糖尿病心肌病動(dòng)物模型的研究進(jìn)展*

葉婷 馬國慶 牛世煜 綜述 陳晶 審校

(1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第二醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

DCM是指DM引起的心肌病變，是一種復(fù)雜的臨床綜合征，以心室功能障礙、心肌間質(zhì)纖維化和心肌細(xì)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(dòng)物模型均表現(xiàn)出高血糖和高血脂，同時(shí)這些模型也表現(xiàn)出心臟功能、結(jié)構(gòu)和代謝異常，與人類DCM病理相類似。DCM早期表現(xiàn)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(jìn)展，逐漸出現(xiàn)射血分?jǐn)?shù)降低和心室擴(kuò)張。實(shí)驗(yàn)1型和2型DCM動(dòng)物通過超聲心動(dòng)圖，磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)，血流動(dòng)力學(xué)檢測(cè)，出現(xiàn)舒張或收縮功能不全，舒張功能障礙的出現(xiàn)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(shí)間[4]，由于超聲心動(dòng)圖的主觀性估計(jì)和不同多普勒模式的嚴(yán)重不同共存，經(jīng)導(dǎo)管測(cè)量左心室舒張壓也是非常有價(jià)值的。本文對(duì)DCM動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究常用的動(dòng)物模型做一綜述。

1 誘發(fā)性DCM模型

目前，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中鏈脲佐菌素(streptozocin，STZ)和四氧嘧啶(alloxan，ALX)常用于誘發(fā)性DCM模型的建立，因其均能對(duì)胰腺β細(xì)胞破壞，減少或終止胰島素分泌，進(jìn)而形成DM，隨著病程的延長，發(fā)展成DCM。選擇不同的注射方式和藥物劑量會(huì)導(dǎo)致β細(xì)胞損傷程度不同，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致動(dòng)物死亡。因此，在藥物誘發(fā)DCM復(fù)制模型時(shí)，要注意選擇合適的注射方式和注射劑量。同時(shí)，為了模擬人2型DCM的發(fā)病機(jī)理，可結(jié)合高糖高脂飼料進(jìn)行喂養(yǎng)。

1.1 誘發(fā)性1型DCM模型 最常用于復(fù)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(fù)制模型方法包括一次性大劑量腹腔注射STZ復(fù)制成速發(fā)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(fā)型DCM動(dòng)物模型。劉文旗[5]應(yīng)用普通飼料喂養(yǎng)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(xì)胞體積增大，排列紊亂，MASSON染色顯示膠原沉積增加，成功構(gòu)建1型DCM模型。STZ誘導(dǎo)的DCM模型的主要特點(diǎn)是左室內(nèi)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(zhì)組學(xué)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(dá)有顯著改變，其中一半位于線粒體[7]。

1.2 誘發(fā)性2型DCM模型 2型DCM模型常用STZ聯(lián)合高糖高脂飼料，可誘發(fā)胰島素抵抗，按自然病程發(fā)展為DCM。常用實(shí)驗(yàn)方法為高脂飼料喂養(yǎng)結(jié)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(yīng)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(xì)胞肥大、間質(zhì)纖維化，認(rèn)為DCM造模成功。董世芬[9]等將雄性Wistar大鼠應(yīng)用高糖脂負(fù)荷STZ 30 mg/kg小劑量腹腔注射，11周后，結(jié)合糖、脂代謝指標(biāo)和心臟功能指標(biāo)，判定DCM模型成功。王春艷[10]等將SD大鼠應(yīng)用高糖脂喂養(yǎng)10周，分別在第4、8周末負(fù)荷STZ 20 mg/kg小劑量腹腔注射，結(jié)合糖、脂代謝指標(biāo)和心臟功能指標(biāo)，判定DCM模型成功。有學(xué)者單純應(yīng)用高脂高糖喂養(yǎng)的小鼠16周后顯示了室壁心肌纖維縮短率(fiber shortening，F(xiàn)S)、射血分?jǐn)?shù)(ejection fraction，EF)，以及顯著舒張功能受損，判定DCM大鼠模型復(fù)制成功[11]。同時(shí)，在飲食誘導(dǎo)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(diào)，以及抗炎脂聯(lián)素和IFNγ[12]，過表達(dá)TGF-β軸，p-Smad1/5和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2 (bone morphogenetic protein-2，BMP-2)下調(diào)[13]，心肌細(xì)胞凋亡增加[14-15]，出現(xiàn)過度的氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)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(yǎng)小鼠的實(shí)驗(yàn)顯示FA代謝過量，PPARα上調(diào)，小鼠心肌細(xì)胞中線粒體解偶聯(lián)的存在，原因可能是高脂肪攝入與氧化蛋白質(zhì)、氮氧化物和解偶聯(lián)相關(guān)因子的增加以及抗氧化反應(yīng)有關(guān)[18]。

