福州白癜风医院 http://m.39.net/pf/a_8097684.html撰文
占文磊
责编
刘云婧
疾病的深入研究往往需要用到成熟的实验模型，许多实验模型都只能在一定程度上模拟人类疾病进展，这一问题在急性肾损伤(AKI)领域尤为明显。已有研究表明，啮齿动物不能准确模拟人类AKI的疾病进展，因此在将基础研究成果进行临床转化时，结果往往不尽人意。年2月，来自美国纳什维尔范德比尔特大学医学中心的MarkPDeCaestecker教授团队在《NatRevNephrol》发表题为“Experimentalmodelsofacutekidneyinjuryfortranslationalresearch”的综述，系统总结了肾脏类器官模型、斑马鱼模型、啮齿动物模型和大型动物模型这4类AKI研究模型的发展现状。
一、肾脏类器官模型
人类肾脏类器官是指体外培养的小块肾组织类似物，它来源于人类诱导多能干细胞（iPSCs）。在体外，iPSCs经过一系列复杂精细的处理后，启动肾脏发育程序，最终形成肾脏类器官。因此，利用不同病人细胞可以诱导产生具有遗传异质性的类器官。利用这些类器官进行深入研究，我们可以为不同患者“量身定做”治疗方案。同时，肾脏类器官的应用可以帮助我们降低对患者肾脏组织样本的依赖。此外，类器官的尺寸小，适用于高通量药物筛选。
目前，肾脏类器官仅限用于建立*素诱导的AKI模型。这是因为类器官中血管化程度低，且血管内不会产生与真实肾脏中类似的液体流动，因此无法模拟缺血再灌注诱导的AKI。此外，类器官模型还面临许多挑战。例如，类器官的基因表达与胎儿肾组织相似，不能完全模拟成熟肾脏。值得一提的是，一些转运蛋白只在成熟肾脏中表达，而这些转运蛋白可能参与调控一些药物的摄取，因此，类器官可能不适用于这些药物的筛选。最后，类器官还缺少免疫细胞，不能模拟成熟肾脏中的免疫微环境。
图1人类肾脏类器官模型
二、斑马鱼模型
金鱼是最早用于研究AKI的鱼类模型，随后扩展到虹鳟鱼、鲶鱼、罗非鱼和斑马鱼。斑马鱼个体小、发育速度快、繁殖力强，因此，适合用于高通量筛选。但正是因为斑马鱼体型小，不适合进行手术处理，因此斑马鱼常用于建立*素诱导的AKI模型。利用斑马鱼模型进行AKI的研究时需要注意，斑马鱼的肾脏与人类肾脏有许多差异：①斑马鱼幼体只有两个近端小管节，缺乏Henle环的细肢成分。并且，如果损伤严重，幼体极易死亡；②成年斑马鱼会随着自身体积的增大而继续产生新的肾单位，并不像哺乳动物有固定数量的肾单位；③成年斑马鱼的肾脏再生能力较强，而人类肾脏在经历AKI后再生修复能力较弱；④幼体和成年斑马鱼在经历AKI后不会出现纤维化。
三、啮齿动物模型
相比于肾脏类器官模型与斑马鱼模型，啮齿动物模型可以模拟多种病因导致的AKI。因此，啮齿动物模型的应用也最为广泛。
1缺血再灌注损伤（IRI）诱导的AKI
肾脏IRI可以模拟心脏搭桥手术、肾移植以及低血压后肾血流灌注减少对肾造成的影响。在啮齿动物中，IRI通常由外科钳夹闭肾动脉引起，通过控制夹闭时间长短，可以诱导不同程度的AKI。除了夹闭时间，还有许多细节会对AKI产生影响：手术室温度、手术时小鼠体温、麻醉方式、手术技巧、小鼠水合状态以及术后液体复苏等。除了手术的影响，小鼠的遗传背景、年龄、性别、培养环境都可能导致异质性结果。
目前，大多数IRI-AKI的研究都使用8~12周龄的雄性小鼠，而AKI通常发生在中老年人身上。已有研究表明：在经历相同条件的肾脏IRI后，老年小鼠的死亡率大于年轻小鼠，且肾脏修复进程更缓慢。因此，相比于年轻小鼠，中老年小鼠可能会更好模拟人类AKI进展。
2Ⅰ型心肾综合征(CRS-1)诱导的AKI
