑

小動物有創肺功能儀（BUXCO，美國），自制小動物密封熏煙箱（規格為100 cm×60 cm×60 cm），全波長多功能酶標儀（Thermo，美國）。紅玫牌香煙（廣東中煙工業有限責任公司，焦油量12 mg，煙堿量1.1 mg，一氧化碳量15 mg），細菌脂多糖（Sigma，美國），使用時用生理鹽水（即0.9%NaCl 溶液）配制成1 mg/mL溶 液。大 鼠IL-8 和TNF-ɑ 檢 測 用ELISA 試 劑 盒（R&D，美國）。

1.3 大鼠COPD模型制備

將SD 大鼠隨機分為對照組、CSE 組和CSE+LPS組，每組10 只。分別采用CSE 法和CSE 聯合LPS 氣管滴注法制備大鼠COPD模型［6-7］。方法如下：CSE組大鼠置于熏煙箱，點燃10支香煙進行煙霧暴露1 h，每天上午和下午各1次，中間間隔6 h；每周熏煙6 d，共24周。CSE+LPS 組大鼠熏煙方式與CSE 組相同，并于第9、10、12周的第一天，將大鼠用2%異氟烷麻醉，固定于自制固定板上，在喉鏡下經大鼠氣道滴注LPS，每只大鼠每次給藥0.2 mg/kg；給予LPS 當天不熏煙［7-8］。對照組大鼠在正常環境下飼養。

1.4 大鼠肺功能指標測定

造模結束后，大鼠按體質量給予3%戊巴比妥鈉麻醉，仰臥位固定行氣管插管，連接小動物有創肺功能儀，測定大鼠有創肺功能指標，包括：氣道阻力（airway resistance，RI）、潮氣量（tidal volume，TV）、靜態肺順應性（chord compliance，Cchord）、功能殘氣量（functional residual capacity，FRC）、每分鐘通氣量（minute volume，MV）、第50 ms 用力呼氣容積（forced expiratory volume in 50 ms，FEV50）和用力呼氣容積比（forced vital capacity，FVC）等參數，計算FEV50/FVC。

1.5 肺組織病理學觀察

肺功能測定完成后，打開大鼠胸腔，暴露心臟取血，然后取左肺葉組織，用質量分數為4%的多聚甲醛溶液固定24 h 后，常規依次脫水、石蠟包埋、切成4 μm 的薄片，并用蘇木精-伊紅（HE）染色，光學顯微鏡（100倍視野）下觀察肺組織病理學變化。

1.6 大鼠血清IL-8和TNF-ɑ測定

各組大鼠心臟取血，室溫靜置1 h，3 000 r/min 離心10 min，分離血清。采用ELSIA法以酶標儀檢測IL-8、TNF-ɑ水平。具體步驟按照試劑盒說明書操作。

1.7 統計學方法

采用SPSS 16.0 統計學軟件進行實驗結果數據分析。計量材料采用±s表示。多組間樣本比較先進行單因素方差分析，有統計學意義時，組內兩組間兩樣本再采用LSD-t檢驗進行比較，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 各組大鼠一般情況

對照組大鼠精神良好，飲食正常，毛發有光澤，呼吸平穩，無氣促。CSE 組和CSE+LPS 組大鼠在造模期間均出現精神萎靡、咳嗽、氣促、毛發枯黃等癥狀，而且進食飲水量減少。造模結束后，CSE組和CSE+LPS組大鼠平均體質量分別為（524±21）g和（513±14）g，與對照組［（666±19）g］相比有明顯差異（P＜0.05），而CSE組和CSE+LPS組之間無明顯差異，見圖1。

圖1 造模后各組大鼠的體質量生長曲線圖Figure 1 Body weight growth curve of rats in each group after modeling

2.2 各組大鼠肺功能參數比較

大鼠肺功能測定結果顯示，CSE 組和CSE+LPS 組大鼠的RI、Cchord、FRC 值均明顯高于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05），TV、MV、FEV50/FVC均明顯低于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05）；和CSE 組 比 較，CSE+ LPS 組 的RI、FRC 值 顯 著 升 高，FEV50/ FVC 顯著下降，差異均有統計學意義（P＜0.05），見表1。

表1 造模后各組大鼠的肺功能指標Table 1 Lung functions of rats in each group after modeling（±s,n=10）

表1 造模后各組大鼠的肺功能指標Table 1 Lung functions of rats in each group after modeling（±s,n=10）

注：Control 指正常環境下飼養的對照組，CSE 指煙草煙霧暴露組，CSE+LPS 指煙草煙霧暴露聯合細菌脂多糖氣道內滴注組。RI 即氣道阻力，TV即潮氣量，Cchord即靜態肺順應性，FRC即功能殘氣量，MV即每分鐘通氣量，FEV50/FVC即第50 ms用力呼氣容積和用肺活量之比。★表示與Control組比較，P ＜0.05；#表示與CSE組比較，P ＜0.05。Note：Control，rats in the control group raised in a normal environment；CSE，rats in the cigarette smoke exposure group；CSE+LPS，rats in the intratracheal LPS instillation combined with CSE group. There were 10 rats in each group. RI，airway resistance；TV，tidal volume；Cchord，chord compliance；FRC，functional residual capacity；MV，minute volume；FEV50/FVC，forced expiratory volume in 50 ms VS forced vital capacity. ★Represent significant differences compared to the control group，P ＜0.05；#Represent significant differences compard to the CSE group，P ＜0.05.

