主垦量丛堕坠壅查 1l38 至!旦箜 !鲞筮!塑 !!!!P!!塑! !P !! ! : ! !: !:! Published online WWW.wanfangdate.com.cn doi:10.3969/i.issn.1006.7l08.2015.09.025 ・综述・ 肾性骨病动物模型的研究进展 刘金鑫张岩 200093 上海理工大学系统生物医学研究中心,上海中图分类号:R68 文献标识码:A 文章编号:1006—7108(2015)09—1138-05 摘要:慢性肾脏病(CKD)发病率高,防治率低,成为又一个威胁人类健康的重要疾病。肾性骨营养不良(ROD)是CKD主要 并发症之一。合适的ROD动物模型对研究ROD乃至CKD的病理机制及药物防治尤为重要。本文综述了由手术法、化学法、 辐射法等致ROD的动物模型研究进展,并通过对各种动物模型的比较与评价,为今后临床前基础研究中ROD动物模型的选 择提供一些理论依据。 关键词:慢性肾脏病;肾性骨病;动物模型 Research progress in animal models of renal Osteodystrophy LIU Jinxin.ZHANG Yan Center for System Biomedical Sciences,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China Corresponding author:ZHANG Yan,Email:medicineyan@aliyun.com Abstract:Chronic kidney disease(CKD)becomes one of the most vital diseases threatening human health.CKD is clinically characterized by increased morbidity and limited preventive measures.Renal osteodystrophy(ROD)is one of the major complications of CKD.An appropriate animal model for ROD appears to be very important for studying the pathological mechanisms and preventive drugs for ROD,even for CKD.This paper reviews the research progress on animal models for ROD induced by surgery,chemicals,or iradiation.The comparison and evaluation of the animal models provides theoretical evidence for the selection of ROD animal models in the pre—clinical basic study. Key words:Chronic kidney disease;Renal 0steOdystrophy;Animal model 慢性肾脏疾病(CKD)是当前世界上的公共健 CKD患者发病和死亡的重要因素之一 。 目前,CKD最主要的治疗目标是控制并发症和 延缓疾病进展,避免进入尿毒症期。然而,当前还没 有先进的技术能让我们从非侵入的方法来准确判断 ROD的类型0 ,也没有开发出具有良好疗效的药 康问题之一,由于其发病率高,防治率低,已成为继 心脑血管病、肿瘤、糖尿病之后的又一个威胁人类健 康的重要疾病。。肾性骨营养不良(ROD),又称肾性 骨病,是慢性肾脏疾病的主要并发症之一¨ 。