摘要：近年来，糖尿病在世界范围内变得越来越普遍，预计在未来这种增长将继续。糖尿病的主要问题是发展各种并发症，这些并发症大大增加了该疾病的死亡率和发病率。随着时间的推移，病情会从糖尿病前期发展到糖尿病阶段，然后发展为并发症。评估药物干预措施以预防或延缓人类疾病或并发症的进展需要多年的时间和大量资源。为了更好地理解发病机制和潜在的治疗药物，需要合适的筛选模型。不同种类的动物被用来评估药理潜力和研究疾病的发病机制。动物模型对于研究至关重要，因为它们代表了人类疾病的大部分结构、功能和生化特征。 理想的筛选模型应模拟具有可识别特征的疾病的发病机制。实验设计需要对动物模型有透彻的了解，以选择合适的模型。每种动物模型都有一定的优势和局限性。本文描述了评估糖尿病微血管并发症的动物模型及其诊断特征。

关键词：糖尿病  动物模型  糖尿病性视网膜病变  糖尿病性神经病  糖尿病肾病

简介：糖尿病（DM）是一种慢性代谢性疾病，由于血糖水平升高（高血糖）和碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢改变而逐渐恶化。它是由胰岛素分泌不足、胰岛素作用（胰岛素抵抗）或两者共同引起的。2019年，糖尿病患病率约为9.3%（4.63亿人），预计到2030年将增至10.2%（5.78亿人）。此外，据估计，到2045年，这一数字将达到10.9%（7亿）。糖尿病会增加死亡率、发病率、降低生活质量的风险，并与长期并发症有关。糖尿病并发症分为两大类：微血管（包括肾病、视网膜病和神经病）和大血管（包括心肌梗塞和脑血管病）并发症。微血管并发症的潜在因素是组织暴露于慢性高血糖。UKPDS 和 DCCT 等临床试验预测了血糖控制和微血管并发症之间的密切关系，这些并发症是通过激活多种机制而发生的，例如晚期糖基化终产物 (AGEs) 的产生、促炎微环境的形成和氧化应激的诱导。慢性炎症和氧化应激也与糖尿病相关，导致患者出现危及生命的后果。高血糖会激活己糖胺生物合成途径、丝裂原活化蛋白激酶 (MAPK)、山梨糖醇-醛糖还原酶途径和蛋白激酶 C (PKC)。高血糖还会增加生长因子和细胞因子的表达，如转化生长因子 (TGF-β)、血小板衍生生长因子、胰岛素样生长因子、血管内皮生长因子 (VEGF) 和肿瘤坏死因子 TNF-α。需要活性氧 (ROS) 来激活细胞内信号转录和转导级联。 这些途径中的每一个都是有害的，并且它们共同对患者造成严重破坏。筛选模型对于评估新化合物的潜在药理活性至关重要。一个理想的筛选模型可以模拟具有可识别特征的疾病的发病机制。最近，体外和体内模型确定了几个与糖尿病并发症有关的关键生物标志物。不同种类的动物用于评估糖尿病微血管并发症（糖尿病视网膜病变、糖尿病神经病变和糖尿病肾病）。每种动物模型都有一定的优势和局限性。本文旨在描述评估糖尿病并发症的动物模型及其诊断特征。