Group Control CSE CSE+LPS RI/(cmH2O·s-1·mL-1)0.250±0.026 0.315±0.018★0.348±0.025★#TV/mL 3.90±0.19 3.64±0.10★3.57±0.14★Cchord/(mL·cmH2O-1)1.210±0.042 1.310±0.071★1.395±0.120★FRC/mL 5.29±0.51 5.88±0.59★6.58±0.44★#MV/mL 233.98±11.40 218.72±5.18 214.12±8.60★FEV50/(FVC/%)0.155±0.041 0.118±0.030★0.099±0.035★#

2.3 各組大鼠肺組織病理學形態

HE 染色后光學顯微鏡下觀察大鼠肺組織切片肺泡及小氣道周圍炎癥情況，結果發現：對照組大鼠肺組織肺泡結構完整連續，未見明顯炎性細胞浸潤，肺泡間隔整齊無斷裂；CSE 組大鼠小氣道支氣管壁增厚，氣道周圍炎性細胞浸潤，肺泡間隔增寬且炎性細胞浸潤，鄰近肺組織、肺泡腔呈代償性擴張；CSE+LPS 組大鼠肺組織與CSE 組大鼠類似，除了支氣管壁增厚、肺組織間隙存在炎性細胞浸潤、肺泡間隔擴大外，還可見部分肺泡間隔變薄、斷裂，形成肺大泡（圖2）。

圖2 各組大鼠肺組織病理形態變化（HE染色，×100）Figure 2 Pathological changes of lung tissues of rats in each group（HE staining，×100）

2.4 各組大鼠血清IL-8和TNF-ɑ含量

與對照組比較，CSE 組和CSE+LPS 組大鼠血清中IL-8 含量均明顯升高（P＜0.05），CSE 組和CSE+LPS組之間差異無統計學意義（P＞0.05）。與對照組比較，CSE組和CSE+LPS組的TNF-ɑ含量也均明顯升高（P＜0.05），而且CSE+LPS 組TNF-ɑ 含量明顯高于CSE 組（P＜0.05）。各組數據詳見表2。

表2 各組大鼠血清中IL-8和TNF-ɑ含量Table 2 Serum contents of IL-8 and TNF-ɑ in different groups of rats（±s,n=10）

表2 各組大鼠血清中IL-8和TNF-ɑ含量Table 2 Serum contents of IL-8 and TNF-ɑ in different groups of rats（±s,n=10）

注：Control 指正常環境下飼養的對照組，CSE 指煙草煙霧暴露組，CSE+LPS 指煙草煙霧暴露聯合細菌脂多糖氣道內滴注組。與Control組比較，★P ＜0.05；與CSE組比，#P ＜0.05。Note：Control，rats in the control group raised in a normal environment；CSE，rats in the cigarette smoke exposure group；CSE+LPS，rats in the intratracheal LPS instillation combined with CSE group. There were 10 rats in each group. ★Represent significant differences compared to the control group，P ＜0.05；#Represent significant differences compared to the CSE group，P ＜0.05.

Group Control CSE CSE+LPS IL-8 ρ/(pg·mL-1)77.48±11.65 162.87±17.95★160.72±33.04★TNF-ɑ ρ/(pg·mL-1)57.43±9.30 109.35±13.78★141.10±18.82★#

3 討論

COPD是一種常見的呼吸系統疾病，其特征是持續氣流受限同時伴有支氣管慢性炎癥增加。目前COPD發生發展的確切原因并不明確。吸煙是COPD 高度相關的危險因素，煙草中含有多種有害化學成分和細小顆粒，能引起肺部炎性反應、氣道阻塞和肺泡結構改變［2］。建立符合臨床實際的COPD 動物模型，是研究COPD發病機制的重要基礎，也是深入研究COPD的重要部分。理想的COPD 動物模型應具有與人類疾病相一致的臨床特征，滿足以氣流受限為特征的肺功能改變、氣道損傷和肺內炎癥細胞增多等條件［9］。大鼠、小鼠、豚鼠、豬、馬、兔、比格犬等動物均可用于建立COPD 模型。其中，大鼠因基因組序列與人類基因組類似，容易進行基因調控，而且繁殖周期短、飼養成本低等特點，成為最常用的COPD 模型動物。與小鼠模型相比，大鼠的取材也更加方便。

