張曉圓,郭成成,玉應(yīng)香,謝 嵐,常翠青
(北京大學(xué)第三醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究所, 北京 100191)
胰島素抵抗是肥胖及其相關(guān)疾病(如糖尿病、心血管疾病等慢性病)的重要發(fā)病基礎(chǔ),表現(xiàn)為外周組織對(duì)胰島素生理作用的反應(yīng)性降低或敏感性降低,使胰島素維持血糖穩(wěn)態(tài)的能力下降。目前的胰島素抵抗動(dòng)物模型研究有遺傳型、基因型和誘導(dǎo)型[1],胰島素抵抗除了與遺傳背景有關(guān)外,飲食不合理與運(yùn)動(dòng)缺乏與之密切相關(guān)。能量攝入過(guò)量、活動(dòng)消耗過(guò)少等造成的肥胖是產(chǎn)生胰島素抵抗的最主要因素。近年來(lái)肥胖率的迅速增長(zhǎng)表明其主要因素是環(huán)境和行為因素(如飲食、運(yùn)動(dòng)),而不是基因改變[2],因此,建立與成人肥胖胰島素抵抗相似的動(dòng)物模型,對(duì)研究相關(guān)疾病的病理生理、治療等具有重要作用。
高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖胰島素抵抗大鼠動(dòng)物模型在復(fù)制人類相關(guān)疾病的自然進(jìn)程、代謝特點(diǎn)方面有顯著優(yōu)勢(shì)[3],且較為經(jīng)濟(jì),但目前報(bào)道的肥胖胰島素抵抗大鼠模型條件不同,所需時(shí)間更是長(zhǎng)短不一,2~24周不等[4-11]。本研究旨在探討建立肥胖胰島素抵抗大鼠模型的適宜條件和時(shí)間。
選用5周齡Sprague-Dawley(SD)大鼠,雄性,清潔級(jí),體質(zhì)量150~170 g,共45只(購(gòu)自北京維通利華有限公司),實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生產(chǎn)許可證號(hào)SCXK(京)2016-0010,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用許可證號(hào)SYXK(京)2016-0041。本研究通過(guò)北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審批(LA2017002)。
普通飼料采用普通大鼠生長(zhǎng)繁殖飼料(北京科澳協(xié)力飼料有限公司),總能量為3.49 kcal/g;高脂飼料采用脂肪供能比為45%的高脂飼料(D12451,Research Diets,New Brunswick, NJ),總能量為4.7 kcal/g。
適應(yīng)性喂養(yǎng)1周后,按體質(zhì)量大小排序采用區(qū)組化隨機(jī)分組的方法將大鼠分為普通對(duì)照組(8只)和高脂飼料組(37只)。高脂飼料組給予高脂飼料喂養(yǎng),自由采食;對(duì)照組根據(jù)高脂飼料組的進(jìn)食量高值定量給予普通大鼠生長(zhǎng)繁殖飼料。大鼠自由飲水,每籠2只,飼養(yǎng)環(huán)境為無(wú)特定病原體(specific pathogen free,SPF)環(huán)境,恒溫恒濕,溫度(25±2)℃,濕度55%±10%,12 h光照-黑暗循環(huán),飼養(yǎng)周期為12周。
采用兩種方法分別判定肥胖(obesity, OB)和肥胖抵抗(obesity resistance,OR)大鼠,方法(1):高脂飼料喂養(yǎng)后體質(zhì)量高于對(duì)照組體質(zhì)量均值的10%為OB,否則為OR[12];方法(2):高脂喂養(yǎng)后體質(zhì)量從大到小排序處于上2/3的大鼠為OB,處于下1/3的大鼠為OR[13]。根據(jù)上述判定方法,剔除OR大鼠,篩選出OB大鼠。在OB大鼠中根據(jù)體質(zhì)量大小按隨機(jī)方法選取15只與對(duì)照組一起繼續(xù)喂養(yǎng)至12周。