2 自發(fā)性 DCM模型

自發(fā)性 DCM模型是在自然條件下形成的，往往未經(jīng)人工處置，這類動(dòng)物通常是發(fā)生基因突變，經(jīng)過遺傳育種自發(fā)地形成模型。常用的自發(fā)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(dòng)物模型心肌病理改變與人類相似，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用。

2.1 自發(fā)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(shí)胰島素的絕對(duì)分泌減少或終止，出現(xiàn)DM，進(jìn)而發(fā)展成為DCM，表現(xiàn)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(dǎo)致小鼠胰島 β 細(xì)胞缺乏，發(fā)展成1型DCM。典型表現(xiàn)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(diào)[22]。

2.1.3 BB 大鼠 BB大鼠發(fā)病機(jī)制是組織相容性抗原復(fù)合物相關(guān)的遺傳易感性，引起胰島β細(xì)胞自身免疫性破壞。多在出生后60～140日自發(fā)發(fā)病，雌雄發(fā)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(nèi)大量淋巴細(xì)胞浸潤，胰島結(jié)構(gòu)紊亂，BB大鼠也顯示心肌纖維化的膠原沉積增加和減少M(fèi)MP活性[23]。

2.2 自發(fā)性2型DCM模型

2.2.1 ob/ob小鼠 ob/ob小鼠DCM的發(fā)生是由于ob基因突變，純合子動(dòng)物表現(xiàn)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(shí)驗(yàn)動(dòng)物，胰島素抵抗和糖耐量受損介導(dǎo)心肌葡萄糖氧化能力減弱和脂肪酸(棕?cái)R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(yán)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(xì)胞凋亡的發(fā)生[24]。

2.2.2 db/db 小鼠 db/db小鼠是基因突變導(dǎo)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(yīng)用較為廣泛的自發(fā)性動(dòng)物模型。在9周，db/db小鼠有較高的心臟重量。在12周時(shí)表現(xiàn)出了FS減少，E/A速度減少[25]。MRI顯示13周左心室質(zhì)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(fā)性2型DM大鼠，攜帶的ODB1和ODB2基因引發(fā)2型DCM。有多食、少動(dòng)、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(xiàn)胰腺功能減退，與人類2型DCM極為相似。超聲心動(dòng)圖顯示，E波減速時(shí)間延長，峰值下降速度減慢，左心室舒張末期內(nèi)徑與左心室后壁厚度增加和左室質(zhì)量增加，表現(xiàn)為心室舒張明顯減低，而心臟收縮功能保留，同時(shí)檢測(cè)到纖維化[27]，心臟脂質(zhì)代謝異常，包括上調(diào)基因參與脂肪酸的攝取，脂質(zhì)酯化和β氧化[28]。

