高脂血癥動物模型研究進(jìn)展
王穎1于學(xué)慧
(山東大學(xué)實驗動物中心,山東濟南250012)
關(guān)鍵詞〔〕高脂血癥;動物模型;轉(zhuǎn)基因
中圖分類號〔〕R285.5〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A〔
基金項目:山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎勵基金(No.BS2010SW018)
通訊作者:于學(xué)慧(1970-),女,博士,高級工程師,主要從事人類疾病動物模型研究。
1山東大學(xué)藥學(xué)院
第一作者:王穎(1991-),女,臨床藥學(xué)專業(yè)七年制在讀,主要從事臨床藥學(xué)研究。
高脂血癥是指脂肪代謝或轉(zhuǎn)運異常所致的血漿中1種或多種脂質(zhì)高于正常的疾病,其臨床發(fā)病率高,常分為高膽固醇(TC)血癥、高甘油三脂(TG)血癥和混合型高脂血癥(即同時表現(xiàn)高TG和高TC血癥)〔1〕,是導(dǎo)致多種重大疾病如心腦血管病、肥胖和嚴(yán)重糖尿病等的重要危險因素。高脂血癥動物模型的建立對于高脂血癥發(fā)病機制及相關(guān)藥物的篩選研究具有重要意義。已建立的模型大致可分為飲食誘導(dǎo)、自發(fā)及基因修飾等,本文以此分類進(jìn)行綜述。
1大鼠
大鼠是目前研究高脂血癥最常用的動物,能較好地反映多種實驗因素對脂質(zhì)吸收、分解及合成等代謝環(huán)節(jié)的影響,同時具有成本低、易于飼養(yǎng)、取血量大等優(yōu)點,因而被作為高脂血癥動物模型廣泛用于降脂藥物的研究。
1.1飲食誘導(dǎo)多通過高脂飲食或灌胃建立,大鼠表現(xiàn)血清TC水平顯著升高,高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)明顯降低,TG濃度升高,且SD 大鼠的升高幅度明顯高于Wistar大鼠,提示SD 大鼠可能是較好的高TG血癥模型〔2〕。也有通過在食物中加入促進(jìn)肝臟合成TC或TG物質(zhì)的方法,如加入L-蛋氨酸,或抑制甲狀腺功能的甲基硫氧嘧啶等,建立的高脂血癥大鼠TC、TG水平明顯升高。豬油含量的多少同高脂血癥形成存在正相關(guān),但抗甲狀腺類藥物在造模過程中容易造成肝臟及淋巴結(jié)損傷,增加死亡率,不符合正常代謝過程〔3〕。另外大鼠的高脂血癥與人類高脂血癥的發(fā)病機制差異較大,如大鼠內(nèi)源性TC合成量與人類差異較大,大鼠體內(nèi)TC轉(zhuǎn)運依賴HDL-C,人類體內(nèi)TC轉(zhuǎn)運則依賴低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C),且大鼠體內(nèi)TC血漿清除率明顯高于人類〔4〕。另外,大鼠對攝入的高TC食物不敏感,而且還可以通過減少自身肝臟合成TC、并誘導(dǎo)膽固醇7A羥化酶(CYP7A1)表達(dá)上調(diào),增加膽汁酸生成等途徑而使血漿脂蛋白保持穩(wěn)定〔5〕,使用時應(yīng)注意。
1.2自發(fā)模型肥胖Zucker大鼠肥胖Zucker大鼠編碼瘦素受體的fa基因出現(xiàn)錯義突變,導(dǎo)致瘦素信號轉(zhuǎn)錄和傳導(dǎo)障礙,正常飲食下出生3~5 w即出現(xiàn)明顯肥胖〔6〕,同時還具有高TG血癥及高TC血癥的特點。其血清極低密度脂蛋白(VLDL)和HDL-C水平較高,肝內(nèi)LDL-C受體表達(dá)下降,與人類脂蛋白譜相差較大且HDL-C濃度高于LDL-C,但高脂肪或高膽固醇飲食條件下LDL-C水平提高〔7〕。