糖尿病性视网膜病变：糖尿病最严重的眼部后果是糖尿病视网膜病变（DR）。糖尿病视网膜病变每年导致12000-24000例新的失明病例，治疗通常包括激光手术和血糖控制。严重 DR 患者的生活质量下降，身体、心理和社会健康状况下降，需要使用大量医疗资源。持续的高血糖、黑斑或闪光、视力扭曲和突然视力丧失都是 DR 症状。DR的进展被归类为非增殖性DR（NPDR），分为轻度、中度和重度阶段。微动脉瘤、毛细血管病变、出血、基底膜增厚、微血管病变、硬渗出物和静脉异常是NPDR的主要症状。相反，增殖性 DR (PDR) 是 DR 的晚期阶段，与新生血管形成、视网膜前或玻璃体出血、视网膜脱离和纤维血管增生相关。长期糖尿病、慢性高血糖和高血压是 DR 的三个主要原因。 它们都与流行病学研究和临床试验有关。视网膜脉管系统的炎症反应可由多种刺激引起，包括高血糖、高浓度的循环或玻璃体细胞因子和趋化因子、生长因子、AGEs 和 ROS。因此，有证据支持慢性炎症是 DR 发展的关键因素，尤其是在其早期阶段。高血糖通过增加AGE、PKC的产生和激活以及增加多元醇和己糖胺途径的通量而增加氧化应激。氧化应激增加，加上谷胱甘肽（GSH）水平降低，导致炎症中间产物的产生、血视网膜屏障（BRB）的破裂、周细胞的死亡，从而增加血管通透性。此外，增加的氧化应激通过严重的脂质过氧化、氧化性DNA损伤、蛋白质氧化、炎症诱导改变糖尿病视网膜，并增加VEGF等生长因子的表达。VEGF是血管病变发展所需的促血管生成因子。糖尿病使视网膜神经元受到应激，作为一种生存策略被触发释放VEGF。然而，上游应激条件的持续性决定了VEGF的积累，从而导致BRB的破坏，从长远来看，还决定了新生血管生成，从而导致DR。已显示视网膜缺氧会刺激糖尿病视网膜病变中促炎细胞因子和促血管生成生长因子的产生。通过促进不受控制的新血管生长、增加血管通透性和视网膜细胞损失来促进疾病发展。

糖尿病视网膜病变动物模型：为了更好地了解人类疾病的病理生理学及其潜在的治疗方法，需要一种有效且经过良好测试的动物模型。许多动物模型用于筛选DR的药理作用。包括啮齿动物，如小鼠、大鼠、狗、猫、斑马鱼、猪和非人类灵长类动物。这些模型是使用各种技术建立的，包括药理学诱导、半乳糖饮食喂养和自发选择育种或基因改造。每个模型都有明显的优点和缺点。猴与人眼的结构相似，其中存在黄斑，这是人类 DR 的重要损伤部位。这种结构相似性可用于活体影像学检查、医学或外科治疗试验以及诊断用生物标志物筛选等研究。然而，在人类DR中没有观察到血管病变。由于其体积大、寿命长和不可避免的伦理要求，作为 DR 筛查的动物模型的使用受到限制。Marmoset是DR.的另一种动物模型。它们的眼球很大，解剖结构与人眼相似。然而，由于研究时间长、成本高，它们的使用受到限制。其他大型动物，如猪、狗和猫，它们的眼球比啮齿动物的眼睛更大，更容易操作。然而，由于价格不断上涨，无法获得特定的分子试剂和抗体，与人类具有不同的基因背景，以及其体积大难以维持，限制了它们作为DR筛查动物模型的使用。兔子、大鼠和老鼠等小动物经常被用来筛查DR。然而，这些动物模型也与它们的优缺点有关。兔子的眼球比啮齿类动物大，但它们有一个微血管视网膜循环，而人类有一个双重微血管循环。大鼠和小鼠随时可用，易于管理，体积更小，价格更实惠。它们的生殖周期很短，具有类似人类的遗传背景。大鼠和小鼠的DR病变发展较快。然而，它们并不能精确地模拟人类的状况，特别是在病理学方面。当用作 DR 模型时，斑马鱼有几个优点，包括类似于人眼的视网膜结构、与人类相当的锥体密度和数量，以及大量繁殖的能力。这些特性，再加上它们的寿命短、生长速度快和能够大量繁殖，使它们成为高通量筛选、基因筛选和显着缩短实验时间的理想选择。斑马鱼和人类之间视网膜血管结构缺乏相似性、由于体积小而难以处理以及缺乏分子研究试剂是导致斑马鱼作为 DR 筛选模型使用有限的因素。