目前常見的COPD 動物造模方法有多種，如CSE［6，10］、可吸入顆粒物質暴露［11-12］、氣管注射LPS［13］等。本研究選擇了CSE 和CSE 聯合氣管滴注LPS所誘導的COPD大鼠模型，并對這兩種方法建立的模型進行比較評價。

肺功能檢測和肺組織病理檢查是目前公認的評價COPD 動物模型建立是否成功的標準。本研究結果顯示，單純CSE 方法和CSE 聯合氣管滴注LPS 方法建立的COPD 模型大鼠的肺功能均比對照組明顯下降，肺部炎性細胞明顯增多，出現肺泡結構紊亂和氣道黏液高分泌等慢阻肺癥狀，這與用CSE 聯合LPS 氣管滴注法建立小鼠COPD 模型和用單純CSE 法建立老年（22周齡）大鼠COPD 模型顯示的肺功能和肺組織病理學變化［7-8，14］是一致的，表明本研究中兩種方法建立的COPD大鼠模型均成功。

LPS 是革蘭陰性細菌細胞壁的主要促炎性糖脂，進入肺臟后能刺激單核細胞、內皮細胞及中性粒細胞，合成釋放一系列炎癥介質，導致肺部急性感染，從而形成肺氣腫［15］。在本研究中，CSE 聯合氣管滴注LPS的方法旨在模擬感染引起COPD 急性發作從而導致肺功能急劇下降及氣道黏液高分泌的特點。

氣道炎性反應在COPD 的發生及發展過程中具有重要作用。IL-8 和TNF-ɑ 是重要的促炎因子，在機體免疫應答中也發揮作用。促炎因子IL-8在煙草煙霧誘導的肺部炎癥調節方面發揮著關鍵作用［16］。TNF-ɑ可以促進中性粒細胞向肺組織趨化、黏附和滲出，釋放彈性蛋白酶，增強氧化反應，從而損傷上皮細胞，導致肺氣腫［17］。TNF-ɑ 水平能夠反映肺組織的損傷程度，其表達水平的升高與COPD 患者的氣道炎癥增加和肺功能下降有關，會增加COPD 的病死率，因此可將其作為評價肺損傷的可靠指標［18］。

本實驗結果顯示，以CSE 和CSE 聯合氣管滴注LPS 的方法建立COPD 模型后，大鼠血清中IL-8 和TNF-ɑ 表達水平均顯著升高，肺功能明顯下降，RI、Cchord、FRC均顯著升高，TV、MV、FEV50/FVC則均顯著降低（P＜0.05）。肺組織病理切片的HE染色結果進一步證實支氣管存在炎性細胞浸潤，肺泡壁變薄，肺泡腔有不同程度的擴張和斷裂；這些結果均證明這兩種方法建立的COPD 大鼠模型均成功。而且與單純煙霧暴露組相比，CSE 聯合氣管滴注LPS 組大鼠血清中的IL-8和TNF-ɑ表達水平升高更為顯著，肺功能下降更加明顯，氣道壁增厚更加顯著，氣道炎癥更明顯，肺泡腔擴張、斷裂更為明顯。這表明CSE 聯合氣管滴注LPS 的方法更能促進炎癥細胞浸潤，導致肺組織氣管壁增厚，氣流受限，通氣能力下降。

綜上所述，本實驗采用兩種方法都能夠成功建立COPD大鼠模型，而且CSE聯合氣管滴注LPS方法建立COPD模型后大鼠肺功能損害、肺組織炎癥與人類慢阻肺的臨床病理特點更加接近，提示該方法建立的COPD模型可以更好地模擬慢阻肺的病理變化。

[醫學倫理聲明Medical Ethics Statement]

本研究涉及的所有動物實驗均已通過廣州醫科大學附屬第一醫院實驗動物倫理委員會審查批準（No.202040A）。所有實驗過程均遵照實驗動物相關法律法規條例要求進行。

All experimental animal protocols in this study were reviewed and approved by Experimental Animal Ethics Committee of the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University (Approval Letter No. 202040A), and all experimental protocols were carried out following the guidelines such asAnimal Management Regulations(01/03/2017),Laboratory Animal: Guideline for Ethical Review of Animal Welfare(GB/T 35892—2018), ARRIVE 2.0, IGP 2012 and IAVE 2010.

[作者貢獻Author Contribution]

盧心鵬負責實驗操作、分析數據、文章寫作；劉蓉負責動物實驗操作、給藥等；黃文博負責分子生物學實驗，數據分析；趙瑾負責動物病理分析；李洪濤負責實驗設計指導，文章修改及把關。

[利益聲明Declaration of Interest]

所有作者均聲明本文不存在利益沖突。