應(yīng)用嚙齒類動(dòng)物建立妊娠期糖尿病模型的研究進(jìn)展

刁天，賀斌

(1.國(guó)家衛(wèi)生健康委科學(xué)技術(shù)研究所，國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)生殖健康工程技術(shù)研究中心，北京 100081；2.北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院研究生院，北京 100730)

妊娠期糖尿病(GDM)是指在妊娠中期或晚期被診斷的糖尿病，在妊娠前不存在明顯的糖尿病[1]。GDM發(fā)病原因十分復(fù)雜，涉及肥胖、晚育、既往GDM史、Ⅱ型糖尿病家族史、種族背景等多種風(fēng)險(xiǎn)因素[2-4]。目前在世界范圍內(nèi)，衛(wèi)生保健專業(yè)人員對(duì)其篩查方法缺乏一定的共識(shí)[5]。GDM會(huì)對(duì)母親和發(fā)育中的胎兒造成短期和長(zhǎng)期的不良健康后果[6]，首先，宮內(nèi)的高糖環(huán)境容易導(dǎo)致巨大兒的出生[7]；其次，母親在以后的生活中患Ⅱ型糖尿病(T2DM)的可能性會(huì)極大升高[8-9]。此外，GDM母親的后代在兒童期、青春期及成年后出現(xiàn)不良代謝表型的風(fēng)險(xiǎn)增加[10-11]。GDM帶來(lái)的不良影響在增加臨床上醫(yī)療負(fù)擔(dān)的同時(shí)，也嚴(yán)重影響了母嬰在以后生活中的生活質(zhì)量。

目前，我們對(duì)于這一妊娠期最常見的并發(fā)癥的發(fā)病原因、發(fā)病機(jī)制及其不良后果的發(fā)生機(jī)制知之甚少，因此一個(gè)完善的建模策略顯得尤為重要。已經(jīng)有人對(duì)GDM的4種經(jīng)典建模策略進(jìn)行過(guò)相關(guān)綜述[12-13]，然而這幾種方法均不能完全重現(xiàn)GDM的主要特征，因此也限制了它們的應(yīng)用。近十幾年來(lái)陸續(xù)有人對(duì)GDM的建模策略進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出了一些更加契合臨床實(shí)際的GDM模型，如高脂飲食聯(lián)合藥物誘導(dǎo)建模[14]，并逐漸成為GDM最常用的建模策略。本文將對(duì)GDM建模策略(以嚙齒類動(dòng)物為主)的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)性綜述，并簡(jiǎn)要評(píng)價(jià)每種建模策略的優(yōu)缺點(diǎn)及適于研究的問(wèn)題。

一、GDM經(jīng)典建模策略

1.胰腺切除手術(shù)建模：胰腺切除被認(rèn)為是誘發(fā)糖尿病最直接有效的方法，胰腺切除術(shù)包括全部和部分胰腺切除術(shù)(Partial pancreatectomy，Ppx)。最初的胰腺切除手術(shù)多應(yīng)用于體型較大的哺乳動(dòng)物，如犬類、豬和綿羊等[12]。盡管在嚙齒類動(dòng)物中的應(yīng)用較少，但有兩項(xiàng)早期研究應(yīng)用Ppx誘導(dǎo)出了與GDM妊娠狀態(tài)相匹配的大鼠糖尿病模型[15-16]。

對(duì)嚙齒類動(dòng)物應(yīng)用此建模方法的優(yōu)點(diǎn)是建模周期短、血糖升高明顯，且對(duì)妊娠率幾乎無(wú)影響。但胰腺切除手術(shù)需要專業(yè)的解剖知識(shí)來(lái)識(shí)別胰腺組織并進(jìn)行切除，操作比較復(fù)雜且給動(dòng)物帶來(lái)了額外的創(chuàng)傷；其次，術(shù)后由于胰腺組織的代償性恢復(fù)會(huì)導(dǎo)致炎癥因子、表皮生長(zhǎng)因子的上調(diào)等出現(xiàn)與GDM模型無(wú)關(guān)的癥狀。因此胰腺切除手術(shù)建模策略更適合用于研究妊娠期高糖狀態(tài)對(duì)子宮、胎盤及胎兒的影響。