糖尿病神经病变：糖尿病神经病变，也称为糖尿病周围神经病变（DPN），是一组具有高度复杂病理生理学的疾病，可破坏躯体和自主神经系统。根据多伦多糖尿病神经病变共识小组的研究，DPN是一种对称的、长度依赖性的感觉运动多发性神经病，由与慢性高血糖和心血管危险因素相关的代谢和微血管变化引起。神经病变是I型和II型糖尿病的长期并发症，定义为糖尿病患者在排除代谢、遗传、免疫介导、创伤、毒性、营养、感染、肿瘤和继发于其他系统性疾病等因素出现周围神经功能障碍的体征和症状。疼痛、感觉异常和感觉丧失都是DPN的特征，影响近50%的人群，并与显著的发病率、死亡率和生活质量下降有关。此外，DPN在高达50%的人群中无症状。糖尿病神经病变分为两类：局灶性神经病变和弥漫性神经病变。与局灶性神经病相比，局灶性神经病不常见、起病快且具有自限性，而弥漫性神经病，如远端对称性感觉运动多发性神经病 (DPN) 和糖尿病自主神经病 (DAN)，则更为常见，而且通常是进行性的。超过一半的糖尿病患者患有神经病变，在某些人群中，一次或多次下肢截肢的终生风险可高达 15%。由于缺氧引起的血管异常，如毛细血管基底膜增厚和内皮增生，患者出现临床神经病变。晚期神经病变的定义是振动和热阈值敏感性降低，进展为糖尿病患者神经纤维变性导致的感觉丧失。此外，一些糖尿病神经病变患者会出现痛觉过敏、感觉异常和异常性疼痛，40-50% 的患者会出现疼痛。 一些没有神经病变临床证据的糖尿病患者（10-20%）也报告了疼痛。因此，糖尿病患者的生活质量严重受损。慢性高血糖是导致糖尿病神经病变的代谢改变的主要因素。高血糖会激活多种生化途径，包括多元醇途径的过度活跃，导致肌醇、AGEs途径、二酰甘油蛋白激酶C（DAG/PKC）途径以及己糖胺途径的减少，导致氧化应激，导致神经元损伤和神经元血流量减少。血管缺陷引起的缺血和缺氧也会导致神经组织的功能和结构异常。

图1、糖尿病视网膜病变的病理生理学。高血糖增加磷脂酶A2和COX2的活性，以及氧化应激。酶活性增加导致血管通透性增加，从而导致糖尿病视网膜病变。 氧化应激增加会激活多种途径，包括多元醇、AGE、PKC 和己糖胺通量途径，导致炎症和神经变性，最终导致糖尿病视网膜病变。

图2 、糖尿病神经病变的病理生理：：高血糖刺激多种途径，包括多元醇、己糖胺、PKC/DAG、AGEs通路，导致氧化应激引起糖尿病神经病变。

糖尿病神经病变动物模型：DPN的动物模型研究主要包括急性疾病发展和较短的研究时间，这与人类的临床观察相矛盾，人类糖尿病神经病变由于持续高血糖而进展数年，DN的严重程度取决于高血糖水平。由于低运动神经传导速度 (MNCV) 的发展，糖尿病猴可能提供可接受的人类糖尿病神经病变实验模型，这相当于人类的临床观察，最早可在高血糖发作后两年内观察到。然而，由于运动诱发振幅的变化和神经传导诱导时间的延长，该模型在DN筛查中的应用受到限制。虽然糖尿病中国仓鼠被用作人类DPN的模型，但这种类比并不精确。一般来说，中度糖尿病仓鼠的神经病变在其临床阶段不如人类严重。啮齿动物具有结构、行为、功能和分子生物标志物。 因此，它们被广泛用作模型来阐明 DPN 的病因和评估潜在治疗方法的功效。最常见的啮齿动物模型是饮食/营养诱导模型、链脲佐菌素诱导的大鼠和小鼠模型、化学和营养诱导模型的组合、Zucker 糖尿病肥胖大鼠模型、BB/Wor 和 BBZDR/Wor 大鼠模型及转基因/敲除模型。一些研究人员研究了啮齿类动物的 DPN，但由于糖尿病类型、动物品系、诱导方法、动物年龄和性别以及糖尿病持续时间等实验差异，很难将这些研究与人类 DPN 联系起来。