ROD 始于CKD早期,伴随CKD的进程,发病率越来越 高。临床研究发现,当肾小球滤过率(GRF)<50% 时,有一半患者出现肾性骨病,而当进入慢性肾脏病 终末期(ESRD)时,几乎所有的患者都出现了肾性 骨病 。ROD临床表现为钙、磷代谢障碍,酸碱平 物,因此,我们需要进一步深入对CKD及ROD的研 究。合适的类似于人类发病和病理变化的慢性肾脏 疾病动物模型是研究此病及其并发症的关键,并将 为临床有效新药的筛选提供实验对象。本文综述了 相关动物模型的制备方法、应用及研究现状。 衡失调,骨骼畸形并可引起继发性甲状旁腺功能亢 进,骨骼异常,表现为骨质疏松、骨软化、纤维囊性骨 炎、骨硬化及转移性钙化 。这些复杂症状严重影 1 手术法 手术法是指通过对模型动物的肾脏进行一定的 切除或破坏,对肾脏造成不同程度的损伤,进而诱导 响了患者的生活质量,因此ROD被认为是引起 形成慢性肾脏疾病,其主要包括以下几种形式:肾大 部切除法、肾部分切除加高磷膳食诱导法、电烙术法 十通讯作者:张岩,Email:medicineyan@aliyun.corn 和单侧输尿管结扎法。 中国骨质疏松杂志2015年9月第21卷第9期Chin J O 1.1 肾大部切除法 肾性骨病主要是由于肾单位进行性减少,肾功 能进行性下降造成的。部分肾切除可以机械性的减 少肾单位,并引发大鼠的肾功能恶化及生理指标的 变化 ,从而逐步发展成ROD。 氧嘧啶酚(Dpd)显著升高,骨病理改变与人类肾性 骨病相似。关等 将此模型用于ROD药物防治的 筛选试验,取得了理想的效果。Neven等 采用5/ 6肾切除加高磷饮食法。手术完成后2周,开始给 予高磷饮食(1.03%磷),术后饲养8周,与正常饮 关于肾脏疾病的动物研究首次公开发表于 1889年,许多研究者通过对多种动物的肾脏进行2/ 食组相比,高磷饮食组大鼠出现低尿钙,胫骨中 Ca“、Mg 浓度均降低,并且破骨细胞增殖率大于 3或3/4切除手术来制备肾脏疾病模型 。随后, Chauntin等 在1932年提出了一种5/6肾脏切除 的老鼠模型,也就是今天我们所说的肾大部切除法。 这种方法多用于大鼠,手术分两步完成:第一步是剪 开大鼠一侧或腹部的皮肤,在无菌条件下切除一侧 肾脏的2/3;第二步是在大鼠休养1~2周后,按之 前的方法切除另一侧的整个肾脏,两次手术共计切 除5/6的肾脏。造模成功后,可以发现大鼠的体重 明显下降,进食和活动量均减少。术后1周血尿素 氮(BUN)、血肌酐(Scr)升高,4周后就开始进入肾 衰期,随着肾功能的恶化,BUN和Scr会进一步升 高,并出现高磷(P)、低钙(Ca)、高甲状旁腺激素 (PTH)血症以及骨矿化物含量下降,而PTH升高则 会引起肾性骨营养不良、无菌性骨坏死等一系列骨 病。 肾大部切除动物模型是经典而成熟的CKD模 型,主要应用于慢性肾衰疾病的病理机制的研究。 随着对CKD的深入了解,学者们也将此模型用于评 价分析因肾损伤而引起的骨组织的变化。 Yamaguchi等 采用此方法发现,狨猴股骨在5/6 肾切除后骨矿化代谢异常。术后13周,模型组甲状 旁腺增生,PTH、BUN、Scr水平显著升高,骨代谢指 标碱性磷酸酶(ALP)活性增强,骨小梁、骨髓细胞减 少,骨吸收量、骨矿化量减少,骨形成率降低。此外, 1wasaki等对大鼠先行去甲状腺手术(TPTx),再结合 5/6肾脏切除,发现与TPTx组相比,CKD动物皮质 骨的矿物质含量/基质比、Ca/P比、吡啶交联/基质 比等参数发生明显变化,而这些化学成分的变化是 引起皮质骨力学性能下降的主要原因¨ 。 1.2 肾部分切除加高磷饮食法 肾部分切除加高磷饮食主要是在3/4或5/6肾 切除后配以高磷饮食。