2小鼠
小鼠容易獲得,操作方便,但其血脂代謝與人類差別很大:血漿HDL-C濃度相對較高,LDL-C、VLDL濃度較低,同時缺乏膽固醇轉(zhuǎn)運蛋白,因此小鼠高脂血癥模型常通過飲食或基因調(diào)控方法,導(dǎo)致其脂蛋白代謝紊亂而建立。
2.1飲食誘導(dǎo)模型小鼠飲食誘導(dǎo)建模方法與大鼠類似。高脂飲食時,KM小鼠血漿TC、LDL-C、TG水平增高,HDL-C水平降低〔8〕;C57BL/6J小鼠TC水平顯著升高,而TG增高不明顯〔9〕。
2.2自發(fā)模型LPL基因突變小鼠脂蛋白脂酶(LPL)催化乳糜微粒(CM)和VLDL核心的TG分解為脂肪酸和單酸甘油酯,與脂質(zhì)代謝密切相關(guān),其基因具有易突變和明顯多態(tài)性的特點。一種LPL基因突變小鼠,于14 355 bp處發(fā)生G→A轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致LPL分泌或活性降低,脂肪分解能力下降,表現(xiàn)出以TG水平升高為主要特征,同時存在LDL-C升高,HDL-C降低的高TG血癥〔10〕。
另外,ob/ob小鼠是瘦素基因缺陷、db/db小鼠是瘦素受體基因缺陷導(dǎo)致的中等程度肥胖和高脂血癥的小鼠模型。
2.3基因修飾模型高脂血癥基因修飾小鼠模型主要通過對脂代謝相關(guān)基因,如載脂蛋白基因、受體基因以及關(guān)鍵酶基因等修飾而建立,該類小鼠廣泛應(yīng)用于高脂血癥的病因?qū)W及治療方法的研究。
2.3.1載脂蛋白基因修飾模型ApoE-/-小鼠載脂蛋白E(ApoE)是一種強的細(xì)胞膽固醇接受體,參與泡沫細(xì)胞的形成和膽固醇的逆向轉(zhuǎn)運,同時也是清除CMs和VLDL的受體的配體,缺乏則會導(dǎo)致血液循環(huán)中富含膽固醇的物質(zhì)積累。ApoE基因敲除(ApoE-/-)小鼠由于缺乏ApoE,導(dǎo)致LDL受體(LDLr)和LRP(LDLr-related proteins)介導(dǎo)的脂蛋白清除缺陷,正常飲食下,其血漿LDL-C和VLDL水平即顯著升高,可形成嚴(yán)重高TC血癥及自發(fā)動脈粥樣硬化(AS),高脂高TC飲食可加速AS的發(fā)生。但該品系小鼠具有兩個缺點,一是由于完全缺失ApoE蛋白,導(dǎo)致小鼠高水平的血漿TC含量;二是血漿TC主要以VLDL為主,而不似人類以LDL-C顆粒為主〔11〕。
APOE*3-Leiden轉(zhuǎn)基因小鼠APOE*3-Leiden(E3L)突變是一種人類罕見的APOE3基因顯性失活,與Ⅲ型高脂蛋白血癥有關(guān)。E3L轉(zhuǎn)基因小鼠是將人E3L突變基因?qū)隒57BL/6小鼠獲得,同時其轉(zhuǎn)基因構(gòu)建體中還引入了APOC1基因,通過降低脂類分解及LDLr和LRP對VLDL的攝取,來進(jìn)一步提高血漿脂質(zhì)水平。E3L小鼠有內(nèi)源性ApoE蛋白表達(dá),但對含ApoE脂蛋白的清除率降低,且降低程度顯著低于ApoE-/-小鼠。與野生型小鼠相比,E3L小鼠血漿TG水平,正常飲食時顯著升高,高脂、糖和TC飼料時達(dá)極顯著水平,且VLDL、LDL-C含量增加〔11〕。