CRS-1是指由急性心脏功能障碍引起的AKI综合征。临床上最常见的病因是急性心力衰竭，其次是心脏手术和急性心肌梗死。目前，已经在啮齿动物中建立了几种CRS-1模型(图2)。
图23种Ⅰ型心肾综合征的啮齿动物模型示意图
①急性心肌梗塞（AMI）
通过结扎左冠状动脉前降支，降低肾脏的血流灌注，这种方法诱导的肾脏损伤程度较轻。但有长期结果显示：AMI处理后，肾脏出现了一定程度的纤维化。目前尚不清楚后期出现纤维化的主要原因，可能是因为早期肾脏修复失败所导致，也可能是因为长期心力衰竭对肾脏的持续影响而导致。利用该模型进行AKI的研究时需要注意，左冠状动脉前降支结扎手术操作十分复杂，可能引起额外的应激反应和炎症反应。
②心脏骤停和复苏(CA-CPR)
通过注射氯化钾或者电击引发心室纤颤，使小鼠心脏骤停，一段时间后注射肾上腺素或者按压胸部，使心脏功能恢复。在心脏停搏时，肾脏没有血流灌注；而自发性循环恢复后，肾脏血流又恢复正常。与AMI模型不同，CA-CPR诱导的AKI较严重，有研究表明：CA-CPR处理仅8分钟，术后24小时的GFR便接近0，且血尿素氮和血清肌酐水平显著升高。CA-CPR造模方法比较复杂，并且需要十分严格的温度控制（因为体温对CA-CPR诱导的AKI有深远的影响），因此这种模型的应用较少。
③心肺转流术(CPB)
临床上，CPB指利用特殊装置将人体静脉血引出体外，进行人工气体交换、温度调节以及过滤等处理，再泵入人体动脉内的一项生命支持技术，又称体外循环。其目的是暂时取代人体的心肺功能，维持全身重要组织器官的血液供应和气体交换。建立体外循环是心脏外科手术和一些特殊手术的必要条件，因此建立CPB小鼠模型，有助于研究CPB诱导的AKI。
这种模型的建立具有一定的技术难度，但已有研究利用大鼠、小鼠和兔子成功建立了CPB诱导的AKI模型。但需要引起重视的是，在进行CPB操作时，将使用大剂量肝素和硫酸鱼精蛋白，这些药物会引起肺动脉高压和凝血功能障碍，这导致基于该模型的AKI研究需要考虑更多复杂因素。
3*素诱导的AKI
各种肾*性药物（包括放射造影剂、非甾体抗炎药和庆大霉素等）诱导的AKI模型已经在啮齿动物中建立，大剂量叶酸和马兜铃酸也已被用于建立AKI向CKD转化的模型。由于一些药物并不是人类AKI的常见原因，本综述重点探讨两种常用的小鼠模型：顺铂诱导的AKI模型以及横纹肌溶解诱导的AKI模型。
①顺铂诱导的AKI
对于许多癌症患者，顺铂是最有效的化疗药物，临床上常与其他化疗药物联合使用，给药方式通常是静脉注射。随着血液循环，顺铂可以被运输到肾脏，被基底外侧有机阳离子转运体吸收，沉积在近端小管，导致细胞死亡。额外的静脉输液可以给患者补水，并减轻顺铂引发的肾*性AKI。尽管如此，接受顺铂治疗的患者中仍然有30%的AKI发生率，并且在顺铂治疗5年后，无论是否发生AKI，患者的肾功能均下降。
单次大剂量腹腔注射顺铂是目前常见的建模方法，损伤高峰出现在注射后的48~72小时，表现为广泛的肾小管损伤和炎症，伴有线粒体功能障碍、氧化应激。接受顺铂治疗的患者很少进行肾活检，因此尚不清楚这些损伤表征是否会在人类肾脏发生。
为了更好地模拟顺铂诱导的人类AKI，一些实验室采用了多次给药的策略，每周注射低剂量顺铂，持续2~4周。在该模型中，早期不会检测到肾功能下降，但尿中可检测到AKI标志物（如Ngal）增加。这些发现与临床数据一致，并提示我们：即使接受顺铂治疗的患者没有发生AKI，但肾脏可能正从“亚健康状态”走向“异常状态”。
最后，需要特别强调的是，肿瘤患者接受顺铂治疗后，如果发生AKI，顺铂的影响显然不可忽视，但肿瘤对AKI的影响始终是该领域的一大空白。
②横纹肌溶解诱导的AKI