2.藥物誘導(dǎo)建模：藥物誘導(dǎo)建立GDM模型是一種比較常用的建模方法，常用的兩種藥物為鏈脲佐菌素(Streptozotocin，STZ)和四氧嘧啶(Alloxan)，它們均可特異性破壞胰島β細(xì)胞，從而誘導(dǎo)高血糖狀態(tài)，其中STZ更為常用。應(yīng)用STZ建模時(shí)，給藥劑量并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大鼠的給藥劑量范圍是25～60 mg/kg[17-22]。給藥方法為腹腔注射[17]、靜脈注射[18]和皮下注射[19]等。在給藥前多對(duì)大鼠禁食8～14 h，以便達(dá)到更好的效果。給藥時(shí)間也沒(méi)有確切的標(biāo)準(zhǔn)，有的在交配前一周給藥[18]；有的在交配成功當(dāng)天，即妊娠期第0天(GD0)給藥[17]。有的研究為了更加契合人類GDM發(fā)生在妊娠中后期的特點(diǎn)，在GD4[20]、GD7[21]、GD10[22]、GD12[19]等給藥；給藥次數(shù)多為單次給藥。

藥物誘導(dǎo)建模因其操作方便、建模周期短等優(yōu)勢(shì)被廣泛用于建立各類糖尿病模型。然而藥物誘導(dǎo)建模會(huì)在短期內(nèi)造成實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的永久性高血糖，這與GDM的主要特征是不符的。其次，藥物導(dǎo)致胰島β細(xì)胞的廣泛破壞，使模型循環(huán)胰島素水平降低，這也是與人GDM伴隨高胰島素血癥這一特征不符。另外，STZ已被證明可以穿過(guò)胎盤并對(duì)胚胎有毒性作用[23]，因此在研究GDM對(duì)胚胎發(fā)育的影響時(shí)，給藥時(shí)間越早越好，但妊娠前給藥可能會(huì)對(duì)交配行為產(chǎn)生不利影響。此外，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在給予STZ后，孕期體重增量會(huì)低于對(duì)照組[24]，這對(duì)于建模會(huì)產(chǎn)生一定的干擾。由此看來(lái)STZ等直接破壞胰島β細(xì)胞并造成永久性損傷的藥物并不能很好的模擬GDM表型，因此也僅適用于研究妊娠期高糖狀態(tài)對(duì)子宮、胎盤及胎兒影響。

3.飲食誘導(dǎo)建模：飲食誘導(dǎo)也是一種比較常用的GDM建模策略。常用的飲食方式為高脂飲食和高脂高蔗糖飲食，也有一些表觀遺傳學(xué)研究使用的是低蛋白飲食[25-26]。通常在交配前給予實(shí)驗(yàn)動(dòng)物4～5周的高熱量飲食，導(dǎo)致大鼠產(chǎn)生肥胖等表型，且在整個(gè)妊娠期間維持特殊飼料。多數(shù)動(dòng)物在經(jīng)過(guò)4～5周的高脂飲食后通常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)肥胖且輕微胰島素抵抗的內(nèi)環(huán)境。

這類建模方法的優(yōu)點(diǎn)是建模過(guò)程比較溫和，符合GDM的發(fā)展特點(diǎn)，且合并了肥胖這一GDM最大的危險(xiǎn)因素，可用于研究GDM的發(fā)病機(jī)制及肥胖在GDM發(fā)生發(fā)展中的作用。但幾乎所有的飲食誘導(dǎo)建模方法在整個(gè)妊娠期間都沒(méi)有出現(xiàn)高血糖的癥狀[26]，因此實(shí)質(zhì)上這類模型更適用于研究肥胖對(duì)妊娠的影響。