周等 在切除大鼠1/2左 肾1周后,将右肾动脉结扎(机能切除),2次手术完 成后1周,给予高磷饮水,平均每只大鼠每日饮人 0.5gNaH:PO (相当于0.14g磷)。术后饲养6月, 发现模型组血BUN、Scr、P、PTH进行性升高,血Ca 进行性降低,骨代谢指标ALP、骨钙素(BGP)、尿脱 成骨细胞,类质骨面积明显增加,骨小梁数量减少, 骨吸收大于骨形成;与术前相比,血清中Mg“、PTH 水平升高,ca“浓度降低。 1.3电烙术法 电烙术法是采用针形电灼烧器灼烧小鼠肾脏表 皮,破坏。肾功能,从而诱发形成CKD。此法是 Gagnon等¨ 于1983年在研究尿毒症时设计的 CKD动物模型。将小鼠麻醉后,从背部一侧切口约 0.8 cm,暴露肾脏,剥离周围脂肪组织和肾包膜,用 电灼器电凝肾表皮,深度约1 mm,保留距肾门周围 2 mm的皮质部分不受烧灼,操作全过程不超过10 min,休息一周后,切除另一侧的肾脏。若造模成功, 小鼠在术后2周出现贫血,血清中BUN、Scr水平上 升,尿量及尿蛋白量增加,并出现甲状旁腺机能亢 进。 Lund等¨ 针对此动物模型的研究,除发现模 型组小鼠的BUN、PTH水平升高,产生继发性甲状 旁腺功能亢进外,通过骨组织形态分析,发现其股骨 有明显的骨营养不良表征,包括成骨细胞数量、面积 均减少,骨形成率、骨矿化沉积率降低,骨密度下降、 骨小梁周围纤维化严重、骨髓腔增大,并由纤维化细 胞填充等。Davies等¨ 将此模型制备方法用于低 密度脂蛋白受体基因敲除(LDLR一/一)的小鼠,研 究发现,在喂予高脂食物的小鼠中,股骨远端松质骨 的矿物沉积率明显降低,成骨细胞减少,骨形成减 缓,逐步演化成低转化型骨营养不良。 1.4单侧输尿管结扎术 肾间质纤维化是各种原因导致肾小管间质损伤 病变的最终结果,而肾间质纤维化是导致终末期肾 衰竭的主要原因之一 。单侧输尿管结扎术 (UUO)是一种制备肾纤维化简便、有效、快捷的手 术方式。将小鼠麻醉后,选择一侧并依次切开皮肤 至腹膜,然后游离肾脏及输尿管,将输尿管用丝线结 扎,逐步缝合。动物行UUO手术后,肾脏尿液积聚, 引起肾间质压力日益增加,导致肾脏损伤。术后3 天,通过病理组织检测可以发现肾小管进行性萎缩, 间质水肿伴有逐渐加重的淋巴细胞;2周后,肾皮质 中国骨质疏松杂志2015年9月第2】卷第9期Chin J Osteoporos,September 2015,Vol 21,No.9 区有弥漫性炎症细胞浸润,间质面积进一步增宽,可 见大量的纤维组织增生 。因此,在UUO手术法 建立的肾间质纤维化动物模型的基础上,根据病情 的发展,可以进一步作为终末期肾脏疾病及其并发 症的动物模型,加以研究分析。 Zhang等 研究发现,肾间质纤维化会导致肾 脏维生素D代谢酶及钙转运蛋白含量的改变,从而 可能引起维生素D内分泌系统和骨代谢的异常。 Gu等 的研究证实了以上猜测,结果显示,UUO小 鼠胫骨近端软骨细胞区膨胀,类骨质减少,骨小梁连 接减少;继续研究UUO小鼠骨代谢相关分子的 变化,发现促骨形成因子Cbfal、1型胶原(Type 1 collagen)表达量下降,骨吸收因子组织蛋白酶K (CtsK)、碳酸酐酶II(CalI)表达量升高。值得注意 的是,通过对骨组织肾素一血管紧张素系统(RAS)组 分的检测,发现RAS活性升高在UUO小鼠骨损伤 进程中扮演重要角色。 2 化学法 化学法一般是指依据各种肾毒性药物的肾损伤 原理,诱发形成慢性肾脏疾病的方法。这些肾毒性 药物主要包括:腺嘌呤、丙基硫氧嘧啶等。 2.1腺嘌呤 腺嘌呤直接损伤肾小球上皮细胞,破坏肾小球 滤过膜,导致肾小球滤过膜的分子屏障和电荷屏障 功能降低,大量血浆蛋白,尤其是白蛋白进入原尿, 超过了肾小管的重吸收能力而产生大量蛋白尿 。 高浓度腺嘌呤通过黄嘌呤氧化酶的作用生成极难溶 于水的2,8-二羟基腺嘌呤,沉积在肾小管,影响了 氮质化合物的排泄,导致高氮血症、毒素蓄积及电解 质、氨基酸代谢紊乱,最终引起肾功能衰竭 。 