多種大小鼠模型在抗糖尿病藥物開發(fā)中的應用與比較

糖尿病是一種慢性疾病，其特點是相對或絕對胰島素缺乏，導致高血糖。慢性高血糖可導致多種并發(fā)癥，如神經病變、腎病和視網(wǎng)膜病變，并增加心血管疾病的風險。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）數(shù)據(jù)，2030年之前糖尿病將成為全球第七大死亡原因。

最常見的糖尿病是I型糖尿�。═1D）和II型糖尿�。═2D），它們都是多因素疾病，由于非常復雜的遺傳因素與環(huán)境因素相互作用，從而導致疾病發(fā)展。I型糖尿病約占所有糖尿病病例的10%，II型糖尿病約占所有病例的90%，肥胖、不良飲食和缺乏鍛煉等生活方式在II型糖尿病的發(fā)病風險中發(fā)揮重要作用。

由于糖尿病在世界范圍內發(fā)病率較高，因此，仍需要進行廣泛的研究，以開發(fā)新的抗糖尿病藥物并確定其作用機制。因此，近年來，許多糖尿病動物模型得到了發(fā)展和完善，其中對大小鼠模型的描述最為全面。

I型糖尿病動物模型（T1D）
I型糖尿病的主要特征是由于胰腺β細胞的自身免疫破壞，導致胰島素分泌不足。I型糖尿病的動物模型包括自發(fā)產生自身免疫性糖尿病的動物，以及胰腺細胞的化學消融術。建立T1D動物模型的方法有很多，如使用抗胰島素血清、胰腺切除術、葡萄糖輸注、β細胞毒性藥物、病毒等；反映人T1D的動物模型在基礎研究和臨床前研究中都具有重要意義，這不僅有助于了解T1D的發(fā)病機制，也有助于評估具有治療潛力的新療法（單藥或聯(lián)合治療）。I型糖尿病主要有五種自發(fā)性常用模型，目前使用最廣泛的是NOD小鼠和BB大鼠。 
 

圖1. T1D小鼠模型

1. NOD小鼠
NOD小鼠在1974年被日本大阪鹽野木實驗室研究開發(fā)而來^[4]，是了解自身免疫性疾�。ㄈ鏣1D）病理生理機制的首選動物模型。NOD小鼠在第3周或第4周出現(xiàn)胰島炎，胰島被先天免疫細胞浸潤，主要是CD4⁺和CD8⁺淋巴細胞以及NK和B細胞、樹突狀細胞、巨噬細胞和中性粒細胞^[5,6]。NOD小鼠的這一過程與人類相同，在人胰島浸潤中也發(fā)現(xiàn)了類似的免疫細胞^[7]。從大約4-6周齡開始，先天免疫細胞在胰島中的浸潤進一步吸引了適應性免疫系統(tǒng)的CD4⁺和CD8⁺ T細胞亞群^[8]。上述固有免疫細胞和適應性免疫細胞浸潤胰島的活動，開始通過免疫應答或凋亡的方式破壞胰島細胞，這是糖尿病發(fā)生的必要條件。此外，胰島炎導致β細胞的破壞，大約90%的胰腺胰島素在顯性糖尿病發(fā)病10-14周內丟失。顯然，糖尿病NOD小鼠體重迅速減輕，需要胰島素治療才能使糖尿病動物存活更長時間，最長可達30周齡。

由于該模型會發(fā)展出類似于人類的自發(fā)性疾病，所以其在疾病表征方面非常接近人類。該模型在了解疾病的病理生理過程中發(fā)揮了非常重要的作用，包括識別新的與人類相似的自身抗原和生物標志物，并幫助研究人員設計和篩選治療靶點^[9]。

在NOD小鼠和人類中發(fā)現(xiàn)50多個基因位點，這些是與免疫功能和調節(jié)以及胰腺β細胞功能相關的基因，它們在介導T1D的易感性中起重要作用^[10]。然而，NOD小鼠和人類的大部分易感性都是由MHC II類單一基因座引起^[11]。許多研究結果表明，NOD小鼠體內的MHC II類蛋白在結構上與人類相似，這可能是導致NOD小鼠和人類均對該疾病具有抵抗力或易感性的原因^[12]。因此，NOD小鼠被認為是用于檢測與自身免疫反應調節(jié)相關治療的理想臨床動物模型。

2. BioBreeding DiabetesProne [BB]大鼠
BB大鼠為非親緣性Wistar大鼠，代表自發(fā)性自身免疫性糖尿病模型。1974年在加拿大殖民地首次發(fā)現(xiàn)具有這種特征的老鼠。將該品系進一步發(fā)展為兩個亞品系：自交系（BBDP/W）和遠交系（BBDP）^[2]。BB大鼠一般在發(fā)育期后（即約90%）就會發(fā)生糖尿病，雌雄之間沒有任何性別差異。BB大鼠的糖尿病表型非常極端，其特征是高血糖、低胰島素血癥、體重減輕和酮尿^[3]。BB大鼠需要立即進行胰島素治療以維持生存。患胰島炎的BB大鼠有主要的免疫細胞，如T細胞、B細胞、巨噬細胞和NK細胞，但CD4⁺ T細胞嚴重減少，CD8⁺ T細胞幾乎缺失。此外，在大鼠中也證實了 ART2⁺ T 細胞的缺乏，其中ART2代表成熟的T細胞同種異體抗原，這是識別具有免疫調節(jié)特性的細胞所必需的。BB大鼠是誘導胰島移植耐受的首選小動物模型^[2]，已用于糖尿病神經病變的干預和遺傳學研究。兩性BB大鼠均可發(fā)生胰腺炎，隨后選擇性破壞β細胞，在50 - 90天齡時引發(fā)糖尿病。自發(fā)性糖尿病BB大鼠的胰島炎的自然病程與NOD小鼠不同。

