四氧嘧啶建立1型DM動物模型研究進展

周海東 羅昌泰 稂宇嘉 韋積華 周俊秀 玉藍青

1.右江民族醫學院，廣西百色 533000；2.右江民族醫學院附屬醫院運動醫學科，廣西百色 533000；3.廣西百色市婦幼保健院，廣西百色 533000

糖尿病（diabetes mellitus，DM）是一種血糖調節功能紊亂為特征的疾病。根據病因的不同，可分為1 型DM、2 型DM 以及妊娠糖尿病等類型[1]。研究顯示，我國兒童DM 發病率逐漸上升，成為全世界兒童發病率上升最快的國家之一[2]。此外，機體高血糖會導致各種急、慢性并發癥的發生，如糖尿病酮癥酸中毒、糖尿病高滲性昏迷、糖尿病腎病、糖尿病足等，降低患者的生活質量，給社會和個人帶來巨大的經濟負擔[3]。然而，臨床上尚無有效手段根治DM，其治療以控制血糖為主，胰島素及降糖藥物均有副作用，如低血糖、胃腸道反應、肝腎功能損害等，嚴重者危及生命。因此，DM 的基礎實驗及治療機制研究成為當今熱點。四氧嘧啶可致胰島β 細胞發生不可逆性損傷，最常用于構建DM 模型；其毒性較強，可致肝腎發生急性損傷而危及生命。查閱“知網”“維普”“Pubmed”等國內外檢索網站，未見四氧嘧啶安全使用劑量及誘導模型成功率的報道，或給出“異常低的死亡率”“無顯著死亡率”等模糊的報告[4]。因此，合適的誘導劑量提高DM動物成模率迫在眉睫且順應當今科學技術發展。

1 四氧嘧啶致DM機制

四氧嘧啶于1838 年被合成，于1943 年首次被發現具有致DM 的作用[5]；此后，很多學者對其化學性質及生物學效應進行研究發現：①四氧嘧啶是一種親水不穩定的嘧啶衍生物，其親水性是誘導DM 發生的重要生理特性。②四氧嘧啶與葡萄糖競爭結合胰島β 細胞上載體蛋白，減少胰島素分泌。③四氧嘧啶可使胰腺細胞核酸自發斷裂，導致不可逆損傷。

1.1 氧化還原反應

四氧嘧啶極不穩定，入血后立即氧化成“化合物305”，同時產生活性氧（reactive oxygen species，ROS）破壞磷脂雙分子結構；胞內存在-SH 基團的還原劑[如還原型谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）、半胱氨酸（cysteine，CySH）及可與蛋白質相結合的巰基（包含-SH 的蛋白質）]時，四氧嘧啶被還原成徑尿酸，產生大量的超氧自由基，加速細胞損傷。此外，當體內存在氧化劑（O2、H2O2等）時，徑尿酸又被氧化成四氧嘧啶，產生ROS[6]，見圖1。

圖1 四氧嘧啶在胞內發生氧化還原反應

1.2 誘發低血糖機制

胰島β細胞胞膜鑲嵌著兩種重要信號蛋白——依賴葡萄糖轉運蛋白2（glucose transporter-2，GLUT-2）、葡萄糖激酶（glucokinase，GK）。胰島素分泌依賴于GK，GK 由體內的葡萄糖激活；四氧嘧啶與葡萄糖具有相似的化學結構，但前者對-SH 基團的親和力遠高于后者。胞膜的GK 與四氧嘧啶的結合更快速、緊密，且不會產生與葡萄糖結合時的生理作用（促進胰島素分泌），從而使胰島素分泌受限。意味著四氧嘧啶可作用于上述靶點，中斷胰島素分泌信號，導致血糖升高[7-8]。

此外，四氧嘧啶誘導胞內Ca2+釋放，使細胞處于持續去極化狀態，電壓依賴性鈣通道長時間開放，大量Ca2+涌入，致使胞內DNA 發生斷裂，這或許是胰島β 細胞無法再生的機制[9]，見圖2。

圖2 四氧嘧啶誘發低血糖機制

2 不同劑量下各臟器損傷分析

構建DM 模型因劑量及注射方式不同有所差異：①腹腔注射（intraperitoneal injection，ip），150～180 mg/kg 范圍內有小鼠成功造模報道；75～250 mg/kg 范圍內有大鼠成功造模報道；兔未見相關報道。②靜脈注射（intravenous injection，iv），50～75 mg/kg 范圍有小鼠成功造模報道；35～120 mg/kg 范圍有大鼠成功造模報道；60～200 mg/kg 范圍有兔成功造模報道。此外，報道指出四氧嘧啶有多系統、多臟器損害風險，且與注射方式及劑量存在一定關聯，主要表現為：①血糖水平增加，體重下降；②胰腺細胞破壞明顯，周圍大量炎癥細胞浸潤，肝、腎組織炎癥損傷明顯；③心臟重構；④大動脈內膜增厚、損傷，中、小動脈硬化；⑤血液中炎癥因子、細胞毒性因子等水平升高；⑥牙釉質、牙本質損傷。見表1。

表1 四氧嘧啶誘導糖尿病小鼠模型的注射劑量（mg/kg）

上述條件均有報道成功構建DM 模型，但既往的研究中多數學者未報道成模率，而是“異常低的死亡率”“無顯著死亡率”等模糊報告。單次ip 四氧嘧啶200 mg/kg，鼠DM 死亡率為30%，若通過iv給藥，則死亡率更高[31]。單次ip 四氧嘧啶140 mg/kg，動物存活率較高（具體未說明）。通過ip 四氧嘧啶90～140 mg/kg，大鼠血糖恢復正常，成模率極低，提示低劑量ip 給藥無法長期維持大鼠DM 狀態。通過iv 80 mg/kg 四氧嘧啶構建兔DM 模型，死亡率為75%，增加至150 mg/kg，死亡率達100%；而分三次給藥（每次50 mg/kg）死亡率為41.67%[32]。綜上，有理由認為構建DM 模型所需的四氧嘧啶劑量并不恒定，在同一種屬、同性別、成熟度相似且體重相近的情況下，所需劑量均不同，且死亡率極高，給后續研究帶來諸多不便。但不同注射劑量及注射方式可表現出不同組織、不同程度的機體損害。

再者，總結四氧嘧啶常用造模劑量及對全身各組織損傷情況，避免選用多臟器損害的劑量進行造模，可降低其他臟器產生的誤差，如通過ip 方式給藥的大鼠，75 mg/kg 可造成胰腺結構改變、動脈硬化等病理改變，120 mg/kg 可造成較嚴重的心肝腎及胰腺等多臟器損害，表明在75～120 mg/kg 區間內選擇偏向75 mg/kg 對實驗動物影響較小。在小鼠、家兔及不同注射方式中均有類似表現。因此，通過對比不同劑量下機體各臟器的損害程度及相關因子的表達情況，對選擇合適造模劑量、降低造模死亡率有重要指導意義。

3 總結

DM 在我國為高發疾病，其發病機制尚未明確，治療手段單一。因此，探索其發病機制、尋找有效療法至關重要，而構建DM 動物模型是研究其機制和治療方法的基礎及關鍵環節。四氧嘧啶作為構建DM 動物模型最常用的誘導藥物，國際上卻未報道提高其存活率方法，提高存活率及造成的實驗誤差成為DM 建模難題。綜上，本文總結近年構建DM 模型采用的劑量及可能產生的各組織損害，為后期科研工作者提供參考。下一步課題組將對此進行探索，進而為相關研究人員構建DM 動物模型提供有效依據。