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小型啮齿动物:动脉粥样硬化模型

2020年07月13日 浏览量: 评论(0) 来源:中国实验动物信息网 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:基于脂蛋白代谢与人类的相似性,啮齿动物中的仓鼠和豚鼠可能是动脉粥样硬化研究更为现实的模型。涉及大鼠模型的研究表明,大鼠模型是一种天然抗动脉粥样硬化的啮齿动物。近年来建立了具有严重高脂血症和动脉粥样硬化病变形成的Ldlr-/-仓鼠模型,可以为经典的转基因小鼠模型提供替代方法。本文综述了动脉粥样硬化研究中经典和创新的小啮齿动物模型,包括小鼠、大鼠、仓鼠和豚鼠,重点介绍了它们的脂蛋白代谢和组织病理学变化。

摘要:啮齿类动物易于繁殖,饲养成本低,诱导动脉粥样硬化的时间相对较短,是研究动脉粥样硬化的理想动物。但是,由于每种模型都有其优点和缺点,当前的模型都无法准确地模拟人体脂蛋白分布或动脉粥样硬化的进展。转基因技术的出现在很大程度上支持了动物模型的建立。值得注意的是,两个经典的转基因小鼠模型apoE-/-和Ldlr-/-构成了研究潜在机制和药物开发方法的主要平台。然而,小鼠和人类存在着重要差异,例如非人类的脂蛋白谱。基于脂蛋白代谢与人类的相似性,啮齿动物中的仓鼠和豚鼠可能是动脉粥样硬化研究更为现实的模型。涉及大鼠模型的研究表明,大鼠模型是一种天然抗动脉粥样硬化的啮齿动物。近年来建立了具有严重高脂血症和动脉粥样硬化病变形成的Ldlr-/-仓鼠模型,可以为经典的转基因小鼠模型提供替代方法。本文综述了动脉粥样硬化研究中经典和创新的小啮齿动物模型,包括小鼠、大鼠、仓鼠和豚鼠,重点介绍了它们的脂蛋白代谢和组织病理学变化。

关键词:动脉粥样硬化  小鼠  大鼠 仓鼠 豚鼠


简介:动脉粥样硬化是心血管疾病最常见的潜在病因,是许多人群发病率和死亡率的主要原因。动脉粥样硬化是一种慢性炎症过程,涉及多种细胞类型和细胞因子。它的进展始于低密度脂蛋白沉积、内皮功能障碍、内皮下泡沫细胞的积聚以及在促炎剂的激活下形成脂肪条纹。随着斑块的继续发展,血管平滑肌细胞(VSMC)迁移到内膜并形成细胞外基质。数十年后,脂肪条纹可能会发展为纤维粥样硬化病变,其特征是围绕脂质核心的纤维帽。一旦纤维帽破裂,叠加的血栓会阻塞动脉管腔并扰乱血流,这是动脉粥样硬化的主要发病率和死亡率的原因。有的病例可能会有几十年没有症状,而且有些病例只能通过死后才能确诊。

图1、人动脉粥样硬化的典型进展

1)该疾病通常始于局部细胞因子激活下脂蛋白颗粒的积累和修饰。 2)单核细胞粘附并渗透穿过内皮。 3)单核细胞分化为巨噬细胞。受体介导的摄取修饰低密度脂蛋白促进脂质泡沫细胞的形成。 4)VSMC(血管平滑肌细胞)迁移到内膜并形成细胞外基质。5) 随着泡沫细胞的积聚和血管平滑肌细胞的迁移和增殖,脂肪条纹病变可发展为纤维粥样硬化病变,并在脂质核心周围形成纤维帽。6)在复杂的病灶中,一些易损病灶可能破裂,并可能发生叠加的血栓形成。基于动脉粥样硬化的复杂性和长期性,人们依赖于模仿人类疾病的动物模型。 适当模型的选择至关重要,并且取决于实验设计和执行。 基于实际和经济上的优点,啮齿目目成员被广泛用于生物研究和临床前研究。本文就动脉粥样硬化研究中经典的和新颖的小啮齿动物模型(包括小鼠、大鼠、仓鼠和豚鼠)作一简要介绍,重点介绍它们的脂蛋白代谢、组织病理学变化及其在药理学领域的应用。

