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慢性阻塞性肺疾病实验动物模型的方法学综述

2017年12月11日 浏览量: 评论(0) 来源:Tobacco Induced Diseases December 2017, 15:25 | Cite as 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种渐进性疾病,使呼吸困难,其特征是从慢性炎症到组织蛋白降解的病理状态。使用COPD动物模型是不可避免的。动物模型提高了我们对慢性阻塞性肺病生理、病理生理和治疗的基本机制的认识。虽然这些模型只能模拟疾病的一些特征,但它们对于进一步研究人慢性阻塞性肺病的机制是有价值的。

摘要:慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种渐进性疾病,使呼吸困难,其特征是从慢性炎症到组织蛋白降解的病理状态。使用COPD动物模型是不可避免的。动物模型提高了我们对慢性阻塞性肺病生理、病理生理和治疗的基本机制的认识。虽然这些模型只能模拟疾病的一些特征,但它们对于进一步研究人慢性阻塞性肺病的机制是有价值的。

 

结果:据文献报道,慢性阻塞性肺疾病动物模型主要由小鼠、豚鼠和大鼠诱发。在大多数研究中,该模型是通过暴露于香烟烟雾(CS),气管内脂多糖(LPS)和鼻内弹性蛋白酶。不同研究中诱导剂的时间和剂量有不同的变化。主要的测量指标是肺病理和肺部炎症(炎症细胞和炎症介质),而气管反应性(TR)只有很少的研究。

 

结论:本综述提供了各种方法用于诱导COPD动物模型,不同动物(主要是小鼠,豚鼠和大鼠)和测量参数。本研究所提供的资料对选择合适的动物、诱导方法和选择用于研究慢性阻塞性肺疾病的参数是有价值的。

 

关键词:慢性阻塞性肺疾病 肺气肿 动物模型 方法 炎症 肺病理 气道反应性 香烟烟雾

 

背景:慢性阻塞性肺疾病(COPD)是世界范围内发病率和死亡率的主要原因。特征是慢性气道炎症,黏液高分泌、气道重塑,和肺气肿,导致肺功能降低及呼吸困难。慢性阻塞性肺疾病的发展缓慢且进展缓慢,偶尔会由诸如有害气体、细菌或病毒等物质引起的炎症反应引发。目前尚无有效的治疗方法,因为COPD的发病机制在分子水平上还知之甚少。缺乏有效的小动物模型是COPD研究的一个主要限制因素。然而,动物实验为继续治疗包括呼吸道和肺部在内的所有慢性疾病提供了方法。动物模型被用来研究慢性阻塞性肺疾病,研究炎症过程,确定COPD的基本机制。几种动物已被用来作为慢性阻塞性肺病的模型,包括啮齿动物,狗,豚鼠,猴子和绵羊,但适当的模型高度取决于研究的目的。本文综述了不同诱导动物模型的方法、不同的动物和各种测量参数的方法。因此,本研究将有助于研究者选择合适的方法诱导慢性阻塞性肺疾病动物模型,并根据他们的研究设计测量信息变量。

 

慢性阻塞性肺疾病动物模型的诱导剂:在动物模型中模仿COPD的方法有很多种。这些方法包括将实验动物暴露于CSCOPD的主要病因)、炎症刺激物(例如LPS)、蛋白水解酶(如弹性蛋白酶)和基因修饰。在这一部分中,我们回顾了不同的COPD诱导剂在各种动物身上的应用。

 

香烟烟雾(cs):吸烟是COPD最重要的危险因素,也是最常见的COPD诱导剂。环境香烟烟雾也可能导致呼吸系统症状和慢性阻塞性肺病。标准化的研究级香烟能很容易地提供特定剂量的总悬浮颗粒(TSP)或总颗粒物(TPM),包括尼古丁和一氧化碳。然而,目前还没有标准的动物暴露方法或协议,使用CS作为体内COPD诱导剂的局限性之一。用于产生烟雾的香烟类型(商用香烟和研究香烟,或带有过滤器),用于曝光的CS的成分,递送系统(全身仅与鼻子),最重要的是,给动物的烟雾剂量是重要的决定因素。尽管有这些局限性,CS已被证明能诱导COPD动物的许多特征,包括肺内巨噬细胞和中性粒细胞浸润、气道纤维化和肺气肿。本章描述了多种动物物种暴露于烟草烟雾以模拟慢性阻塞性肺病。

