常见的糖尿病大鼠小鼠模型（I型、II型糖尿病动物模型（T1D、T2D））带你了解
发布时间：
2021-12-23
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糖尿病是一种慢性疾病，其特点是相对或绝对胰岛素缺乏，导致高血糖。慢性高血糖可导致多种并发症，如神经病变、肾病和视网膜病变，并增加心血管疾病的风险。据世界卫生组织（WHO）数据，2030年之前糖尿病将成为全球第七大死亡原因。
最常见的糖尿病是I型糖尿病（T1D）和II型糖尿病（T2D），它们都是多因素疾病，由于非常复杂的遗传因素与环境因素相互作用，从而导致疾病发展。I型糖尿病约占所有糖尿病病例的10%，II型糖尿病约占所有病例的90%，肥胖、不良饮食和缺乏锻炼等生活方式在II型糖尿病的发病风险中发挥重要作用。
由于糖尿病在世界范围内发病率较高，因此，仍需要进行广泛的研究，以开发新的抗糖尿病药物并确定其作用机制。因此，近年来，许多糖尿病动物模型得到了发展和完善，其中对大小鼠模型的描述最为全面。
I型糖尿病动物模型（T1D）
I型糖尿病的主要特征是由于胰腺β细胞的自身免疫破坏，导致胰岛素分泌不足。I型糖尿病的动物模型包括自发产生自身免疫性糖尿病的动物，以及胰腺细胞的化学消融术。建立T1D动物模型的方法有很多，如使用抗胰岛素血清、胰腺切除术、葡萄糖输注、β细胞毒性药物、病毒等；反映人T1D的动物模型在基础研究和临床前研究中都具有重要意义，这不仅有助于了解T1D的发病机制，也有助于评估具有治疗潜力的新疗法（单药或联合治疗）。I型糖尿病主要有五种自发性常用模型，目前使用最广泛的是NOD小鼠和BB大鼠。
图1. T1D小鼠模型
1. NOD小鼠
NOD小鼠在1974年被日本大阪盐野木实验室研究开发而来[4]，是了解自身免疫性疾病（如T1D）病理生理机制的首选动物模型。NOD小鼠在第3周或第4周出现胰岛炎，胰岛被先天免疫细胞浸润，主要是CD4+和CD8+淋巴细胞以及NK和B细胞、树突状细胞、巨噬细胞和中性粒细胞[5,6]。NOD小鼠的这一过程与人类相同，在人胰岛浸润中也发现了类似的免疫细胞[7]。从大约4-6周龄开始，先天免疫细胞在胰岛中的浸润进一步吸引了适应性免疫系统的CD4+和CD8+ T细胞亚群[8]。上述固有免疫细胞和适应性免疫细胞浸润胰岛的活动，开始通过免疫应答或凋亡的方式破坏胰岛细胞，这是糖尿病发生的必要条件。此外，胰岛炎导致β细胞的破坏，大约90%的胰腺胰岛素在显性糖尿病发病10-14周内丢失。显然，糖尿病NOD小鼠体重迅速减轻，需要胰岛素治疗才能使糖尿病动物存活更长时间，最长可达30周龄。
由于该模型会发展出类似于人类的自发性疾病，所以其在疾病表征方面非常接近人类。该模型在了解疾病的病理生理过程中发挥了非常重要的作用，包括识别新的与人类相似的自身抗原和生物标志物，并帮助研究人员设计和筛选治疗靶点[9]。
在NOD小鼠和人类中发现50多个基因位点，这些是与免疫功能和调节以及胰腺β细胞功能相关的基因，它们在介导T1D的易感性中起重要作用[10]。然而，NOD小鼠和人类的大部分易感性都是由MHC II类单一基因座引起[11]。许多研究结果表明，NOD小鼠体内的MHC II类蛋白在结构上与人类相似，这可能是导致NOD小鼠和人类均对该疾病具有抵抗力或易感性的原因[12]。因此，NOD小鼠被认为是用于检测与自身免疫反应调节相关治疗的理想临床动物模型。
2. BioBreeding DiabetesProne [BB]大鼠