动脉粥样硬化的小鼠模型:目前,小鼠是动脉粥样硬化研究中应用最广泛的动物模型。

没有基因操作的小鼠模型:最初,动脉粥样硬化饮食,包括Thomas-Hartroft饮食(40%黄油,5%胆固醇,2%胆酸钠和0.3%丙基硫尿嘧啶)及其改良剂,在啮齿动物中产生高脂血症和动脉粥样硬化。这种致动脉粥样硬化的饮食导致严重的动脉粥样硬化并伴有高死亡率。C57BL/6j品系更易发生动脉粥样硬化,在14周的致动脉粥样硬化饮食后,形成高胆固醇血症(约200mg/dL)和分散的脂肪条纹病变。但是,这些病灶是典型的脂肪斑纹,位于主动脉根部,即使经过长期的动脉粥样硬化饮食(最长至12个月),也无法与人类状况相提并论。


经典的转基因小鼠模型:转基因技术的出现极大地支持了动脉粥样硬化动物模型的建立。 像饮食干预一样,大多数遗传操作都集中在破坏脂类代谢以增加促动脉粥样硬化脂蛋白(含apoB的脂蛋白)上。基于受体介导的载脂蛋白摄取,通过缺失载脂蛋白E(apoE)(即配体)或低密度脂蛋白受体(LDL受体)创建了两个潜在的模型。当前证据表明,> 95%的动脉粥样硬化研究基于载脂蛋白E缺乏(apoE-/-)或LDL受体缺乏(Ldlr-/-)。1992年,Plump和Zhang在动脉粥样硬化研究中使用胚胎干细胞的同源重组,分别基于C57BJ / 6小鼠生成了apoE-/-小鼠模型。饮食喂养的apoE-/-小鼠发展为轻度高胆固醇血症,伴有乳糜微粒残留和极低密度脂蛋白(VLDL)积累,并在近端主动脉自发形成脂肪条纹。高脂高胆固醇饮食(HFHC饮食)已被用于apoE-/模型动脉粥样硬化的研究。


1993年,Ishibashi 研发了Ldlr-/-小鼠模型。Ldlr-/-小鼠在主动脉根部形成动脉粥样斑块。根据Lichtman的报告,动脉粥样化饮食(无胆酸盐)引起大的病灶积聚,占整个主动脉表面积的31%。 然而,在低脂饮食下,Ldlr-/-小鼠即使在6个月后也只出现了最小的病变。,很明显,apoE-/-小鼠和Ldlr-/-小鼠在许多方面都存在差异。通常,apoE-/-小鼠比Ldlr-/-小鼠发生更严重的高脂血症。 已从源自apoE-/-和Ldlr-/-模型的遗传数据中确定了人类冠状动脉疾病的新基因。这两个经典模型已成为众多感兴趣的动脉粥样硬化易感基因型和杂合子的平台。如前所述,涉及基因功能的大量研究仅使用一种模型。 


小鼠动脉粥样硬化研究的局限性:众多的近交系和敲除模型构成了小鼠模型无可比拟的优势。然而,有几个方面需要仔细研究,尤其是影响直接推断小鼠临床前研究结果的因素,包括小鼠和人类之间脂质代谢、病变分布和进展的差异。一个关键的区别是小鼠的动脉粥样硬化病变的分布。 尽管在所有哺乳动物中都存在血液动力学特征,包括低切应力和涡流产生,但人与小鼠之间的解剖学表现部位不同。未经修饰的小鼠对动脉粥样硬化不敏感。相反,即使脂蛋白水平正常,人类也更容易发生动脉粥样硬化。