每周在固定時(shí)間用分度值為0.1 g的秤稱量大鼠體質(zhì)量和進(jìn)食量各1次,經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)撒食量很少,因此計(jì)算每天每只大鼠進(jìn)食量(g)=(給食量-剩食量)/2(每籠兩只)。
在大鼠喂養(yǎng)4、8、12周末時(shí),隔夜禁食16 h后,通過(guò)灌胃給予50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))葡萄糖溶液2 g/kg(大鼠體質(zhì)量)。分別于灌胃前(0 min)和灌胃后15、30、60及120 min剪尾采血,用試紙條在血糖儀(ACCU-CHEK Advantage, Roche, DE)上測(cè)定血糖(glucose,GLU)。根據(jù)梯形公式計(jì)算曲線下面積(area under curve, AUC),AUC(min·mmol/L) = 7.5×GLU0 min+15.0×GLU15 min+22.5×GLU30 min+45.0×GLU60 min+30.0×GLU120 min。高脂飼料組的AUC高于對(duì)照組AUC均值的大鼠視為胰島素抵抗大鼠,據(jù)此計(jì)算成模率。
12周末,大鼠隔夜禁食16 h后通過(guò)灌胃給予50%葡萄糖溶液2 g/kg(大鼠體質(zhì)量)。分別于灌胃前(0 min)和灌胃后30、60及120 min時(shí)由內(nèi)眥取血,2 500 r/min離心15 min分離血清,采用大鼠胰島素試劑盒(Millipore, EZRMI-13K)檢測(cè)血清胰島素濃度。
12周末,腹腔注射戊巴比妥鈉麻醉后,股動(dòng)脈放血處死大鼠。開(kāi)腹依次取出肝臟、睪周脂肪和胰腺,取同一部位的部分組織放入10%(體積分?jǐn)?shù))甲醛溶液固定,后續(xù)進(jìn)行石蠟包埋、切片、HE染色觀察。采用Image Pro Plus 6.0軟件測(cè)量脂肪細(xì)胞面積、胰島面積,計(jì)數(shù)每個(gè)樣本10個(gè)10倍視野內(nèi)的胰島數(shù)目。脂肪細(xì)胞炎性浸潤(rùn)程度評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為:0分=無(wú),1分=輕微異常,2分=輕度異常,3分=中度異常,4分=重度異常。肝細(xì)胞脂肪變性程度根據(jù)非酒精性脂肪性肝病活動(dòng)度評(píng)分(nonalcoholic fatty liver disease active score,NAS)分為4度:F0,<5%肝細(xì)胞脂肪變性;F1,5%~30%肝細(xì)胞脂肪變性;F2,31%~50%肝細(xì)胞脂肪變性;F3,51%~75%肝細(xì)胞脂肪變性;F4,>75%肝細(xì)胞脂肪變性[14]。所有病理切片由同一位經(jīng)驗(yàn)豐富的病理科醫(yī)師在不知實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和動(dòng)物分組情況下進(jìn)行評(píng)分。
用SPSS 21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,兩組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),三組間比較采用單因素方差分析,并采用LSD法進(jìn)行兩兩比較;不符合正態(tài)分布的指標(biāo)以中位數(shù)(P25,P75)表示,兩組間比較采用獨(dú)立樣本Mann-WhitneyU秩和檢驗(yàn),P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
