樹鼩在人類代謝性疾病中的應用與展望

夏 巍，賴永靜，杜 龍，王夢琳，王 紅，戢克銅，馮清源，唐安洲

(廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院，南寧 530000)

代謝是指生物體內(nèi)各種物質(zhì)所發(fā)生的用于維持生命的一系列有序的化學反應的總稱，這些反應進程使得生物體能夠順利生長和繁殖、保持它們的結構以及對外界環(huán)境做出反應[1]。代謝通常被分為兩類：分解代謝可以對大的分子進行分解以獲得能量(如細胞呼吸)；合成代謝則可以利用能量來合成細胞中的各個組分，如蛋白質(zhì)和核酸等。而一旦物質(zhì)的代謝出現(xiàn)問題，生物體就會表現(xiàn)出相關疾病，如：糖尿病、脂肪肝、動脈粥樣硬化、痛風、營養(yǎng)不良癥、維生素缺乏病、骨質(zhì)疏松癥等等。步入二十一世紀以來，隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的迅猛發(fā)展，人們的生活條件得到了極大的提高，而與此同時人們的飲食結構及生活方式也發(fā)生了改變。為了適應生活節(jié)奏的加快，人們鍛煉的時間被大大壓縮，飲食和作息變得不規(guī)律，社會心理壓力也越來越大等等，使得代謝相關性疾病出現(xiàn)普遍化、年輕化，不僅損害了患者的自身健康，還為家庭和社會帶來沉重負擔。因此，世界各國對代謝性疾病研究的投入只增不減，而由于臨床的諸多限制，動物模型成為了各國科研工作者的主戰(zhàn)場。

樹鼩是一種新興的實驗動物，不僅具有來源廣、體型小、繁殖周期短、方便飼養(yǎng)的特點，更重要的是全基因組結果證實樹鼩是靈長類動物的近親[2]，其無論是在基因水平還是生理水平，相較于目前常用于動物模型研究的非靈長類動物都有明顯優(yōu)勢[3]，同時不必像靈長類動物那樣受到嚴格資源和倫理的限制，故而受到各國科研工作者的青睞。目前樹鼩動物模型在病毒感染、視覺傳導、心理應激、抑郁、神經(jīng)及腦功能、腫瘤等諸多領域[4-14]的研究已經(jīng)取得一定進展，而在代謝性疾病中的應用還處于探索階段，也尚未見有系統(tǒng)性報道，本文就樹鼩在人類代謝性疾病中的研究做一綜述。

1 糖代謝

樹鼩喜食甜食，在進食后的30 min內(nèi)是血糖上升的高峰期，餐后1 h血糖為空腹血糖的兩倍，6 h后血糖依然維持較高水平，在糖耐量測試中，樹鼩較大鼠對糖更加敏感，但是其對糖的代謝能力較差[15-16]，而且樹鼩的糖代謝紊亂同人類一樣，與體重、年齡、性別關系密切[17]，說明樹鼩是一種良好的糖尿病動物模型，可用于糖尿病的機理研究。