其他转基因小鼠模型:ApoE * 3-Leiden小鼠:为了克服经典小鼠模型中类人脂蛋白代谢的不足,在1990年代,创建了apoE * 3-Leiden小鼠。 apoE * 3-Leiden小鼠中非HDL脂蛋白的清除受到损害。与apoE-/-小鼠完全缺乏apoE相比,这种小鼠模型可以表达可检测水平的内源性apoE。与apoE-/-和Ldlr-/-小鼠的非生理性TC水平相比,apoE*3-Leiden小鼠可发生中度高脂血症并形成明确的病变。与人类CETP转基因小鼠杂交后,apoE * 3-Leiden.CETP小鼠表现出人源化的脂蛋白代谢,其特征是从HDL转变为VLDL / LDL分数升高,SR-B1介导的胆固醇外排减少以及严重的病变发展。与apoE-/-和Ldlr-/-小鼠相比,ApoE * -3Leiden.CETP是研究脂质代谢和RCT途径的首选模型。此外,apoE * -3Leiden.CETP是用于评估高脂血症和动脉粥样硬化药物治疗的公认模型。


复杂病变的小鼠模型:为了克服上述小鼠模型中较少报道的复杂病变的局限性,我们建立了具有重叠血栓形成、斑块破裂甚至心肌梗死的小鼠模型。HFHC饮食的Ldlr/apoE-dKO小鼠加上精神压力或缺氧,会出现冠状动脉病变、心肌瘢痕和心肌梗死指征,包括心电图改变和肌钙蛋白T水平升高。SR-B1 / apoE dKO小鼠脂蛋白代谢明显受损,可模拟冠心病患者。冠状动脉的血管造影和组织学分析表明,这些dKO小鼠的冠状动脉病变是严重的管腔闭塞,纤维蛋白沉积,出血和血栓形成的典型特征,导致自发性心肌梗塞和心脏功能障碍。


大鼠动脉粥样硬化模型:大鼠已被广泛用于生理和代谢研究。 除了小型啮齿动物的共同优势外,与小型小鼠相比,侵入性方法和样品收集在大鼠中更容易进行。


没有基因操作的大鼠模型:1939年,Anitschkow报道,饮食操纵既不会导致大鼠高胆固醇血症,也不会导致动脉粥样硬化。直到1950年代,研究表明,长期食用用含有胆酸盐,硫脲嘧啶和高水平脂肪和胆固醇的致动脉粥样硬化饮食,可能导致大鼠动脉粥样硬化进展和心肌梗塞,并伴有体重减轻和高死亡率。使用胆碱缺乏的饮食长达216天,只会导致冠状动脉内膜脂质沉积和内皮增生,类似于人类动脉粥样硬化早期病变。长期使用Thomas-Hartroft饮食(40%黄油、5%胆固醇和胆酸盐)对实验大鼠动脉粥样硬化病变的早期改变是必要的。

几种肥胖大鼠品系会出现高胰岛素血症,高脂血症以及血管和心肌功能障碍,特别是Zucker糖尿病脂肪(ZDF)大鼠和JCR:LA-cp品系。然而,观察到的心脏功能障碍似乎与动脉粥样硬化无关,而与ZDF品系的2型糖尿病的微血管并发症有关。JCR:LA-cp模型模拟代谢综合征患者糖尿病前期状态的临床前特征。


大鼠在动脉粥样硬化研究中的局限性:关于载脂蛋白的来源和内源性胆固醇的合成,大鼠和人类之间存在许多差异。大鼠肝脏胆固醇合成能力强。然而,在人类和其他物种(包括仓鼠和豚鼠)的肝外组织中合成了大量的TC。大鼠胚胎干细胞的操纵困难和非人类类脂蛋白代谢给大鼠在研究动脉粥样硬化和评估药物学方法方面的应用提出了挑战。