高脂飼料組大鼠每日進(jìn)食量均值為19.8 g/只(17.8~22.5 g/d),隨體質(zhì)量增長(zhǎng)進(jìn)食量無(wú)明顯變化,對(duì)照組根據(jù)高脂飼料組進(jìn)食量高值定量給食,兩組平均能量攝入分別為高脂飼料組93.06 kcal/d和對(duì)照組78.53 kcal/d(占高脂飼料組的84.4%)。
高脂喂養(yǎng)前,高脂飼料組的體質(zhì)量為(219.0±8.6) g,對(duì)照組的體質(zhì)量為(217.7±9.2) g;高脂飲食3周后,高脂飼料組的體質(zhì)量均值高于對(duì)照組14.5%(t=-2.229,P=0.032),4周后,高于對(duì)照組17.8%(t=-3.556,P=0.001)。剔除OR大鼠后,OB大鼠在4、8、12周末的體質(zhì)量分別高于對(duì)照組21.7%、30.4%和36.9%(P<0.001,圖1)。
高脂飼料喂養(yǎng)4周,按方法(1)篩選出OR大鼠8只[體質(zhì)量(394.6±18.3) g],OB大鼠29只[體質(zhì)量(463.4±32.9) g],OB大鼠體質(zhì)量高于對(duì)照組21.7%(t=5.580,P<0.001),高于OR大鼠17.4%(t=5.220,P<0.001),肥胖成模率為78.4%。按方法(2)篩選出12只OR大鼠[體質(zhì)量(403.8±20.0) g],OB大鼠25只[體質(zhì)量(470.0±30.6) g],OB大鼠體質(zhì)量高于對(duì)照組23.4%(t=6.386,P<0.001),高于OR大鼠16.4%(t=6.133,P<0.001),肥胖成模率67.6%。最終選擇方法(1)(高于對(duì)照組體質(zhì)量均值10%)篩選出OB大鼠,剔除OR大鼠(圖1)。
高脂飼料喂養(yǎng)4周后糖耐量出現(xiàn)異常,表現(xiàn)為OB大鼠120 min血糖高于對(duì)照組 27.5%(t=-3.849,P<0.001),AUC高于對(duì)照組 8.3%(t=-2.155,P=0.037),有胰島素抵抗表現(xiàn)的比例為79.3%。高脂喂養(yǎng)8周后,OB組60 min、120 min血糖分別高于對(duì)照組35.6%(t=6.330,P<0.001)和36.4%(t=6.996,P<0.001),AUC高于對(duì)照組21.7%(t=6.225,P<0.001),全部大鼠均出現(xiàn)胰島素抵抗。高脂喂養(yǎng)12周后,OB組60 min、120 min血糖分別高于對(duì)照組24.8%(t=4.088,P=0.001)和34.6%(t=6.212,P<0.001),AUC高于對(duì)照組16.1%(t=2.703,P=0.019),出現(xiàn)胰島素抵抗的比例為93.3%(圖2)。
高脂喂養(yǎng)4周時(shí),OR大鼠與對(duì)照組糖耐量差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,120 min血糖比對(duì)照組高 7.9%(t=-0.920,P=0.363),AUC比對(duì)照組高 2.5%(t=-0.467,P=0.643),比OB大鼠120 min血糖低18.2%(t=-2.940,P=0.005)。OR大鼠中出現(xiàn)胰島素抵抗的比例為37.5%(圖2A)。
高脂飼料喂養(yǎng)12周后,OB大鼠的血清胰島素水平升高,口服葡萄糖前(0 min)和口服葡萄糖后30、60、120 min血清胰島素水平分別高于對(duì)照組145.7%、49.5%、276.5%和528.3%。個(gè)體來(lái)看,100.0%的OB大鼠各個(gè)時(shí)間點(diǎn)血清胰島素水平均高于對(duì)照組大鼠的血清胰島素(圖3、表1)。