由E3L、ApoE-/-、LDLr-/-小鼠血漿TC水平(見表1)可知,E3L小鼠的高脂血癥比ApoE-/- 和LDLr-/-小鼠表現(xiàn)更溫和,且血漿TC和TG水平隨肝臟VLDL的生成變化明顯〔11〕。另外,E3L小鼠對含脂、糖和膽固醇飼料高度敏感,其血漿脂質(zhì)水平可通過飼料中膽固醇和糖的含量來調(diào)節(jié)。影響CMs和VLDL生成的藥物或飲食會同樣改變小鼠血漿TC和TG水平,在這一點上,E3L小鼠比ApoE-/-和LDLr-/-敏感得多,降脂成分可使E3L小鼠膽固醇降低〔11〕。
表1 E3L和ApoE-/-、LDLr-/-小鼠的血漿TC水平變化 〔11〕
ApoE2/B轉(zhuǎn)基因小鼠ApoE2/B轉(zhuǎn)基因小鼠通過將包含完整的人類apoE2基因的pHEG1LEcys158轉(zhuǎn)入基因組中,使其能夠在肝臟高表達(dá)ApoE2,從而具有VLDL、IDL 明顯升高,LDL-C、HDL-C降低等與人Ⅲ型高脂蛋白血癥相似的特點〔12〕。
人載脂蛋白CⅢ(hApoCⅢ)轉(zhuǎn)基因小鼠ApoCⅢ可通過抑制LPL的協(xié)同因子ApoCⅡ〔13〕而抑制LPL的活化,從而導(dǎo)致LPL功能缺陷、TG清除延遲而表現(xiàn)高TG血癥。
CⅢ/ApoE-/-小鼠ApoE-/-背景的ApoCⅢ轉(zhuǎn)基因小鼠(CⅢ/ApoE-/-)由于VLDL細(xì)胞表面黏多糖結(jié)合能力顯著下降,使TG不能被LPL清除,從而引發(fā)高TG血癥〔14〕。
2.3.2受體基因修飾模型這類模型中應(yīng)用最廣泛的是LDL受體基因敲除(LDLr-/-)小鼠。LDLr-/-小鼠血漿脂蛋白譜與人類相似,以LDL-C為主。正常飲食時,LDLr-/-小鼠表現(xiàn)中等強度的血漿TC上升,并緩慢發(fā)展成AS;高脂飲食時,血漿TC大幅上升,并可快速形成AS。其與ApoB編輯缺陷小鼠或人類ApoB100轉(zhuǎn)基因小鼠雜交所產(chǎn)生的子代,都表現(xiàn)出血漿LDL大幅上升及AS的形成。相比ApoE-/-小鼠,LDLr-/-小鼠的高脂血癥程度較溫和〔11〕。
2.3.3關(guān)鍵酶基因修飾模型膽固醇酯轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)基因小鼠(CETPTg)膽固醇酯轉(zhuǎn)運蛋白(CETP)是膽固醇代謝過程中的關(guān)鍵酶,正常小鼠不表達(dá)CETP。將人CETP基因?qū)胄∈蠖@得的CETPTg轉(zhuǎn)基因小鼠,高脂飲食下血漿LDL-C、VLDL-C 和AopB 水平上升,并極大加速了AS的發(fā)展〔12〕。其與E3L交配所得的子代小鼠,血漿TC水平升高,主要TC分布從HDL-C轉(zhuǎn)向VLDL/LDL-C,且脂蛋白譜更貼近人類、更易導(dǎo)致AS的發(fā)生〔11〕。
LPL基因敲除(LPL-/-)小鼠模型LPL-/-小鼠模擬人類LPL缺乏癥:血漿CM大量蓄積,TG極度升高,LDL-C和HDL-C顯著降低〔15〕。同時,該小鼠體內(nèi)沒有內(nèi)源性LPL的干擾,也不需要額外的環(huán)境控制,尤其不需要高脂飲食誘導(dǎo),已用于多項AS發(fā)生發(fā)展的研究〔16~18〕。但由于該小鼠出生18~24 h死亡,需基因救治才能存活〔19〕。將表達(dá)肝素結(jié)合部位突變的人LPL基因(hLPLHBM)導(dǎo)入LPL-/-小鼠,則克服了LPL-/-小鼠初生死亡的缺點,并導(dǎo)致該轉(zhuǎn)基因小鼠血漿無活性的LPL蓄積,TG顯著增高,但LDL、HDL無顯著改變。LPL結(jié)合蛋白GPIHBP1基因敲除小鼠糖基化磷脂酰肌醇錨定高密度脂蛋白結(jié)合蛋白1(GPIHBP1),定位于毛細(xì)血管內(nèi)皮表面,與脂蛋白脂酶和乳糜微粒結(jié)合,形成供富含TG脂蛋白降解的“平臺”。GPIHBP1基因敲除(GPIHBP1-/-)小鼠血漿肝素后LPL活性大大下降,血漿TG水平顯著升高,HDL水平下降〔20〕。