糖尿病肾病：Kimmelstiel-Wilson综合征、结节性糖尿病肾小球硬化和毛细血管间肾小球肾炎用于描述糖尿病肾病。肾功能部分丧失与肾病综合征、肾小球硬化、慢性蛋白尿、肾小球滤过率（GFR）降低、高血压和液体潴留有关。临床上，糖尿病肾病与升高的蛋白尿有关。大约20%和40%的糖尿病患者有发生肾功能衰竭的风险，家庭研究表明发生DN的风险主要是遗传因素。在人类中，糖尿病蛋白尿与发展独特的组织病理学特征相关，包括肾小球基底膜（GBM）增厚和系膜扩张。蛋白尿和肾功能不全的进展导致肾小球硬化、小动脉透明质增生和肾小管间质纤维化。糖尿病肾病是1型和2型糖尿病慢性并发症的结果。糖尿病肾病进展经历五个阶段：第一阶段为肥厚性高滤过，第二阶段为安静期，第三阶段为微量蛋白尿，第四阶段为慢性肾衰竭，第五阶段为终末期肾衰竭。在患有这种疾病15年的人中，大约20-30%有微量蛋白尿，只有不到一半的人患上了真正的肾病。慢性高血糖诱导氧化应激，导致多元醇途径、己糖胺途径、蛋白激酶C（PKC）亚型激活和AGEs形成增加，改变蛋白质功能并引发病理性细胞反应。多信号转导级联激活导致促炎和促纤维化介质的释放，从而改变肾内血流动力学。这些因素共同导致肾脏结构和功能的改变，如肾小球通透性改变、肾小球高滤过、肾小球基底膜增厚、系膜基质合成，并最终导致肾小球硬化和间质纤维化，从而导致细胞凋亡， 足细胞丢失和 GFR 降低。

图3、糖尿病肾病的病理生理学。高血糖会增加肾脏的葡萄糖负荷和氧化应激。

糖尿病肾病动物模型：缺乏可靠的临床前模型一直是开发DN新干预措施的障碍之一。为了更好地理解糖尿病的发病机制和测试新的糖尿病治疗方法，开发了许多糖尿病动物模型。这些动物模型是通过外科手术、药物、化学、基因工程（基因敲除和转基因）、营养干预以及两种或两种以上方法的组合而产生的。可使用的动物模型应显示DN的主要特征，如肾功能下降、蛋白尿和系膜溶解、系膜扩张、肾小球滤过率增加、基底膜增厚和结节性肾小球硬化。然而，无法获得具有上述所有人类DN特征的动物模型。此外，不同品系和遗传背景的啮齿动物不会发生与人类所见的非常相似的肾脏变化。因此，糖尿病类型、研究持续时间、肾病的发展、动物死亡率以及维持和繁殖成本是在选择合适的 DN 评估模型时应考虑的重要因素。

结论：尽管有许多动物模型可用于筛选药理活性，但难以选择最合适的模型。由于啮齿动物的可用性、易操作性和成本，啮齿动物最常用于糖尿病并发症的筛查。使用转基因模型进行药理学筛选已经取得了优势。 此外，如今斑马鱼的使用被认为是一种“完整的拼盘”，具有糖尿病微血管并发症的几乎所有特征。它快速、灵活、廉价，能够进行高通量分析和筛选，并且可以在较短的时间内与其他动物模型（小鼠和大鼠）的表型相似。此外，该模型还提供了用于分析的复杂成像技术，并允许使用高通量技术实现简单快速的遗传和药理学方法。因此，斑马鱼模型被认为是筛查糖尿病视网膜病变最合适和最先进的模型，而啮齿动物模型不能模拟人类糖尿病视网膜病变的特征。啮齿动物模型由于易于遗传操作、成本低、妊娠时间短以及与人类的高遗传同源性，被认为是评估糖尿病肾病的最合适模型。斑马鱼在评估糖尿病肾病时存在一些缺点，即斑马鱼中的原始肾细胞在功能上明显不同于人类，水溶性药物筛选是斑马鱼的另一个限制。啮齿动物模型被认为最适合于糖尿病神经病变的药理学评估，因为啮齿动物表现出与人类一样的行为、功能、结构和分子生物标记物。此外，易于操作和维护动物是使啮齿动物模型成为评估糖尿病神经病变最合适模型的一些额外因素。

原文出自：Animal models of diabetic microvascular complications: Relevance to clinical features - ScienceDirect