顯微鏡下顯示,與對(duì)照組大鼠相比,OB大鼠的脂肪細(xì)胞體積明顯變大、形態(tài)大小不一,8只OB大鼠中有7只大鼠脂肪細(xì)胞內(nèi)可見(jiàn)泡沫細(xì)胞浸潤(rùn);60%的肝細(xì)胞出現(xiàn)大小泡混合性脂肪變性,并有50%的大鼠(4/8只)出現(xiàn)少量單核淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)及點(diǎn)灶狀肝細(xì)胞壞死;胰腺可見(jiàn)胰島數(shù)目增多、大小不一、形態(tài)不規(guī)整,并有中等量單核淋巴細(xì)胞浸潤(rùn),毛細(xì)血管中度擴(kuò)張(圖4、表1)。
高脂飼料喂養(yǎng)12周后,OB組大鼠的內(nèi)臟脂肪比顯著增加,高于對(duì)照組168%(t=-7889,P<0.001);Lee’s指數(shù)高于對(duì)照組8%(t=-7.237,P<0.001);肝臟重量比對(duì)照組高10%(t=-2.486,P=0.027),腎臟重量與對(duì)照組無(wú)明顯差別;肝臟指數(shù)(t=4.565,P=0.001)和腎臟指數(shù)(t=0.635,P<0.001)顯著低于對(duì)照組(表2)。
使用脂肪供能比為45%的高脂飼料喂養(yǎng)6周齡SD大鼠4周后肥胖成模率為 78.4%,淘汰OR大鼠后,建立肥胖胰島素抵抗模型,4周時(shí)79.3% 的OB大鼠有胰島素抵抗表現(xiàn),8周時(shí)100.0%出現(xiàn)肥胖胰島素抵抗,12周時(shí) 93.3% 出現(xiàn)肥胖胰島素抵抗,100.0%大鼠出現(xiàn)血清胰島素水平升高。
表1 高脂飲食對(duì)大鼠脂肪、肝臟和胰島組織的病理影響[中位數(shù)(P25,P75)]
*P<0.05, **P<0.01, OB compared with CON. CON, control; OB, obesity.
表2 高脂飲食對(duì)大鼠Lee’s指數(shù)和臟器重量的影響
*P<0.05, OB compared with CON. CON, control; OB, obesity.
本研究使用脂肪供能比為45%的高脂飼料喂養(yǎng)6周齡SD大鼠,建立肥胖胰島素抵抗模型。SD大鼠是常用于誘導(dǎo)肥胖胰島素抵抗的大鼠,使用高脂飼料喂養(yǎng)很容易在短時(shí)間內(nèi)區(qū)分出肥胖易感和肥胖抵抗大鼠[7, 12, 15]。剛離乳大鼠在高脂飲食下的體質(zhì)量增長(zhǎng)較快[16],而中年或老年大鼠的體質(zhì)量增長(zhǎng)較慢,很難出現(xiàn)體質(zhì)量差異[10]。用于誘導(dǎo)肥胖模型的高脂飼料配方經(jīng)過(guò)了25年的發(fā)展變化,已形成更合理的脂肪含量(40%~50%脂肪供能比),在此基礎(chǔ)上添加蔗糖對(duì)糖代謝可產(chǎn)生更加嚴(yán)重的代謝紊亂[17];45%(D12451)脂肪供能比的高脂飼料比60%(D12492)脂肪供能比的高脂飼料含有更高的蔗糖(高于145%),更適合于建立肥胖和胰島素抵抗模型[18],且飼料不至于過(guò)于松軟,適口性更好。
關(guān)于OB和OR大鼠的判斷方法,目前常用的有普通飼料對(duì)照法和高脂飼料喂養(yǎng)后體質(zhì)量排隊(duì)剔除法,前者按照高脂飼料喂養(yǎng)組大鼠體質(zhì)量均值高于對(duì)照組10%為OB,否則為OR[12];后者是高脂飼料喂養(yǎng)后將體質(zhì)量從大到小排序,處于上2/3的大鼠為OB,處于下1/3的大鼠為OR[13]。本研究選用這兩種方法判定OB大鼠,結(jié)果顯示,方法(1)的成模率為78.4%,方法(2)為67.6%,篩選出的OB大鼠體質(zhì)量均值分別顯著高于對(duì)照組21.7%和23.4%。兩種方法篩選出的OB大鼠體質(zhì)量結(jié)果差異不大,均已經(jīng)超過(guò)對(duì)照組均值20%,所以本研究選用成模率高的方法(1),進(jìn)一步觀察肥胖胰島素抵抗的情況。