3兔
家兔作為草食性動物,其血漿脂蛋白譜與人相似,有CETP、肝ApoB100和腸ApoB48的表達(dá),對外源性膽固醇吸收率較高,血中脂質(zhì)清除率較低。高脂飲食時,血漿TC,LDL-C、VLDL/TC顯著升高、HDL-C降低,易形成高脂血癥和AS病變〔21〕。同時,家兔成模速度快,重復(fù)性好,成本低,是最早用于高脂血癥和AS研究的動物。
3.1自發(fā)模型渡邊兔(WHHL)是LDLr單基因隱性突變純合子,其血漿TC、TG和磷脂自出生即異常升高(是普通家兔的十倍),HDL-C降低,普通飲食即形成高TC血癥和AS,血漿TC主要以LDL-C為主,其次是IDL,且臨床特征和病理變化與人家族性高膽固醇血癥非常相似。
圣托馬斯兔(STH)具有遺傳性脂代謝紊亂的特點,其肝臟合成VLDL-C功能亢進(jìn),正常飲食條件下血漿LDL-C、IDL-C和VLDL-C濃度升高,具有高TC血癥和高TG血癥的特點〔22〕。
3.2轉(zhuǎn)基因模型目前已建立了多種高脂血癥家兔轉(zhuǎn)基因模型,如ApoE2轉(zhuǎn)基因兔,因其高水平表達(dá)人ApoE2(Cys112 …Cys158),正常飲食即表現(xiàn)血漿TC、HDL-C升高,β-VLDL聚集,VLDL和IDL顯著增加等Ⅲ型高脂蛋白血癥特征,主動脈弓和腹主動脈自發(fā)形成動脈粥樣病變〔23〕。轉(zhuǎn)基因家兔是研究血漿中脂蛋白代謝和AS的重要模型,為研究人AS的發(fā)生、發(fā)展提供了新穎、獨特的方法。
4豚鼠
豚鼠性情溫順、易于飼養(yǎng)、采血量大,其血漿TC以LDL-C為主,血漿脂蛋白譜、血脂分解速率、調(diào)節(jié)脂蛋白代謝的酶類的表達(dá)和活性與人的情況相似〔24〕。高脂飲食下,豚鼠體內(nèi)的TC分解代謝關(guān)鍵酶CYP7A1無法高表達(dá)、活性不上調(diào)、肝內(nèi)ApoB/E受體受到抑制,使得TC分解代謝受影響,同時肝內(nèi)游離TC濃度的升高抑制了HMG-CoA還原酶活性,從而使ACAT活性隨TC的增加而增加〔25〕;同時LDL受體抑制,易形成高TC血癥,表現(xiàn)為血清TG、TC、LDL-C,F(xiàn)FA明顯升高,血清HDL-C 水平顯著升高,高密度脂蛋白亞型HDL3 /HDL2的比值升高〔26〕。豚鼠對TC的敏感性明顯高于大鼠。低TC飼料誘導(dǎo)下的豚鼠血清TG、TC、LDL-C 水平遠(yuǎn)高于高TC飼料誘導(dǎo)下大鼠模型,且血清TG、TC、LDL-C 水平的升高時間先于大鼠〔27〕。豚鼠將脂肪酸作為優(yōu)先的能量來源,因此,相比于低糖高脂飼料,豚鼠在高糖高脂飼料下LDL值較高而TG、酮體和VLDL水平較低。另有實驗對切除卵巢的豚鼠進(jìn)行高脂實驗,發(fā)現(xiàn)其可較好的模擬絕經(jīng)后婦女的脂蛋白代謝〔28〕。
5小型豬