 

小鼠:这些都是最常见的暴露于cs的动物,用于诱导慢性阻塞性肺病动物模型。免疫机制方面,小鼠是COPD动物模型的最佳选择。此外,小鼠基因组已被测序,并已显示出相似的人类基因组。此外,建议操纵基因表达的可能性。然而,几项研究表明,不同品系的小鼠对CS表现出不同程度的敏感性。在一些研究中使用了不同的暴露方案,小鼠在一个吸烟装置中暴露于一次或两次/几天,几次/每周/几周/一个月,作为全身暴露或只暴露在鼻子里。

 

大鼠:大鼠也被用作慢性阻塞性肺病的动物模型,但它们被认为是一个糟糕的模型,因为这些动物似乎对COPD的发展有抵抗力。一些研究采用大鼠因为可以区分可衡量的肺气肿。多项研究表明,小鼠肺气肿的发生与大鼠相比有很大的不同。不同暴露方式、持续时间和香烟类型诱导大鼠慢性阻塞性肺疾病。

 

豚鼠:豚鼠是慢性阻塞性肺病研究中常用的合适物种。这些动物有许多优点,因为它们的肺的解剖结构和生理学与人类有相似之处。此外,豚鼠和人类之间在生理过程,特别是气道自主控制和对过敏原的反应方面也有相似之处。然而,也有一些缺点,如缺乏分子工具,需要测试许多化合物的药理研究,以及购买和饲养动物的成本。这些研究表明,暴露于活性烟草烟雾后的豚鼠会出现慢性阻塞性肺病和肺气肿样病变,在烟雾暴露的豚鼠身上表现出与COPD相似的生理变化。例如,在这些动物中诱导慢性阻塞性肺病,豚鼠暴露于8-9分钟,5支有或没有过滤器香烟/天,连续56天,连续3个月。

 

犬:犬已被广泛用作哮喘和慢性阻塞性肺病的模型,因为犬接触cs后慢性支气管炎和肺气肿的病理和病理生理学与人类相似。犬模型,与其他慢性阻塞性肺病模型相似,在人类试验之前,已经被用来检查新的治疗方法。在一项研究中,在短时间内直接吸入cs后,犬产生肺纤维化和肺气肿。

 

猴:另一个适合研究过敏性气道疾病和慢性阻塞性肺病的机制的动物模型是非人灵长类动物。结果表明,暴露于cs的猴子表现出慢性呼吸性细支气管炎和其他呼吸道改变。暴露于CS 6小时/天,5/周,总悬浮颗粒浓度为1毫克/立方米,猴可以产生实验性慢性阻塞性肺病。

 

脂多糖(LPS):LPS灌注能够短期诱导COPD的模型,并具有某些人类特征。在革兰氏阴性菌、空气污染和有机粉尘中,脂多糖(革兰氏阴性菌的细胞壁的主要成分)是一种污染物。LPS诱导急性COPD恶化,单独或与CS合并给予。此外,LPS可能在慢性阻塞性肺疾病急性加重期的细菌感染中起重要作用,这有助于该病的发展。动物绒毛膜暴露于LPS可导致COPD的病理特征,如肺部炎症和气道高反应性(AHR)以及肺结构的改变。每周两次LPS暴露12周后诱导炎症反应。

 

小鼠:调查表明,小鼠吸入脂多糖可导致肺气肿样改变,持续4周。此外,有文献报道LPS能诱导慢性阻塞性肺疾病(COPD)的病理生理改变,如气道高反应性和气道炎症。在这些研究中,LPS是由肺内灌注用微型喷雾器烟雾机或鼻腔给药。

 

大鼠:在大鼠模型中,LPS可以以与小鼠相同的方式吸入,从而导致COPD的病理特征。

 