4.基因編輯及轉(zhuǎn)基因技術(shù)建模：一直以來(lái)基因編輯及轉(zhuǎn)基因技術(shù)在建立動(dòng)物模型上的應(yīng)用都是十分廣泛的，且遺傳因素本身即為GDM的一個(gè)重要的危險(xiǎn)因素[2]。隨著對(duì)GDM發(fā)病機(jī)制的探索，一些針對(duì)GDM的突變體小鼠模型逐漸被開發(fā)出來(lái)。如最常用的瘦素受體(ObR)雜合子突變體小鼠(db/+)，這類小鼠在非妊娠狀態(tài)下葡萄糖穩(wěn)態(tài)沒(méi)有異常，而在懷孕期間顯示出肥胖、胰島素抵抗和輕微的葡萄糖不耐受，并在妊娠后恢復(fù)正常[27]。此外還有催乳素受體雜合子突變體小鼠(PrlR+/-)[28]、5-羥色胺(血清素)受體2B(5Htr2b)純合子突變體小鼠(Htr2b-/-)[29]等，都是良好的GDM模型。

突變體小鼠不僅是良好的GDM模型，同時(shí)也是驗(yàn)證GDM發(fā)病機(jī)制中遺傳因素作用的重要手段。雖然應(yīng)用基因敲除等技術(shù)已經(jīng)構(gòu)建出了多種成熟的GDM品系鼠[28-30]，為了解可能影響疾病發(fā)展的途徑提供了重要的線索，但GDM是由環(huán)境和多基因因素之間復(fù)雜的相互作用所導(dǎo)致的表型，因此這類單基因突變小鼠模型在使用上具有一定的限制，多被應(yīng)用于檢測(cè)GDM的治療效果。

二、新的GDM建模策略

1.飲食合并藥物誘導(dǎo)建模：高熱量飲食合并小劑量STZ注射(25 mg/kg)是Ⅱ型糖尿病最常用的建模方法。近年來(lái)，這種建模方法被應(yīng)用到GDM的建模中，并取得了較好的效果。該方法通常在妊娠前給予動(dòng)物2～5周的高熱量飲食并在妊娠期給予小劑量STZ，通常為25 mg/kg[14，30-32]，也有研究給予35 mg/kg[33]。在給予小劑量STZ后，血糖升高，這彌補(bǔ)了單純高熱量飲食無(wú)法誘導(dǎo)出明顯的血糖升高這一不足。

目前這種建模方式因同時(shí)誘導(dǎo)了肥胖、高脂血癥、妊娠期高血糖及糖耐量異常等人GDM最主要的特征，已經(jīng)成為除基因編輯技術(shù)外GDM最常用的建模策略。但由于妊娠后的高血糖表型仍不是自發(fā)產(chǎn)生，因此不能用于研究GDM的具體發(fā)病機(jī)制。其次，即使是給予小劑量STZ，由于個(gè)體對(duì)STZ的敏感性差異性及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的肥胖，有一部分實(shí)驗(yàn)動(dòng)物仍會(huì)出現(xiàn)血糖過(guò)高的狀況，導(dǎo)致建模失敗。因此，該模型仍然只適用于研究GDM對(duì)妊娠的影響。

2.新型藥物應(yīng)用于GDM建模：De Sousa等[34]使用胰島素受體拮抗劑S961進(jìn)行GDM建模，該拮抗劑已被證明可在嚙齒動(dòng)物中誘發(fā)Ⅱ型糖尿病的特征。該研究發(fā)現(xiàn)從妊娠第7天開始，每日注射S961會(huì)增加孕婦的空腹血糖和葡萄糖不耐受，且該模型動(dòng)物在分娩后不久就恢復(fù)了正常血糖，很大程度上模擬了人類GDM的主要特征。此外，Cieniewicz等[35]的研究發(fā)現(xiàn)了一種新的單克隆抗體IRAB-B(一種特異性的強(qiáng)效胰島素受體拮抗劑)，似乎是產(chǎn)生急性和慢性胰島素抵抗的一個(gè)強(qiáng)有力的工具，且與S961相比，IRAB-B可以誘發(fā)更嚴(yán)重的高胰島素血癥，因此這種藥物同樣可以應(yīng)用于GDM的建模。

