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肥胖动物模型的制备及影响因素

肥胖是由遗传因素和环境因素共同作用而引起体重增加、脂肪积聚过多的慢性代谢性疾病,是高血压、多种心血管疾病、II型糖尿病、某些癌症的重要诱因。


根据《中国居民营养与慢性病状况报告(2020年)》的数据指出:中国成人中已经有超过一半的人存在超重或肥胖,成年居民(≥18岁)超重率为34.3%、肥胖率为16.4%。那么按照绝对人口数来计算,全国已经有6亿人超重和肥胖,达到全球第一。

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不少学者认为我们已经身处“肥胖大流行(obesity epidemic)”时代,防治肥胖症尤为重要,迫切需要更加安全有效的治疗方法。对肥胖的机制和治疗的研究也是制药界和学术界持续感兴趣的领域。

但肥胖和糖尿病涉及多种遗传和环境因素的相互作用,体外细胞实验和电脑模拟难以刻画这些复杂关系,动物模型对发病机制和治疗方法的探索、验证必不可少。精选合理的动物模型以进一步发现、验证和优化新治疗方法并保证其临床安全有效极为重要。

当使用动物模型进行肥胖研究时,存在各种干扰因素,如遗传背景、饮食、性别等,我们需要根据自己的实验设计选择合适的模型。

肥胖和糖尿病研究中,啮齿类动物应用最为广泛。

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(肥胖和糖尿病研究中常用动物模型的优点及局限性,DOI: 10.1038/nrendo.2017.161)

目前常见的动物肥胖模型主要有:

一、食物诱导肥胖模型


饮食是诱导肥胖及相关代谢疾病的主要环境因素之一。饮食诱导的肥胖(DIO,diet-induced obsisity),是当前研究的热点。

DIO模型,是一种通过特殊饮食来模仿人类肥胖的动物模型,是我国实验研究中最常用的肥胖动物模型。

根据糖、脂肪、和蛋白质在食物中提供能量的比例的不同可将食物分为三类:即高糖、高脂、和高蛋白食物。高脂食物、高糖食物均可引起肥胖。

造模方法:采用高糖高脂饲料饲养8周

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该类造模方法成本较低,成功率高,且具有较强的重复性,所形成的模型与人类肥胖相似,而且能较好反映人体肥胖的发病机制,比如体重的缓慢增加和继发的胰岛素抵抗,适用于环境因素(主要是膳食)对肥胖发生的作用及机制的研究。但是模型建立耗时较长,成本较高。

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建立这样的模型,似乎非常简单,然而,模型建立失败的情况并不少见,比如,制作肥胖模型过程中,发现动物越越瘦。

DIO模型建立的影响因素:


动物肥胖模型的构建受品系、性别、年龄、饮食等因素影响较大。


(1)动物品系

高脂饲料虽然适口性好,但并不是每一个品系的老鼠都能吃得胖。在小鼠中,C57BL/6J是具有遗传敏感的常用动物,对饲料的高热量很敏感,只要给予高脂饲料就可以肥胖。Wistar和SD大鼠是常用的DIO大鼠模型。

(2)动物性别及年龄

雄性小鼠更容易发生DIO,并且比雌性小鼠进展更快且程度更大。

年龄是影响肥胖研究的另一个重要因素。常用于代谢研究的C57BL/6J小鼠体重随着年龄增长而增加,在9个月时达到高峰。

另一个重要因素是饮食干预开始时鼠的年龄,若小鼠年龄较小(<8周,经验值)时开始喂养HFD,则随后的肥胖和肥胖症表型并不会特别明显。

(3)饲料

①热量和脂肪的控制

高热量饲料、高脂饲料都是笼统的概念,并不是说热量越高越好,也不是说脂肪越多越好。如果热量过高、脂肪含量过高,动物很难适应,也就需要更长的时间来诱导,甚至还会出现越来越瘦的现象。

凡使用肥胖模型饲料,在使用饲料时和发表论文时,都需要说明热量是多少,脂肪含量是多少,脂肪是什么类型。

轻微的饮食差异就可以极大地影响代谢参数和实验结果。例如,大鼠膳食中动物源脂肪(如猪油)对肥胖和胰岛素抵抗的影响比植物脂肪更为显著。即使细微差异,如不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比例以及饮食形态(液体与固体)的改变,都会导致不同的DIO结果。

同时,也需要保证营养成分在每个生产批次中可重复性。

②必须关注营养是否均衡

在给动物喂养高脂饲料时,并不是只要是高热量、高脂就行。如果某种或者某些营养素缺乏,会影响食物的食欲、消化、吸收或代谢,结果是食量越来越少,导致越养越瘦。

动物在吃这种高脂饲料时,应该考虑其他营养素也必须适宜,否则,复制出的模型就是高热量+高脂+营养素缺乏病的模型。

③此外,高脂饮食的硬度和适口性是成功的关键。因此,必须考虑食物颗粒的质地和硬度,研究表明以粉状低脂饮食喂养的小鼠会自发产生多余脂肪。
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(DOI: 10.1038/nrendo.2017.161)

Tips:


(1)喂食DIO饲料的动体重应尽可能相似(±1.5g)。不同体重、不同年龄、不同窝的雄性小鼠容易打斗、争夺食物、社会地位或势力范围,这些往往会影响体重增加、健康状况和实验结果。

(2)动物从普通饲料转为高热量、高脂饲料,需要逐渐过渡,让实验动物适应,避免抗拒,不宜突然完全为高热量、高脂饲料。

(3)通常要额外购买10%的小鼠,因为不是所有的小鼠在喂饲高脂饲料后会增重。

(4)喂饲高脂饲料后,最初5天内大鼠体重的增加可以很好地预测6周后的体脂水平。建议研究人员可以设计一个预实验,根据最初5-7天每天增加的体重,研究人员就可以剔除肥胖抵抗大鼠,只继续对有肥胖倾向的大鼠进行实验。