早在1997年Ishiko等人[18]就通過給樹鼩注射鏈脲佐菌素(sreptozotocin，STZ)誘發(fā)了樹鼩糖尿病，并以此模型來研究糖尿病的早期眼部損傷。在那之后一些研究者[19]對STZ誘發(fā)樹鼩的糖尿病的劑量關系進行了探究，發(fā)現(xiàn)多次小劑量STZ注射可誘導樹鼩出現(xiàn)類似2型糖尿病(diabetes mellitus type 2，T2DM)癥狀和糖尿病腎損傷，而單次較大劑量的STZ注射誘導樹鼩出現(xiàn)的糖尿病癥狀更類似1型糖尿病(diabetes mellitus type 1，T1DM)。其中值得一提的是，冼蘇等人[20]在研究STZ誘導樹鼩糖尿病模型時，樹鼩不僅有不同程度的多飲、多食、消瘦等糖尿病表現(xiàn)及胰島數(shù)明顯減少，體積變小，β細胞數(shù)量減少、脫顆粒、空泡樣改變等糖尿病病理改變，而且胰島淀粉染色也呈陽性。胰島淀粉化在90%的人類2型糖尿病患者中都存在，目前許多研究者認為非人靈長類動物與人類T2DM臨床病理特征最相似的地方就是胰島淀粉樣沉積，并且淀粉樣沉積的嚴重程度與所需的外源治療胰島素的量成正比，而嚙齒類動物糖尿病模型中未見有此現(xiàn)象，這也是嚙齒類動物模型與人類T2DM的一個顯著區(qū)別[21]。除此之外，對樹鼩的誘導糖尿病并發(fā)癥的研究也時有報導，如蒙碧輝等人[22]研究樹鼩1型糖尿病的骨骼肌病變發(fā)現(xiàn)骨骼肌纖維普遍性萎縮、灶性肌絲溶解、肌質(zhì)膜異常突起和線粒體損傷是T1DM樹嗣骨骼肌病變的主要特征，推測骨骼肌組織中細胞凋亡通路激活可能是糖尿病肌病的重要原因，并在后續(xù)的實驗中發(fā)現(xiàn)了骨骼肌組織對葡萄糖轉(zhuǎn)運體-4(glucose transporter-4，GLUT4)、磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)的表達明顯受損[23]；Wu等人[24]研究糖尿病與肝改變的聯(lián)系發(fā)現(xiàn)在STZ誘導樹鼩1型糖尿病的早期階段，是由高血糖引起的氧化應激導致肝組織中醛糖還原酶的高表達而誘發(fā)炎癥反應最終使肝臟細胞損傷甚至死亡。除了有有關樹鼩糖尿病建模及其機制的研究，令人鼓舞的是近幾年也出現(xiàn)了一些在糖尿病樹鼩上嘗試新型糖尿病療法的探索。Pan等人[25]在2016年首次證實了使用分化自樹鼩臍帶血間充質(zhì)干細胞(tree shrews umbilical cord blood mesenchymal stem cells，TS-UC-MSCs)的功能性胰島樣細胞治療樹鼩糖尿病的可行性，TS-UC-MSCs移植顯著降低了血糖和脂質(zhì)含量，改善胰島素抵抗和調(diào)節(jié)胰島素分泌，并減少促炎因子白細胞介素1(interleukin-1，IL-1)和白細胞介素6(interleukin-6，IL-6)的表達，同時還能減輕胰腺及肝腎細胞的變性壞死。2017年，該團隊又進一步發(fā)現(xiàn)在樹鼩T2DM的治療中，UC-MSCs移植可降低血糖水平，增加胰島素分泌，降低胰島素抵抗，并促進糖尿病樹鼩的島組織修復，這些變化可能通過調(diào)節(jié)影響胰島素信號通路的癥因子來實現(xiàn)；Notch信號通路可能參與了UC-MSCs向分泌胰島素細胞的分化；SOCS3基因可能是參與T2DM發(fā)生發(fā)展的關鍵分子，進一步證實了UC-MSCs移植可能是治療糖尿病的一種潛在的新型治療方法[26]。

2 脂代謝

隨著新一代的基因測序技術的出現(xiàn)和生物信息學的發(fā)展，越來越多樹鼩脂類代謝相關基因和蛋白被發(fā)現(xiàn)，相較于其它實驗動物其與人類對應的基因、蛋白一致性更高，例如：在膽固醇的逆轉(zhuǎn)運過程中起到重要作用的血漿膽固醇酯轉(zhuǎn)運蛋白(cholesterolester transfer protein，CETP)，在不同動物與人類的一致性分別為樹鼩81%、猴80%、兔74%[27-29]，此外，樹鼩血中高密度脂蛋白(high-density lipoprotein，HDL)約占血脂總量的70%且長期攝食高膽固醇后含量并未出現(xiàn)顯著變化[30-31]，這些都是樹鼩可以成為人類脂代謝相關疾病動物模型的基礎。

2.1 非酒精性脂肪肝

非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)是一種除外酒精和其它明確損肝因素所致的，以彌漫性肝細胞大泡性脂肪變?yōu)橹饕卣鞯呐R床病理綜合征[32]。由于臨床的諸多限制，動物模型成為了研究NAFLD的發(fā)病機制和治療不可缺少的工具，其中樹鼩擔當了重要角色。2015年，Zhang等人[33]利用高脂肪膽固醇和膽酸脂飲食(high fat cholesterol and high bile acid diet，HFHC)誘發(fā)了樹鼩NAFLD。具體表現(xiàn)為血脂異常，血漿丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶和天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶、膽固醇及甘油三酯水平下降；肝組織病理檢查顯示，HFHC飲食在10周內(nèi)逐漸成功誘導肝脂肪變性，發(fā)炎和纖維化；此外，HFHC誘導肝中脂蛋白脂肪酶的轉(zhuǎn)錄表達，但抑制低密度脂蛋白受體的表達，以及內(nèi)源性合成途徑。該研究還發(fā)現(xiàn)，如果利用泊洛沙姆407(poloxamer 407，P-407)對脂蛋白脂肪酶進行抑制，則可以改善脂肪變性的嚴重程度并減輕炎癥反應，這些結果不僅說明脂蛋白脂肪酶在NAFLD中的重要作用，也為樹鼩在NAFLD中的進一步研究奠定了基礎。2016年該團隊進一步利用不同的飲食配比誘發(fā)了非肥胖型樹鼩NAFLD[34]，表現(xiàn)為肝損傷和高膽固醇血癥，但對體重和脂肪組織生成或血糖無影響，該模型的出現(xiàn)填補了目前非肥胖型NAFLD動物模型缺乏的空白，為日后人類非肥胖型NAFLD的研究打開了新的大門。