腺嘌呤摄食致肾损伤的动物模型由Yokozawa 等 于1982年首次报道。使用含0.75%腺嘌呤饲 料喂养大鼠,2周后测得血清BUN、Scr水平升高,电 解质代谢紊乱。随着进食日数增加,肾脏明显增大, 大量腺嘌呤代谢物在肾组织中蓄积,大部分肾小管 两端纤维化,有淋巴细胞浸润,出现了严重的甲状旁 腺功能亢进。通过对骨组织形态检测,发现骨吸收 增强、骨纤维化、类骨质增加等病变 。该ROD动 物服用盐酸司维拉姆后,血清中的Ca、P及PTH水 平降低,抑制主动脉钙化,降低类骨质、纤维化含 量 。Damment等 也发现碳酸镧治疗后能够纠 正此种动物模型的血磷酸盐过多和继发性甲状旁腺 功能亢进,并能抑制骨纤维化。 近来,研究发现,通过腺嘌呤摄食诱导的ROD 动物模型主要表现为高骨转化型 ,结合分子水 平的分析结果,发现模型动物骨组织TGF—B1及其 下游信号如SMAD2受体等活性增强 ” 。大鼠经腺 嘌呤摄食处理9周后,其发生高转换型骨代谢紊乱 的程度比单纯的5/6肾切除诱导的骨代谢失常更加 严重 ,这在今后相关基础研究中动物模型的选择 上也是需要注意的。 2.2丙基硫氧嘧啶 Sepehri等 给大鼠以10 mg/kg剂量注射丙基 硫氧嘧啶(PTU),连续注射18 d,PTU组大鼠出现。肾 问质性纤维化、肾炎以及肾充血等异常症状。卢 等 给大鼠以40 mg/kg剂量喂食PTU,连续喂养 20天后,大鼠出现饮食减少、体重下降、活动减少、 反应迟钝、毛色无光泽、易脱落、叫声低弱、大便稀溏 等肾阳虚症状。Marino等 用PTU成功诱导小鼠 甲状腺功能减退后,出现抑制体重增长、尾长、胫骨 长度以及心、肝、肾的质量的症状,继续检测发现,胫 骨生长减缓,部分是由软骨细胞区的增殖区细胞增 殖率下降所导致。 3 辐射法 随着人们接触辐射源增多,因其严重的副作用 而引发的疾病也逐年增加,肾辐射损伤就是其中之 “ 一 。当肾受到一定剂量、一定时间的辐射后,会 引起肾单位减少、肾小球硬化、肾小管纤维化,机体 会出现蛋白尿、氮血症、高血压等临床症状 ,进一 步诱发导致骨代谢障碍、骨骼异常等病变,表现为骨 量减少、骨结构破坏、成骨细胞功能减弱、破骨细胞 功能活跃等特点,类似于慢性肾功能衰竭所致的肾 性骨病,由此形成了一种。肾辐射损伤诱发肾性骨病 动物模型。实际早在1981年,Norrdin等 对出生 2天的小狗进行全身 Co'y辐射,诱发形成了不同程 度肾衰的模型组,应用于人类肾性骨病的研究。 吴等 在原先模型基础上设计出局部辐射损 伤致慢性肾衰模型。在脊椎两侧肾脏体表投影部位 纵行切口,暴露两侧肾脏,将大鼠侧卧并固定于辐射 大鼠模具上,铅板遮挡肾脏以外的组织,暴露的肾脏 放置于” Cs7射线照射装置内接受^y射线照射,一 次性照射,照射剂量为l5Gy。3个月后,肾辐射组 的骨干重、灰重、BMD等骨量指标及股骨三点弯曲 载荷和腰椎压缩载荷等指标均明显降低。此外,骨 组织形态检测显示,骨小梁稀疏,出现穿孑L、断裂,骨 小梁结点减少、间距增加,骨髓腔面积增大等病变。 中国骨质疏松杂志20l5年9月第21卷第9期 Chin J Osteoporos,September 2015,Vol 21,No.9 1141 patients with advanced chronic kidney disease:what is the 4总结与展望 目前,肾性骨病模型的制备方法主要有手术法 和化学法两大类。运用各种方法破坏肾脏,造成肾 [5] clinical evidence?Pol Arch Med Wewn,2011,121(3):88-93. 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