開發(fā)新型促胰島素抵抗以及升血糖藥物應(yīng)用于GDM建模，可以更好地模擬人GDM的主要特征。其缺點(diǎn)在于藥物帶來(lái)的副作用可能對(duì)建模產(chǎn)生干擾。雖然仍只適用于研究高糖對(duì)妊娠的影響，但與STZ相比，新型藥物誘導(dǎo)出的GDM模型血糖升高將更加溫和且穩(wěn)定。

3.其他聯(lián)合應(yīng)用兩種及以上建模方法的建模策略：為了建立更符合人GDM特征的模型，常常需要綜合運(yùn)用多種干預(yù)手段進(jìn)行建模。早在1993年，Ryan等[36]利用藥物誘導(dǎo)合并手術(shù)移植胰島的方法成功建成了在妊娠期間血糖水平適度升高且穩(wěn)定的GDM模型。2016年，Abdul Aziz等[37]在大鼠妊娠第0天進(jìn)行STZ(35 mg/kg)和煙酰胺(NA)注射(NA在給予STZ前15 min注射，劑量為120 mg/kg)，然后給予動(dòng)物高脂高蔗糖飲食并對(duì)動(dòng)物的睡眠進(jìn)行干預(yù)。在多種因素的干預(yù)下，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物出現(xiàn)高血糖、胰島素抵抗、血脂異常以及抗氧化狀態(tài)異常等多種人GDM的特征。

由于GDM的發(fā)病原因本身涉及多種因素，因此綜合應(yīng)用多種干預(yù)手段建立的GDM模型可能更加符合臨床實(shí)際情況，既可以用于研究GDM對(duì)妊娠的影響，又可以用于研究GDM的發(fā)病原因。

各類建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用于研究的問(wèn)題總結(jié)詳見表1。

表1 各類建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適于研究的問(wèn)題

三、總結(jié)與展望

通過(guò)以上綜述我們能夠發(fā)現(xiàn)，目前的GDM建模策略大多僅適用于研究高糖環(huán)境對(duì)妊娠的影響，而不適用于研究GDM本身的發(fā)病機(jī)制等，但與經(jīng)典建模策略相比較，幾種新開發(fā)的GDM建模策略能夠更加真實(shí)地模擬人GDM的情況。

隨著對(duì)GDM發(fā)病機(jī)制的探索，建立在關(guān)鍵信號(hào)傳導(dǎo)通路及其受體上的基因編輯突變體小鼠GDM模型將會(huì)被陸續(xù)開發(fā)出來(lái)；將新型促胰島素抵抗以及升血糖藥物用于GDM建模也是一個(gè)值得探究的方向。另外，隨著近幾年對(duì)GDM患者腸道菌群改變的研究[38]，利用腸道菌群進(jìn)行GDM建模也是一個(gè)值得研究的方向。果糖在誘導(dǎo)胰島素抵抗方面比蔗糖更有優(yōu)勢(shì)，且高果糖飲食或高果糖飲水已經(jīng)成為飲食誘導(dǎo)雌性大鼠代謝綜合征最常用的建模方法[39-40]，將其應(yīng)用于GDM建?？赡軙?huì)比高脂飲食等達(dá)到更好的效果。但GDM的發(fā)病原因十分復(fù)雜，因此綜合了多種干預(yù)因素的聯(lián)合應(yīng)用建模策略可以更好地模擬GDM的真實(shí)情況，值得進(jìn)一步探索。