弹性蛋白酶:弹性蛋白酶是一种蛋白水解酶,由肺中活化的中性粒细胞释放,导致肺泡组织和肺气肿的破裂。弹性蛋白酶模型由弹性纤维酶(如猪胰弹性蛋白酶(PPE),人中性粒细胞弹性蛋白酶和木瓜蛋白酶)灌注,导致肺组织损伤和肺气肿的发展。该模型用于诱导炎症反应以启动和维持慢性阻塞性肺病患者的炎症反应。弹性蛋白酶模型的主要优点是通过在肺部单次灌注酶来诱导疾病。通过调节酶的数量来控制疾病严重程度。然而,弹性蛋白酶模型的不足之处在于弹性蛋白酶在COPD肺气肿中的作用依赖于多种病理生理机制,从而增加了临床事件的数量。各种各样的动物已用于弹性蛋白酶肺气肿模型[复制人CS引起的疾病的一些特性,如炎性细胞浸润到肺和全身炎症反应。

 

小鼠:以猪胰酶弹性蛋白酶1.2U1/周,连续4周鼻腔给药,制成弹性蛋白酶抑制剂慢性阻塞性肺疾病小鼠模型。在一些研究中,小鼠气管内接受2 U100 g/kg BW溶解在100μL磷酸盐缓冲生理盐水溶液的猪胰弹性蛋白酶。

 

大鼠:大鼠肺气肿模型采用单剂量气管内弹性蛋白酶(28 U100 gkg)注射,并于注射后7, 15, 30365天观察。在其他研究中,大鼠接受气管内单一剂量的弹性蛋白酶。Borzone等人结果显示,在同一剂量的气管内滴注4个月后,仓鼠的呼吸力学发生了严重的改变。

 

联合诱导:模仿COPD炎症反应不同方面的动物模型可以通过同时使用不同的诱导剂,如CSLPSPPE来开发。例如,可以对小鼠滴鼻4周的PPELPS诱导慢性阻塞性肺病肺部炎症。在另一项研究中,观察到LPScs联合染毒后大鼠的炎症反应增强。在这个模型中,大鼠暴露于CS 30分钟,每天两次,持续2天。第3天动物暴露于LPS 30分钟 5小时后暴露于CS

 

其他模型:其他药物也被用来诱导气道炎症损伤。凋亡模型以COPD肺损伤后自身修复失败为重点,以肺组织正常运转为研究重点。凋亡诱导的慢性阻塞性肺疾病与抑制VEGF受体有关。此外,近年来开发了模仿COPD的基因改造模型。这些模型可用于识别不同基因的生理功能以及COPD的可能机制。例如,在基因靶向小鼠中,暴露于cs后会出现肺气肿和空域扩大。

 

测量参数:病理变化:慢性阻塞性肺疾病的主要特征是气流阻塞,大部分是不可逆的。气道阻塞可能是小气道狭窄、气道壁炎症和肺气肿相关的肺弹性退缩的结果。肺气肿、小气道重塑等肺结构改变是COPD的病理特点。慢性阻塞性肺疾病的小气道重塑发生于次级上皮纤维化、粘液细胞增生,有时增加气道平滑肌(ASM)质量。此外,炎症细胞如巨噬细胞、中性粒细胞持续浸润。

 

小鼠:观察了慢性阻塞性肺疾病(COPD)小鼠模型表现为慢性炎症、肺实质细胞浸润增多、粘液分泌杯状细胞增多、气道上皮增厚、肺泡增大及气道重塑。另外,在PPELPS诱导的慢性阻塞性肺疾病小鼠模型中,观察到气道重塑、肺部炎症、杯状细胞增生和肺泡增大。此外,小鼠暴露烟雾后,观察到气道壁厚度和空域大小显著增加。

 

大鼠:COPD动物模型显示支气管和细支气管狭窄,动脉壁的厚度,肺泡的大小增加。CS组大鼠肺功能指标如气道阻力、呼吸系统阻力,组织阻尼,组织的弹性和呼吸系统顺应性增加。此外,弹性蛋白酶处理的大鼠表现出轻度的空域增大、肺泡间隙碎裂和炎症。慢性阻塞性肺疾病大鼠也可见肺组织肺内嗜中性粒细胞计数、粘液分泌、水肿和肺部炎症的升高。

 