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(DOI: 10.1016/j.physbeh.2006.01.008)

(5)为了保证品质,高脂饲料需低温保存。如果是短期使用,建议将其冷藏,如果是长期使用,则需要将高脂饲料冷冻保存。

(6)高脂饲料摄食量会先多后少并逐渐稳定,要根据室温和摄食量来调整更换饲料的频率。如果发现饲料摄入量随着时间的推移而下降,则需要增加频率,每隔1-2天就更换一次饲料。

二、下丘脑摄食中枢损伤肥胖模型


调控摄食的中枢存在于下丘脑,包括下丘脑腹内侧核(又称为“饱食中枢”)和下丘脑腹外侧核(又称为“饥饿中枢”)。刺激后者或破坏前者均产生食欲亢进,进食量增多。

采用的方法主要有3种:谷氨酸钠法、电解法、机械法和金硫葡萄糖法。

(1)谷氨酸钠法


新生鼠自出生头一天起,每天对新生的健康小鼠或大鼠皮下注射谷氨酸钠(MSG) 3mg/kg,连续5天,一般在6周龄后出现进行性肥胖。


(2)电解法


使用电损毁大鼠双侧下丘脑腹内侧区域(腹内侧中部区域与饱感、停止摄食活动有关,因此,损毁可造成肥胖)


(3)机械法


机械性损毁下丘脑腹内侧可导致过度饮食、体重增加和脂肪储积等复杂表型,但毕竟方法略显原始。这种机械性手段不仅破坏了神经元,也破坏了不同脑区之间的神经连接。


(4)金硫葡萄糖法


金硫葡萄糖损伤下丘脑腹内侧核,增加食欲引起肥胖。对大鼠进行腹腔注射金硫葡萄糖1.0mg/g,连续注射7天。


三、遗传性肥胖模型


遗传性肥胖动物以鼠类为主,既可显性遗传,也可隐性遗传和多基因遗传。遗传性肥胖鼠通常以食量增加、高血脂、高胰岛素血症、胰岛抵抗和低代谢率等为主要特点。主要有Zucker肥胖大鼠、LA/N肥胖大鼠、ob/ob小鼠、Yellow(Ay/a)肥胖小鼠、db/db小鼠和NZO小鼠等。

这类肥胖模型是自发产生肥胖表型,易获得。然而模型形成具有随机性和不可控性。目前适用于能量代谢调节机制的研究,糖尿病并发症等的研究和药物干预实验。

四、双侧卵巢切除肥胖雌鼠模型


卵巢摘除模型又称去势模型,能快速模拟围绝经期状态。常用于构建卵巢摘除模型的动物主要有大鼠和小鼠,动物品系主要有ICR、BALB/c、KM、NMRI 小鼠和SD、Wistar大鼠等,其中应用最为广泛的是SD和Wistar大鼠。

利用手术法将雌鼠的双侧卵巢切除,导致激素分泌紊乱引起肥胖,模拟人体激素水平变化的过程,较好的模拟了女性绝经后体内的低激素水平,适用于绝经后激素水平降低导致肥胖的机制研究。

该模型死亡率低,雌激素水平下降的同一性好,成功率较高。但手术造模,有一定的技术要求。

观测指标



1)体重指标和Lee's指数值的测定


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模型组体重超过正常组平均体重20%表明模型构建成功。

Lee's指数就综合反映了体重与体长的比例关系,能较好地反映大鼠/小鼠的肥胖程度。

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(2)腹股沟、肾周围、腹腔脂肪重量测定

(3)脂肪细胞大小的测定

(4)空肠绒毛表面积大小的比较

(5)血脂测定:血清甘油三脂,总胆固醇,低密度脂蛋白,胆固醇含量

(6)病理检测

根据脂肪的颜色形态、结构功能,组织学将脂肪分为白色脂肪和棕色脂肪,按部位又将脂肪组织分为腹内脂肪和皮下脂肪(均属白色脂肪)。


一般取材于:

  • 腹内脂肪:沿大网膜或肠系膜分离摘取脂肪组织。

  • 皮下脂肪:沿腹壁分离摘取脂肪组织层。

  • 附睾脂肪垫:带附睾、睾丸一并摘出脂肪。

  • 棕色脂肪:大鼠、小鼠后背肩胛皮下或肾脏周围棕黄色脂肪。

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参考来源:
【1】Animal models of obesity and diabetes mellitus,DOI: 10.1038/nrendo.2017.161
【2】MiR-27b-3p Inhibition Enhances Browning of Epididymal Fat in High-Fat Diet Induced Obese Mice,DOI:10.3389/fendo.2019.00038
【3】7 tips every DIO mice user should know
【4】C57BL/6 DIO 101: Best Practices for Diet Induced Obesity in Mice
【5】Diet-induced obesity causes severe but reversible leptin resistance in arcuate melanocortin neurons,DOI: 10.1016/j.cmet.2007.02.004
【6】Model for predicting and phenotyping at normal weight the long-term propensity for obesity in Sprague-Dawley rats
【7】《实验病理学技术图鉴》,潘琳主编,2012
【8】人类疾病动物模型(第2版),刘恩岐主编,2014年
【9】人类疾病动物模型复制方法学,周光兴等主编,2008
【10】骆文锦, 陈香均, 马林强,等. 肥胖动物模型的研究及应用[J]. 中国比较医学杂志, 2019, 29(10):6.
【11】姚俊鹏、周思远、陈丽萍、张林、李瑛. 食源性肥胖大鼠模型制备中相关影响因素分析探讨[J]. 世界科学技术:中医药现代化, 2020(7):8.


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