本研究發(fā)現(xiàn),高脂飼料喂養(yǎng)4周后 79.3% 的OB大鼠出現(xiàn)糖耐量降低,8~12周時(shí)糖耐量受損情況更加明顯(93.3%~100.0%的OB大鼠)。12周末胰島素釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,各點(diǎn)胰島素濃度均顯著升高,120 min時(shí)胰島素濃度達(dá)到對(duì)照組的 6.3倍,并可見(jiàn)內(nèi)臟脂肪升高,肝臟脂肪變性和炎性細(xì)胞浸潤(rùn),胰島增大,發(fā)生病理性改變。同時(shí),股動(dòng)脈取血在全自動(dòng)生化分析儀上采用酶法檢測(cè)空腹血漿葡萄糖水平顯著升高(數(shù)據(jù)未列出)。以往研究顯示,高脂飼料喂養(yǎng)大鼠2周時(shí)首先出現(xiàn)胰島素水平升高[9],4~8周時(shí)糖耐量降低,伴隨肥胖和胰島素敏感指數(shù)降低,胰島素鉗夾實(shí)驗(yàn)表明葡萄糖灌注率顯著降低[10],但空腹血糖一般無(wú)明顯降低[5]。將造模時(shí)間延長(zhǎng)至32周或10個(gè)月,空腹血糖僅有輕度的升高,且個(gè)體差異較大[19]。因此,胰島素抵抗的發(fā)生首先表現(xiàn)為胰島素水平升高,繼而高胰島素血癥更加顯著,并出現(xiàn)糖耐量受損,依次出現(xiàn)120 min、60 min血糖值升高,最終可加重為空腹血糖受損。
本研究12周時(shí)100.0%的OB大鼠各時(shí)間點(diǎn)的血清胰島素水平均高于對(duì)照組大鼠,說(shuō)明12周時(shí)存在高胰島素血癥,而OGTT結(jié)果只有93.3%出現(xiàn)肥胖胰島素抵抗表現(xiàn)。4、8和12周時(shí)對(duì)照組和OB組的AUC結(jié)果有下降趨勢(shì),可能是因?yàn)镺GTT測(cè)試時(shí)使用血糖儀和試紙快速測(cè)血糖的方法存在系統(tǒng)誤差。因此,建議將測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)化,如每次測(cè)試前校準(zhǔn)血糖儀、前后盡量由同一人操作等,確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確一致。本研究中胰島素釋放曲線出現(xiàn)了雙峰和120 min時(shí)分泌延遲升高,組織病理檢查發(fā)現(xiàn)胰島有代償性增生、體積增大,表明可能出現(xiàn)了胰島素的代償性過(guò)度釋放。
有研究顯示,建立肥胖模型需要7~9個(gè)月[20]。本研究通過(guò)定量給對(duì)照組飼料、剔除OR大鼠,4周時(shí)建立OB大鼠模型。當(dāng)OB大鼠的OGTT顯示明顯的糖耐量下降、胰島素釋放實(shí)驗(yàn)顯示各時(shí)間點(diǎn)胰島素水平顯著升高、個(gè)體的AUC-OGTT高于對(duì)照組AUC-OGTT均值者,即可判定肥胖胰島素抵抗模型建立。這一過(guò)程并不需要過(guò)長(zhǎng)的造模周期,4周80%左右出現(xiàn)肥胖胰島素抵抗,8~12周可建立穩(wěn)定的胰島素抵抗模型。