BB大鼠为非亲缘性Wistar大鼠，代表自发性自身免疫性糖尿病模型。1974年在加拿大殖民地首次发现具有这种特征的老鼠。将该品系进一步发展为两个亚品系：自交系（BBDP/W）和远交系（BBDP）[2]。BB大鼠一般在发育期后（即约90%）就会发生糖尿病，雌雄之间没有任何性别差异。BB大鼠的糖尿病表型非常极端，其特征是高血糖、低胰岛素血症、体重减轻和酮尿[3]。BB大鼠需要立即进行胰岛素治疗以维持生存。患胰岛炎的BB大鼠有主要的免疫细胞，如T细胞、B细胞、巨噬细胞和NK细胞，但CD4+ T细胞严重减少，CD8+ T细胞几乎缺失。此外，在大鼠中也证实了 ART2+ T 细胞的缺乏，其中ART2代表成熟的T细胞同种异体抗原，这是识别具有免疫调节特性的细胞所必需的。BB大鼠是诱导胰岛移植耐受的首选小动物模型[2]，已用于糖尿病神经病变的干预和遗传学研究。两性BB大鼠均可发生胰腺炎，随后选择性破坏β细胞，在50 - 90天龄时引发糖尿病。自发性糖尿病BB大鼠的胰岛炎的自然病程与NOD小鼠不同。
II型糖尿病动物模型（T2D）
II型糖尿病在肥胖和非肥胖动物模型中均有不同程度的胰岛素抵抗和β细胞衰竭。因此，II型糖尿病的动物模型主要包括胰岛素抵抗模型和/或β细胞衰竭模型。许多2型糖尿病的动物模型都是肥胖模型，说明肥胖与人类2型糖尿病的发展密切相关。建立T2D动物模型涉及多种方法，如单基因肥胖、多基因肥胖、高脂饮食、非肥胖模型和遗传诱导模型。T2D动物模型的建立对基础和临床前研究都具有非常重要的意义[13]。自发性II型糖尿病的常用模型有Lepob/ob小鼠、Zucker脂肪大鼠和Zucker糖尿病脂肪大鼠等。
图2. T2D小鼠模型
1.Lepob/ob 小鼠
C57BL/6小鼠的6号染色体自发突变产生重度肥胖Lepob/ob小鼠模型，该突变于1949年在杰克逊实验室的一个远交群中首次被发现。然而，直到1994年才发现突变蛋白是瘦素[14]。Lepob/ob小鼠2周龄时体重开始增加，伴高胰岛素血症，体重可达野生型正常小鼠体重的3倍。4周后出现明显的高血糖，血糖浓度逐渐升高，在3-5个月达到峰值，之后随着小鼠年龄的增长血糖浓度开始下降[15]。在第10天可检测到产热受损，明显的嗜食和能量消耗降低，表现为胴体脂质增加，明显的肥胖。其他异常症状包括高脂血症、体温不调节、体力活动降低和不孕[16]。此外，在Lepob/ob小鼠中，胰岛细胞急剧减少，胰岛素释放异常[17]。在肥胖小鼠体内注射瘦素可以减少体重增加，减少食物摄入，增加能量消耗，提高胰岛素敏感性[18]。Lepob/ob小鼠严重肥胖并伴有高胰岛素血症和终生胰岛素抵抗，这些症状使该模型对于改善外周胰岛素敏感性和降低体重的药物研究有重要作用（如胰岛素增敏剂、抗肥胖和其他抗高血糖药物）[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与Sherman大鼠于1961年杂交而成[20]。ZDF大鼠在4周后变得肥胖并发展为糖尿病。它们的特征是瘦素受体突变，可诱发嗜食症。肥胖大鼠存在高胰岛素血症、高脂血症、高血压等代谢异常，并伴有糖耐量受损[21]。在高能量啮齿动物饮食下瘦素激素受体发生纯合突变 (fa/fa)，雄性大鼠出现 T2D。此外，在3-8周龄之间会出现严重的胰岛素抵抗和葡萄糖不耐受。ZDF大鼠在8和10周龄出现高度糖尿病，并且在10到11周龄时进食状态下的葡萄糖水平进一步增加到500mg/dL。有证据证实胰岛DNA含量升高与血清胰岛素相关，提示胰岛增生在ZDF大鼠高胰岛素血症的发生发展中起重要作用[22]。
肥胖大鼠的甘油三酯和胆固醇水平高于瘦大鼠，这是由于骨骼肌和胰岛脂肪酸代谢过度导致的脂肪毒性[23]。通过给肥胖的ZDF大鼠喂食高饱和脂肪和蔗糖的饮食，也可以诱导它们产生非常高水平的脂肪。在ZDF大鼠上诱导突变可以产生比Zucker Fatty大鼠肥胖更少的近交ZDF大鼠亚系，但由于β细胞凋亡水平增加，其胰岛素抵抗更严重，其特征是在八周时出现高胰岛素血症，随着年龄的增长，胰岛素水平随之降低[24]。然而，雌性ZDF大鼠不会出现明显的糖尿病[21]。瘦素受体缺陷的雄性ZDF大鼠（ZDF/CrlCrlj）成为临床前研究中流行的T2D模型，其表现为胰岛结构中断，B细胞脱颗粒，B细胞死亡增加。
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