气管反应性(TR):气道高反应性(AHR)是哮喘慢性阻塞性肺疾病同时存在的主要特点。此外,对不同刺激物的气管反应性(TR)不仅在哮喘动物中也存在,在暴露于CS的动物体内也观察到。在一些COPD动物模型体内或体外评价了该参数。

 

TR体内测量:大剂量吸入乙酰甲胆碱(MCH)气溶胶后通常使用全身体积描记器评估体内TR。小鼠:用乙酰甲胆碱激发和全身体积描记法测量CS暴露的小鼠评估AHR。气道梗阻的主要指标,作为衡量Penh,显示了很强的相关性气道阻力

 

TR的体外测定:测量慢性阻塞性肺疾病豚鼠模型对组胺累积浓度的气管肌反应。然后,绘制累积浓度-反应曲线及计算组胺引起最大反应的50%有效浓度(EC50 h)。构建豚鼠暴露于CS异丙肾上腺素浓度反应曲线。

 

炎症细胞和介质:总白细胞计数:各种类型的细胞参与了COPD的病理生理机制包括中性粒细胞、巨噬细胞和嗜酸性粒细胞,CD8-T淋巴细胞可能在COPD急性加重期起主要作用。它们释放一些炎症介质和组织降解酶,可以对组织破坏和诱导慢性炎症。

 

小鼠:慢性阻塞性肺病小鼠支气管肺泡灌洗液(BAL)样品中总细胞数、巨噬细胞和淋巴细胞(特别是CD8+T细胞)和中性粒细胞增多。慢性阻塞性肺疾病动物模型BAL中炎症细胞总数增加,这主要是由于巨噬细胞和中性粒细胞计数增加所致。

 

大鼠:慢性阻塞性肺疾病大鼠肺泡灌洗液中总炎性细胞和中性粒细胞增多,吸烟后大鼠肺泡灌洗液中总白细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和淋巴细胞增多。

 

豚鼠:慢性阻塞性肺疾病豚鼠模型血中白细胞总数和嗜酸性粒细胞计数增加。慢性阻塞性肺疾病豚鼠肺灌洗液中总白细胞、嗜酸性粒细胞和中性粒细胞增多。本文对慢性阻塞性肺疾病(COPD)动物模型的血、肺灌洗液白细胞总数和白细胞计数进行了总结。

 

巨噬细胞分泌炎症介质,如白细胞介素8IL-8)、肿瘤坏死因子TNF-α),白三烯B4LTB4)、活性氧(ROS)、单核细胞趋化蛋白1MCP-1)和弹性蛋白酶如基质金属蛋白酶(MMP-2MMP-9MMP-12),和组织蛋白酶KL。此外,中性粒细胞明显有助于COPD发病机制中的丝氨酸蛋白酶的分泌。

 

小鼠:CS诱导的COPD动物模型中观察到增加BAL炎症细胞因子分泌,如角质形成细胞趋化因子(KC)、肿瘤坏死因子、巨噬细胞炎性蛋白(MIP-2MCP-1MIP-1α)。

 

大鼠:cs暴露大鼠的血清和BALTNFαIL-8IL-10水平升高。CSLPS联合诱导的COPD大鼠模型肺泡灌洗液中总蛋白水平也明显升高。另一项研究表明,慢性阻塞性肺疾病(COPD)大鼠肺泡灌洗液中肿瘤坏死因子和总蛋白水平升高。弹性蛋白酶处理后大鼠总蛋白含量和部分炎性细胞因子如IL-6IL-1βTNF-α也有升高。

 

豚鼠:本文报道了慢性阻塞性肺疾病(COPD)模型豚鼠血清中IL-8和丙二醛(MDA)水平的升高。,feizpour等人结果表明,CS诱导的慢性阻塞性肺疾病(COPD)模型豚鼠血清和BALIL-8水平升高。

 

结果:研究动物慢性阻塞性肺病的方法有很多种。为了开发具有代表性的COPD动物模型,应该对COPD的诱导方法、评估参数和COPD特征进行评估。在本综述中,提供了关于不同动物中诱导慢性阻塞性肺病实验模型的信息、提供了各种方法,以及应测量的不同参数。这些基本信息对于今后研究慢性阻塞性肺病是有价值的。

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