本研究還發(fā)現(xiàn),高脂飼料喂養(yǎng)的OR大鼠4周末也有37.5%出現(xiàn)糖耐量降低,表明高脂飼料本身即可誘發(fā)胰島素抵抗。而OB大鼠更容易產(chǎn)生胰島素抵抗,肥胖是獨(dú)立于高脂飼料的一個(gè)胰島素抵抗的顯著誘發(fā)因素[15]。肥胖是一種低度慢性炎癥狀態(tài)[21],脂肪組織分泌促炎細(xì)胞因子,如腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α, TNFα)、C反應(yīng)蛋白、白介素-6等,最終誘發(fā)慢性炎癥[22],因此,脂肪細(xì)胞、肝細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)了肥胖引起的炎性浸潤(rùn)。TNFα對(duì)胰島素信號(hào)傳導(dǎo)有負(fù)調(diào)節(jié)作用,是聯(lián)系肥胖和胰島素抵抗的關(guān)鍵[23]。同時(shí),肥胖會(huì)使脂肪組織巨噬細(xì)胞類型從M2型激活為M1型,導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子以及活性氧水平升高,誘導(dǎo)胰島素抵抗[24]。
值得注意的是,因高脂飼料造模時(shí)間長(zhǎng),且高脂飼料易導(dǎo)致進(jìn)食量減少、腸脹氣等問(wèn)題,進(jìn)而可能引起動(dòng)物抵抗力下降、易患病。因此,使用高脂飼料建立肥胖胰島素抵抗模型對(duì)飼養(yǎng)環(huán)境、動(dòng)物質(zhì)量、飼料質(zhì)量及喂養(yǎng)等條件要求較高,應(yīng)引起足夠的重視。
本研究在造模期間,先后3批大鼠以高脂飲食喂養(yǎng)2~3周時(shí),個(gè)別大鼠開(kāi)始出現(xiàn)輕微氣喘,隨后陸續(xù)出現(xiàn)多只大鼠發(fā)病,氣喘癥狀逐漸加重。發(fā)病后大鼠進(jìn)食量下降、體質(zhì)量減輕,解剖發(fā)現(xiàn)肺部出現(xiàn)散在出血點(diǎn)或纖維樣實(shí)變,組織病理顯示支氣管周圍、肺泡腔內(nèi)有淋巴細(xì)胞和中性粒細(xì)胞彌漫浸潤(rùn),支氣管腔內(nèi)積膿。多數(shù)大鼠發(fā)病2~4周后癥狀逐漸好轉(zhuǎn)至消失,體質(zhì)量和進(jìn)食量恢復(fù)正常,但也有個(gè)別大鼠死亡,出現(xiàn)類似癥狀時(shí)應(yīng)盡快隔離病鼠避免傳染。究其原因,應(yīng)注意在真實(shí)的SPF級(jí)環(huán)境飼養(yǎng),確保飼養(yǎng)條件合格的基礎(chǔ)上嚴(yán)控各項(xiàng)條件。
同樣,飼料衛(wèi)生安全問(wèn)題應(yīng)引起重視。本研究第一批動(dòng)物采用國(guó)內(nèi)著名飼料公司生產(chǎn)的高脂飼料,因鎘超標(biāo)10倍以上,導(dǎo)致70多只大鼠先后死亡。為避免這種問(wèn)題,購(gòu)買(mǎi)飼料時(shí)應(yīng)索要飼料質(zhì)量和衛(wèi)生檢測(cè)報(bào)告。此外,高脂飼料易氧化變質(zhì),應(yīng)在低溫條件下保存,并按需每日給食,保證飼料新鮮。因肥胖大鼠后期體質(zhì)量較大,盡量單籠飼養(yǎng)或每籠兩只,以保證足夠的活動(dòng)空間。
本研究因4周和8周時(shí)取血量較少,沒(méi)有測(cè)定胰島素,為了更充分地判定胰島素抵抗情況,應(yīng)測(cè)定胰島素及做胰島素耐量實(shí)驗(yàn)。由于觀察時(shí)間較短,高脂飼料喂養(yǎng)超過(guò)12周后胰島素抵抗表現(xiàn)如何需要喂養(yǎng)更長(zhǎng)時(shí)間觀察。目前有關(guān)建立肥胖胰島素抵抗模型的研究條件和判斷標(biāo)準(zhǔn)紛繁不一,需要有更加系統(tǒng)和全面的研究確立一套建模的標(biāo)準(zhǔn)程序和方法。
北京大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)2020年3期