新兴的apoE-/-和Ldlr-/-大鼠模型:正如Sithu报道的那样,在日常饮食条件下,12周龄的Ldlr-/-大鼠的TC(约250 mg / dL)和TG含量(约150 mg / dL)增加,而apoB-100 / apoB- 比WT大鼠高48倍。即使在60周龄的大鼠中,也没有观察到明显的主动脉形成。高脂饮食(42%脂肪)诱导34-52周是主动脉病变形成的必要条件。对于apoE-/-大鼠,喂食Paigen饮食12周或HFHC饮食20周,apoE-/-大鼠可发展为高胆固醇血症,VLDL分数和apoB-48水平显著升高。然而,仅能观察到小的病变,约占整个主动脉的2.5%。当HFHC饮食延长至64周时,apoE-/-会发展为中度病变和动脉粥样斑块。建立了Ldlr / apoE dKO大鼠。 进食普通食物48周后,在腹主动脉中观察到明显的动脉粥样硬化斑块,脂质沉积增加。一项系统的比较显示,apoE-/-,Ldlr-/-和dKO大鼠在整个主动脉的动脉粥样硬化负荷方面没有差异。长期(64周)后,仅在dKO大鼠上观察到较大的病变(占总面积的30%)。对于动脉粥样硬化病变的形成,与小鼠相比,apoE-/-,Ldlr-/-和dKO大鼠需要更长的时间和更密集的HFHC饮食。像apoE-/-或Ldlr-/-小鼠这样的新型基因敲除大鼠模型能否在相对较短的时间内令人满意地引发动脉粥样硬化特征,仍需进一步研究。

图2.经典小鼠模型和新型啮齿动物模型之间的比较。

仓鼠动脉粥样硬化模型:没有基因操作的仓鼠模型:金黄地鼠是最早被用作动脉粥样硬化模型。1987年,Nistor证明,喂养高胆固醇饮食(3%胆固醇)可使血清胆固醇和低密度脂蛋白浓度分别提高到1000毫克/分升和400毫克/分升,,并且随着LDL / HDL比的增加而增加。10个月后,仓鼠出现了分散但严重的病变,类似于人类的胆固醇晶体沉积、钙沉积和坏死。这些病变导致30%的管腔阻塞。Bio-F1B仓鼠是通过两个高度自交系叙利亚金黄地鼠杂交繁殖而成的杂交品系。与金叙利亚地鼠相比,它们对高胆固醇饮食的反应最佳,对动脉粥样硬化的敏感性增加,并且非高密度脂蛋白含量也有较大程度的增加。以致动脉粥样硬化饮食(10%椰子油和0.3%胆固醇)喂养3周可导致严重的高脂血症,TC水平在700-2600mg/dL之间。


仓鼠在动脉粥样硬化研究中的优势:与小鼠和大鼠相比,仓鼠的脂质代谢与人类相似,包括合成,加工,配体结合和脂蛋白回收。


新型Ldlr-/-和LCAT-/-仓鼠模型:与小鼠和大鼠的脂质破坏模型相似,Liu及其同事使用CRISPR-Cas9技术生成了基因工程仓鼠模型,其敲除了LDL受体基因。这种仓鼠的遗传模型表现出与人类相似的动脉粥样硬化脂蛋白谱和病变。喂食HFHC饮食(0.5%胆固醇和15%猪油)2周,Ldlr-/ +仓鼠显示出较高的TC水平,VLDL / LDL分数急剧增加。 当用这种饮食再饲喂10周时,观察到主动脉病变明显增加。HFHC饮食再饲喂16周后,Ldlr-/ +仓鼠显示主动脉和冠状动脉的TC和动脉粥样硬化病变明显升高。在低脂饮食条件下,年龄较大的Ldlr-/-仓鼠(18月龄)自发发展为高胆固醇血症。 连续12周更频繁的HFHC饮食(20%黄油,3%胆固醇)会引起Ldlr-/-仓鼠严重的高胆固醇血症。除WT仓鼠外,LDL缺乏的仓鼠也用于药理学领域。


豚鼠动脉粥样硬化模型:没有基因操作的豚鼠模型:与其他啮齿动物相似,豚鼠的高胆固醇血症是由富含胆固醇和脂肪的饮食产生。豚鼠对不同的饮食干预,如SFA,可溶性纤维和大豆蛋白补充剂,碳水化合物限制饮食的反应与人类相似。与大鼠相比,豚鼠对于临床前模型中他汀类药物和与肌病相关药物的疗效的定性预测可能是理想的选择。


结论:小鼠模型为研究动脉粥样硬化的生物学基础提供了必要的平台。新技术和其他新兴啮齿类动物模型的出现有望为开发治疗方法和阐明动脉粥样硬化的机制提供思路。


原文出自:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0753332220306193#bib0785

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