2.2 動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)病變的主要特征是血管內(nèi)皮的脂質(zhì)浸潤和沉積，脂質(zhì)代謝異常是動脈粥樣硬化始動因素。有意思的是，目前的研究表明樹鼩具有較強的抗AS能力，其具體機制也一直是研究的熱點。近年來隨著對AS研究的深入，對于樹鼩抗動AS機制的研究也從血清脂譜構成異常轉(zhuǎn)向了樹鼩體內(nèi)與抗AS相關的蛋白及基因研究[29]。2010年Liu等人[35]測定了人類、樹鼩和北京鴨血漿脂質(zhì)譜及CETP和磷脂轉(zhuǎn)運蛋白(phospholipid transporter protein，PLTP)的活性，發(fā)現(xiàn)了低血漿CETP和PLTP活性可能是導致樹鼩血液HDL-C/LDL-C比值高和對AS的高抗性的原因。另有研究表明調(diào)節(jié)胃腸及肝對膽固醇吸收的Niemann-PickC1-L1(NPC1LD)，在AS的樹鼩模型中因為小腸組織的脂肪代謝而出現(xiàn)了高表達，并提出NPC1LD可能參與了血脂紊亂的病理生理過程[36]。

3 鐵代謝

鐵是人體最容易缺乏的必需微量元素之一，鐵缺乏可導致缺鐵性貧血，它被世界衛(wèi)生組織確定為世界性營養(yǎng)缺乏病之一，也是我國主要公共營養(yǎng)問題。我國7個月～ 7歲兒童缺鐵總患病率為40.3%，其中嬰幼兒缺鐵率高達44.7%[37]。胎兒在母體內(nèi)發(fā)育每天都需要5 mg左右的鐵，而分娩時也要失掉一部分血，因此孕期對鐵的需要量很大，如果此時鐵的供應量不足，孕婦就會貧血，繼而影響胎兒的發(fā)育，使新生兒貧血[38-39]。因此利用動物模型了解人類孕期的鐵代謝情況適時適量補鐵，及研究鐵代謝相關疾病是十分必要的。Zeller等人[40]利用懷孕樹鼩，通過電子能譜和組織化學技術發(fā)現(xiàn)了在樹鼩分娩期間和分離胎盤后流出的血液進入了子宮內(nèi)膜，并且其中的紅細胞被子宮內(nèi)膜巨噬細胞吞噬，而被吞噬的紅細胞的血紅蛋白釋放的鐵在巨噬細胞中暫時儲存為鐵蛋白，并在隨后的懷孕期間釋放到子宮內(nèi)膜腺細胞中。在哺乳動物中，紅細胞的吞噬作用似乎是提供胚胎的鐵的重要來源，通過從樹鼩和狗等動物模型的研究表明，子宮內(nèi)膜巨噬細胞吞噬紅細胞和將鐵轉(zhuǎn)移到子宮內(nèi)膜腺是胚胎早期發(fā)育階段中主要的鐵來源，故在妊娠晚期和第一次懷孕期間，需要額外的鐵供應來維持胚胎發(fā)育[40]。

4 膽結石

膽結石的病因十分復雜，是多因素綜合作用的結果，其中代謝相關因素主要與膽汁中的膽鹽、卵磷脂和膽固醇的代謝紊亂有關。Schwaier等人[41-42]測定了從樹鼩膽囊和肝獲得膽汁的組成成分，其膽汁酸譜的種類和含量都與人類具有高度相似性。將20%的黃油，20%的蔗糖和1%的膽固醇添加到樹鼩日常標準飲食中，可以迅速誘導出膽結石，而相同條件下的嚙齒類動物膽汁中含有膽固醇結晶或少量結石，液晶和脂肪滴。隨后通過將樹鼩分組，分別向各組日常標準飲食中加入黃油、膽固醇、黃油加膽固醇和蔗糖，以分析各飲食成分對結石形成的影響。得出的結論是，這三種成分的飲食對膽結石的形成均有一定貢獻，其中高脂飲食顯著利于膽結石的形成。之后該團隊利用上述樹鼩膽結石模型又進一步研究了增加攝入膽固醇(cholesterol，CH)后的代謝反應。在喂食含有20%脂肪和2%膽固醇的高脂飲食4個月后與標準飲食的動物相比，血清膽固醇值高出約2倍，肝膽汁中膽固醇值高出約14倍，而膽固醇在空腸、回腸和肝內(nèi)的合成率分別只有對照組的44%、15%和7%，這說明高膽固醇飲食存在誘導反饋機制，其降低肝和小腸中膽固醇的產(chǎn)生，但是這種機制并不能阻止血清和肝臟膽汁中膽固醇的升高而最終引發(fā)膽囊內(nèi)膽結石的形成。樹鼩體內(nèi)膽固醇的代謝在肌肉、皮膚、腎、心臟和小腸存在不同于血清和肝的一套自我平衡機制，通過飲食增加的膽固醇從胃腸道吸收并傳送到肝后一部分沉積，一部分分泌到膽汁和血清中，并通過減少內(nèi)部合成成功地抵消了部分過量的膽固醇攝取[43]。