II型糖尿病動物模型（T2D）
II型糖尿病在肥胖和非肥胖動物模型中均有不同程度的胰島素抵抗和β細胞衰竭。因此，II型糖尿病的動物模型主要包括胰島素抵抗模型和/或β細胞衰竭模型。許多2型糖尿病的動物模型都是肥胖模型，說明肥胖與人類2型糖尿病的發(fā)展密切相關。建立T2D動物模型涉及多種方法，如單基因肥胖、多基因肥胖、高脂飲食、非肥胖模型和遺傳誘導模型。T2D動物模型的建立對基礎和臨床前研究都具有非常重要的意義^[13]。自發(fā)性II型糖尿病的常用模型有Lep^ob/ob小鼠、Zucker脂肪大鼠和Zucker糖尿病脂肪大鼠等。
 

圖2. T2D小鼠模型

1.Lep^ob/ob 小鼠
C57BL/6小鼠的6號染色體自發(fā)突變產生重度肥胖Lep^ob/ob小鼠模型，該突變于1949年在杰克遜實驗室的一個遠交群中首次被發(fā)現(xiàn)。然而，直到1994年才發(fā)現(xiàn)突變蛋白是瘦素^[14]。Lep^ob/ob小鼠2周齡時體重開始增加，伴高胰島素血癥，體重可達野生型正常小鼠體重的3倍。4周后出現(xiàn)明顯的高血糖，血糖濃度逐漸升高，在3-5個月達到峰值，之后隨著小鼠年齡的增長血糖濃度開始下降^[15]。在第10天可檢測到產熱受損，明顯的嗜食和能量消耗降低，表現(xiàn)為胴體脂質增加，明顯的肥胖。其他異常癥狀包括高脂血癥、體溫不調節(jié)、體力活動降低和不孕^[16]。此外，在Lep^ob/ob小鼠中，胰島細胞急劇減少，胰島素釋放異常^[17]。在肥胖小鼠體內注射瘦素可以減少體重增加，減少食物攝入，增加能量消耗，提高胰島素敏感性^[18]。Lep^ob/ob小鼠嚴重肥胖并伴有高胰島素血癥和終生胰島素抵抗，這些癥狀使該模型對于改善外周胰島素敏感性和降低體重的藥物研究有重要作用（如胰島素增敏劑、抗肥胖和其他抗高血糖藥物）^[19]。

2. Zucker脂肪大鼠和Zucker糖尿病脂肪大鼠
Zucker脂肪大鼠是Merck M-strain與Sherman大鼠于1961年雜交而成^[20]。ZDF大鼠在4周后變得肥胖并發(fā)展為糖尿病。它們的特征是瘦素受體突變，可誘發(fā)嗜食癥。肥胖大鼠存在高胰島素血癥、高脂血癥、高血壓等代謝異常，并伴有糖耐量受損^[21]。在高能量嚙齒動物飲食下瘦素激素受體發(fā)生純合突變 (fa/fa)，雄性大鼠出現(xiàn) T2D。此外，在3-8周齡之間會出現(xiàn)嚴重的胰島素抵抗和葡萄糖不耐受。ZDF大鼠在8和10周齡出現(xiàn)高度糖尿病，并且在10到11周齡時進食狀態(tài)下的葡萄糖水平進一步增加到500mg/dL。有證據(jù)證實胰島DNA含量升高與血清胰島素相關，提示胰島增生在ZDF大鼠高胰島素血癥的發(fā)生發(fā)展中起重要作用^[22]。

肥胖大鼠的甘油三酯和膽固醇水平高于瘦大鼠，這是由于骨骼肌和胰島脂肪酸代謝過度導致的脂肪毒性^[23]。通過給肥胖的ZDF大鼠喂食高飽和脂肪和蔗糖的飲食，也可以誘導它們產生非常高水平的脂肪。在ZDF大鼠上誘導突變可以產生比Zucker Fatty大鼠肥胖更少的近交ZDF大鼠亞系，但由于β細胞凋亡水平增加，其胰島素抵抗更嚴重，其特征是在八周時出現(xiàn)高胰島素血癥，隨著年齡的增長，胰島素水平隨之降低^[24]。然而，雌性ZDF大鼠不會出現(xiàn)明顯的糖尿病^[21]。瘦素受體缺陷的雄性ZDF大鼠（ZDF/CrlCrlj）成為臨床前研究中流行的T2D模型，其表現(xiàn)為胰島結構中斷，B細胞脫顆粒，B細胞死亡增加。

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