2.2.4 ZDF大鼠 ZDF大鼠是同時(shí)具有2型DCM和肥胖的動(dòng)物模型。在這種模型大鼠中，被正式確認(rèn)的心肌生理異常有：心肌肥大，心臟脂質(zhì)代謝異常和心臟纖維化。研究表明，在ZDF大鼠，表現(xiàn)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(dá)上調(diào)[29]，ZDF大鼠存在心肌細(xì)胞凋亡,心臟脂質(zhì)代謝異常，包括上調(diào)基因參與脂肪酸的攝取，脂質(zhì)酯化和β氧化[30]。同時(shí)，ZDF大鼠具有更高的線粒體ROS的產(chǎn)生和脂質(zhì)過氧化率，抗氧化水平的升高[31]。ZDF大鼠通常表現(xiàn)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(xì)胞體積增大，ANP表達(dá)率增加，但收縮功能被保存[32]。 Zhou報(bào)告在20周時(shí)FS減少，Daniels和Ramírez在16、44周分別發(fā)現(xiàn)超聲心動(dòng)圖和核磁共振成像，沒有發(fā)現(xiàn)收縮功能不全的證據(jù)[ 33-34]。在9～13個(gè)月時(shí)心肌呈炎性細(xì)胞浸潤或缺乏，在22周齡時(shí)促炎性細(xì)胞因子達(dá)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(shí)具有高血糖和肥胖等2型DCM典型表現(xiàn)，其糖尿病的發(fā)病機(jī)制為遺傳和環(huán)境因素共同作用，與人類發(fā)病機(jī)制類似。8周后出現(xiàn)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(diǎn)是高血糖，胰島素抵抗和肥胖。GK大鼠心臟舒張內(nèi)徑、舒張時(shí)容積明顯增加，每搏輸出量、EF、 FS降低。超聲心動(dòng)圖心室舒張明顯降低，如E波減速時(shí)間延長，峰值下降速度減慢，左心室舒張末期內(nèi)徑與左心室后壁厚度增加和左室質(zhì)量增加，心臟收縮功能保留。GK大鼠通常表現(xiàn)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(xì)胞體積，和ANP表達(dá)率高，事實(shí)上，收縮功能經(jīng)常被保存[36]。相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)[37]，GK大鼠存在明顯心肌細(xì)胞凋亡、心臟脂質(zhì)代謝異常、線粒體ROS的產(chǎn)生和脂質(zhì)過氧化率提高。

3 轉(zhuǎn)基因 DCM 模型

轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型是指通過改變某種基因的表達(dá)水平以建立 DCM 動(dòng)物模型。目前最常用的是轉(zhuǎn)基因 OVE26 小鼠，22周左室內(nèi)徑增加，室壁變薄是主要的特點(diǎn)，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(fù)合物(major histocompability complex-beta，β-MHC)的改變[38]。同時(shí)，在OVE26 小鼠的心臟中，巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞浸潤，促炎細(xì)胞因子和粘附分子的表達(dá)增加，氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)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?；?histone deacetylase 3,HDAC3)相關(guān)[39]，凋亡也隨著發(fā)病時(shí)間延長而加重[40]。在OVE26小鼠，鈣調(diào)素的上調(diào)可能發(fā)展較慢，與人類DCM相似，關(guān)于其模型深入研究仍在進(jìn)一步探索中。

4 小結(jié)與展望

隨著 DCM發(fā)病率逐年增加，對(duì)其機(jī)制研究不斷深入，建立理想的動(dòng)物模型成為實(shí)驗(yàn)研究的前提。目前，基礎(chǔ)研究中應(yīng)用的 DCM 動(dòng)物模型多樣，選擇依據(jù)主要是課題的研究方向。誘發(fā)性的DCM模型因?qū)ζ渌M織影響小，動(dòng)物易存活，目前應(yīng)用較廣泛，但需注意藥物的注射方法和劑量。自發(fā)性 DCM 模型的病理生理變化與人類 DCM 相似，個(gè)體差異度小，實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性好，人為因素少，在DCM動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究中被采用，但其往往因價(jià)格昂貴，對(duì)飼養(yǎng)條件要求高，限制其應(yīng)用。轉(zhuǎn)基因DCM動(dòng)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(zhuǎn)基因技術(shù)復(fù)雜，難度大，費(fèi)用昂貴，應(yīng)用受限制。中醫(yī)藥在治療DCM的臨床上取得很好的療效，因此對(duì)于其機(jī)制的深入研究成為中醫(yī)工作者的研究方向，制備病證結(jié)合DCM動(dòng)物模型在研究中醫(yī)藥機(jī)制方面尤顯重要，研究工作者應(yīng)借助現(xiàn)代醫(yī)學(xué)手段，根據(jù)糖尿病證型特點(diǎn)，制備出病證結(jié)合DCM動(dòng)物模型[41]。因此，DCM動(dòng)物模型的制備仍需不斷探索，努力開發(fā)出更多更好的DCM動(dòng)物模型用于醫(yī)學(xué)研究中。