5 骨質(zhì)疏松癥

WHO將骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)定義為是一種以骨量減低和骨微結構破壞為特征，導致骨脆性增加和易發(fā)生骨折的代謝性骨病[44]。我國約有1.5億60歲以上老人，占總?cè)丝诘?1%，OP發(fā)生率約為60%，其中并發(fā)骨折者高達12%[45]。目前用于OP研究的仍以嚙齒類動物為主，但是由于種屬限制，無法對其病變機制及治療進行更深層次的研究和探索，而樹鼩作為靈長類動物的近親開始慢慢引起科研工作者的重視。2015年首次有文獻報道采用手術雙側(cè)卵巢去勢法在樹鼩上復制了人類OP，并且成模率高，模型穩(wěn)定性好[46]；2017年又有研究表明不同飼養(yǎng)空間會引起骨鈣素、I型膠原氨基前肽、血抗酒石酸酸性磷酸酶、血I型膠原羧基交聯(lián)肽等骨代謝指標的改變；樹鼩在骨折后恢復期的骨吸收和骨形成都較為活躍，部分說明了此時骨轉(zhuǎn)化較為活躍[47]。值得注意的是，目前許多研究表明，AS與OP存在一定關系，骨質(zhì)喪失的越多，血管鈣化的嚴重程度也會增加[38, 48]，同時有文獻報道具有降血脂作用的他汀類藥物也能抗骨質(zhì)疏松，而治療骨質(zhì)疏松的雙嶙酸鹽也能夠抑制AS，他汀類藥物能通過刺激骨基質(zhì)蛋白的表達和血管內(nèi)皮生長因子的產(chǎn)生來使成骨增加以補充骨密度[44, 49]，這些都說明AS與OP關系密切，利用樹鼩進行兩者關系的探究將會是一件十分有意義的事情。

6 總結與展望

就人類代謝相關性疾病的動物模型研究而言，目前較為常見的是利用基因工程技術或飲食誘導大、小鼠各類代謝性疾病；基因工程技術最大的優(yōu)點是可以揭示一個或少數(shù)基因在疾病中的作用，甚至可以在沒有環(huán)境因素的作用下致病，但是人類代謝性疾病的發(fā)生往往涉及多基因、多因素的交互作用，所以此類模型僅能能模擬疾病的的部分表型，難免管中窺豹，并且模型建立技術復雜、飼養(yǎng)條件高、易出現(xiàn)變異，成本高也是需要考慮的問題；飲食誘導模型具有簡便、成本低、成模率高的優(yōu)點，缺點是由于種屬間差異，嚙齒類動物的物質(zhì)代謝過程與人類相去甚遠，較難準確揭示疾病的病理生理過程。樹鼩作為人類疾病動物模型出現(xiàn)在人們的視野雖然還只有三十多年的時間，但是因為其與靈長類動物獨特的親緣關系以及體型小、繁殖快、易飼養(yǎng)的優(yōu)點而廣受科研工作者的青睞，在各種人類疾病的研究中呈現(xiàn)遍地開花的景象，就代謝性疾病研究方面，樹鼩自身對各物質(zhì)代謝的特點也為模型的建立提供了極大的方便，同時隨著對樹鼩代謝基因挖掘的深入，越來越多在人類代謝過程中起重要作用的基因在樹鼩中亦被找到，這不僅為樹鼩在人類代謝性疾病中的應用奠定了基礎，更是為利用模式動物研究人類代謝性疾病打開了新的大門。目前在糖尿病、動脈粥樣硬化、非酒精性脂肪肝、膽結石及骨質(zhì)疏松癥等代謝性疾病中已經(jīng)造模成功，并對其機制和相關影響因素有了一定研究。但是，作為新興的實驗動物，目前實驗來源的樹鼩缺乏明確的遺傳背景和純化品系，這對樹鼩的規(guī)范化和規(guī)模化使用造成了一定困難；并且對樹鼩基礎生理指標的研究仍然相對較少，加上樹鼩易受激的特性使得各項指標的測量存在一定的偏差，這些都限制了對樹鼩代謝機制及其病理生理過程的進一步揭示，日后若能消除這些壁壘，樹鼩在人類代謝性疾病中的應用將會大大提升。