能够引起横纹肌溶解的因素有许多，如：直接创伤、剧烈运动、药物使用不当、动脉阻塞引起的缺血、病*性肌炎、遗传性肌病等。一旦横纹肌溶解，肌红蛋白将从骨骼肌中进入循环系统，通过megalin受体介导的胞吞作用被近端小管吸收。肌红蛋白中的亚铁进而参与一系列氧化还原反应，最终引起近端小管损伤。横纹肌溶解还能模拟循环系统中游离血红蛋白增加而引发的AKI，如血管内溶血诱导的AKI。
目前最常用的造模方法是肌内注射甘油，以此破坏肌纤维膜，释放肌红蛋白进入循环。损伤的严重程度受小鼠的年龄、性别、水合状态等的影响，一些研究人员会在注射甘油前一晚限制动物饮水。长期研究表明，甘油处理后会出现广泛的小管间质纤维化，但GFR在损伤后6~8周依然正常，同时管周毛细血管密度保持不变，这可能提示：微血管的完整性是决定肾功能恢复的关键因素之一。
4脓*症诱导的AKI
脓*症是由细菌等病原微生物侵入机体引起的全身炎症反应综合征，而应答的失调将导致多器官功能出现一定程度的失常，不良反应包括：凝血功能障碍、肾脏循环血流量减少、肾脏代谢的改变。脓*症引起的AKI临床表现为起始阶段的蛋白尿，以及随后的少尿和GFR下降。目前常用的造模方式有3种：
①通过注射脂多糖(LPS)引起无菌性炎症，模拟脓*症伴发的过度炎症反应。该方法操作简单且实验结果稳定可重复，但诱发AKI所需的剂量与致死剂量之间只有细微差距，因此前期需要摸索出合适的给药剂量。
②通过腹腔注射粪便浆液引发AKI。该方法操作简单，但与LPS诱导AKI不同的是，LPS只能激活TLR4受体，而粪便浆液可以通过多个受体激活广泛的先天免疫反应。但无论是注射LPS还是粪便浆液，它们模拟的脓*症进展都比临床的实际进展快，这也成为它们的局限性。
③通过盲肠结扎和穿刺(CLP)引发AKI。在经历CLP手术后，盲肠压力驱动盲肠内容物持续释放，导致细菌负荷逐渐增加，引起脓*症并进而诱发AKI。相比于前2种模型，该方法能更好地模拟人类脓*症AKI。影响CLP诱导AKI的因素有许多，例如：盲肠长度、穿刺针头的尺寸、穿刺孔的数量、抗生素的使用等。另外，小鼠的遗传背景、年龄和性别也会对AKI产生重要影响。
四、大型动物模型
基于狗、猫、羊、猪等大型动物模型的AKI研究已经持续多年，与啮齿动物模型相比，大型动物模型具有许多优点。首先，大型动物具有与人类更相似的血管系统，而猪更是具有与人类高度相似的先天免疫反应，更能模拟人类的炎症反应，因此猪是目前最常用的大型动物模型。其次，大型动物具有更大的血容量，因此可以轻易获得大量血液样本，用于多种深入研究。同时，正因为血容量大，大型动物可以用于研究大量失血诱导的AKI。此外，相同的手术操作，在大型动物和啮齿动物中进行，大型动物往往更易操作，这可以减少手术操作对实验结果波动的影响。最后，大型动物可以模拟直接创伤诱导的AKI（如烧伤诱导的AKI，骨折诱导的AKI，钝性胸部损伤诱导的AKI等），而利用啮齿动物较难建立稳定的模型。
大型动物模型的缺点也十分明显。首先，昂贵的成本使许多研究团队望而却步；其次，转基因工具在大型动物中的发展远不如在啮齿动物中先进，这在很大程度上减缓了大型动物模型的发展速度。
综上，尽管目前用于研究人类AKI的实验模型都有各自的局限性，但在未来很长的一段时间里，我们仍将继续依赖实验模型进行深入研究，丰富AKI的靶向治疗策略。因此，如何改善现有的AKI模型，使其能更好模拟实际情况中人类AKI疾病进展，是值得我们潜心钻研的一块“硬骨头”。此外，在一种AKI模型得到验证的治疗靶点，将其进行临床转化之前，可以先在其他几种AKI模型中进行重复验证。治疗靶点在经过多种AKI模型反复验证后，再进行临床转化，成功率可能会显著提高。
原文链接：