豬的血脂構(gòu)成、脂質(zhì)代謝、對高膽固醇飲食反應(yīng)與人類接近,且可重復(fù)取血,這使豬成為研究高脂血癥的良好動物模型。任何品種、品系的小型豬均可用于AS研究。豬對飼料變化較其他動物更為敏感,形成的高脂血癥與人類相似。如貴州小香豬高脂血癥模型,飼喂高脂飲食后血漿TC 、TG、LDL-C 、HDL-C均明顯升高〔29〕?,F(xiàn)亦有針對轉(zhuǎn)基因小型豬的研究如將人類基因D374Y-PCSK9、ApoCⅢ導(dǎo)入小型豬內(nèi),或敲除小型豬的ApoE基因。如體內(nèi)含有ApoCⅢ基因的小型豬體同非轉(zhuǎn)基因豬相比,具有血漿TG水平明顯升高,TC和HDL-C無明顯變化的特點〔30〕。
6其他
長爪沙鼠的血漿TC以LDL-C為主,高脂飲食下血漿TC、LDL-C和HDL-C升高快速、明顯,且持續(xù)時間長,形成的高脂血癥穩(wěn)定〔31〕。雞和鴿短期高膽固醇飲食可發(fā)生主動脈局部病變,可用于AS早期病變研究〔32〕。金黃地鼠低膽固醇飲食時,短時間內(nèi)TG 即開始升高,并趨于穩(wěn)定,且較好模擬人類膽固醇代謝等特點〔33〕。郭俊等〔34〕使用beagle犬進(jìn)行造模,高脂飲食可使其TG和TC顯著升高。但因為犬類是肉食動物,其飲食習(xí)慣使犬類形成高脂血癥相對較難。非人靈長類與人類基因同源性高、免疫反應(yīng)與人相似,恒河猴采用高脂飲食進(jìn)行喂養(yǎng),4個月時,實驗組與對照組相比體重?zé)o顯著差異,但TC、LDL-C呈顯著上升,TG降低,6個月時TC、LDL-C 升高明顯,高脂飲食通過使動物脂質(zhì)代謝紊亂而建立模型,具有高TC 血癥和高LDL-C 血癥的特征〔35〕。另有研究有酒癮的食蟹猴血脂代謝發(fā)生改變,對比正常飲食及控制飲酒的對照組,其血漿TG增高兩倍,TC升高,單位TG的α-生育酚下降,血漿apo CⅢ升高〔36〕。也有通過向食蟹猴靜注鏈脲霉素建立的高脂血模型,具有高TG和低HDL血癥的特點〔37〕。
7結(jié)語
實驗動物模型的選擇對于高脂血癥的研究具有重要意義。理想的高脂血癥動物模型在血漿脂蛋白構(gòu)成以及肝臟TC和脂蛋白代謝酶的調(diào)節(jié)方面,應(yīng)盡可能與人類相近。此外,動物應(yīng)較容易飼養(yǎng)、取材方便、指標(biāo)檢測簡便易行。
就飲食誘導(dǎo)模型而言,應(yīng)當(dāng)考慮兩個關(guān)鍵因素:①肝臟合成TC的量占TC總合成量的比例越小越好;②增加飼料中TC含量不引起膽汁酸合成增加,不擴充TC代謝池,也不因此而抑制LDLr活性,甚至完全抑制肝TC的合成〔37〕。自發(fā)性高脂血癥動物模型中,渡邊兔(WHHL)因其TC、TG異常升高、自發(fā)AS和體型適中而成為理想的選擇?;蛐揎椖P椭校訟poE-/-和LDLr-/-小鼠最為常用〔11〕;E3L小鼠血漿脂質(zhì)水平可通過改變飼料成分調(diào)節(jié),且其TC、TG可同時升高,對降脂藥物的敏感性比ApoE-/-和LDLr-/-小鼠高得多〔11〕,可以預(yù)見,E3L小鼠在調(diào)脂藥物研究領(lǐng)域中將有廣泛的應(yīng)用。另外,長爪沙鼠、小型豬以及豚鼠因其脂質(zhì)攝取和代謝與人類相似,也是極有前景的高脂血癥模型。
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〔2014-04-15修回〕
(編輯趙慧玲/曹夢園)
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