基于數據挖掘的肥胖動物模型分析

祁木森 王 莉

1.遼寧中醫藥大學研究生學院，遼寧沈陽 110847；2.遼寧中醫藥大學附屬醫院治未病科，遼寧沈陽 110032

△遼寧中醫藥大學研究生學院2021級中醫內科學在讀碩士研究生

肥胖是機體內脂肪異常堆積的受多因素影響的一種慢性代謝性疾病，與糖尿病、高血壓等慢性疾病的發生密切相關，已成為一種全球性“流行病”[1]。近年來，隨著人們飲食結構的改變，肥胖癥的患病率呈逐年上升趨勢，約50%的成年人超重[2]，對人類健康危害極大。預防和治療肥胖是擺在人類面前亟須解決的問題。統計學數據顯示，肥胖可誘發代謝綜合征、2型糖尿病、脂代謝異常、高血壓病、痛風、心腦血管等疾病[3]。為了科學防治肥胖，現階段建立有效的肥胖動物模型成為重點。肥胖的動物模型選擇包括哺乳動物和非哺乳動物。非哺乳動物包括斑馬魚、果蠅等。研究發現，果蠅作為肥胖模型有三大優勢：①獲取容易，研究成本低；②果蠅基因組中脂肪調控潛力大，且在全基因組篩選中發現大量額外的脂肪調節候選基因，可通過多種基因編輯工具進行干預；③壽命短，有利于研究在肥胖遺傳過程中的機制[4-5]。果蠅作為研究脂質儲存和脂質分解之間平衡的模型系統具有很大潛力，但由于非哺乳動物解剖和生理與人類仍不完全相似[6]，這一類模型有局限性，而哺乳動物發病機制更接近人類。在哺乳動物中小鼠是肥胖建模中最常用的動物。

1 資料與方法

1.1 數據來源

在中國知網、萬方和維普數據庫中檢索2012年1月1日至2022年12月30日運用肥胖動物造模的實驗性期刊文獻，中文檢索式為“肥胖”“動物模型”；英文檢索式為“Obesity”“Models，Animal”。

1.2 文獻篩選標準

納入標準：①選擇研究肥胖癥并成功造模的實驗性文獻；②造模完全（動物種類、造模方式、造模周期、成模標準、檢測指標明確）且可獲取全文的期刊文獻。排除標準：①綜述、學位論文、期刊、會議論文；②造模方式未明確闡述的文獻；③肥胖合并其他病癥或以肥胖作為合并癥的文獻。

1.3 統計學方法

提取文獻中的實驗動物種類、造模方式、造模周期、造模配比、成模標準、檢測指標等信息匯總，運用Excel整理成肥胖動物造模基準數據庫，并制作數據頻次表格。動物種類、名稱等均參照《實驗動物與動物實驗技術》[7]。

2 結果

2.1 文獻檢索結果

基于中英文檢索式初步檢索，知網625篇，萬方1376篇，維普40篇，共計2041篇文獻，基于文獻篩選標準，并剔除重復文獻以及無法獲取全文的文獻，共納入204篇中文文獻。

2.2 實驗動物種類

篩選符合條件的204篇文獻，統計得出共使用15種動物。其中，使用頻率最高的為SD大鼠和C57BL/6J小鼠，其余實驗動物種類總體分布情況見圖1。高脂飲食誘導的肥胖可促使SD大鼠卵泡發育相關激素水平紊亂進而促使卵泡停止發育，其可能與IGF-1/PI3K/Akt信號通路激活有關[8]，胡文等[9]研究也表明促性腺抑制激素會誘發SD大鼠糖代謝紊亂。C57BL/6J小鼠是常用的實驗室多基因模型小鼠，近交系C57BL/6J小鼠因易發生嚴重肥胖、脂肪堆積、葡萄糖不耐受和中度胰島素抵抗而被廣泛用于肥胖模型[10]。大多數的C57BL/6J小鼠在高脂喂養后出現了肥胖癥狀，總體占比分布在60%左右，可能與小鼠自身個體差異、環境因素等相關。通常C57BL/6J小鼠血糖、血漿胰島素、胰島素抵抗水平和瘦素/脂聯素比率在喂養6周齡時達到高峰，在這個時間段內，肝臟二肽基肽酶4抑制劑的表達在體重增加較多的小鼠中增加顯著，與肝臟脂肪含量無關[11-12]。

圖1 實驗動物種類總體分布情況

2.3 造模方式

將造模方式分為飲食、藥物、手術或遺傳造模4大類。飲食誘導中包含5小類，藥物造模下含4小類，共細化為11種造模方式。出現頻次最高的為飲食誘導（186，89.9%），其次是藥物誘導（16，7.7%），手術造模（3，1.5%）及遺傳模型（2，0.9%），見表1。

表1 肥胖模型造模方式

2.3.1 飲食造模 肥胖的誘因是能量攝入過多或者消耗過低。通過游翕等[10]總結表明食源性肥胖（diet-induced obesity，DIO）動物模型是最能模擬還原人體肥胖過程的方式，目前發病率較高的是營養性肥胖，營養性肥胖與人類肥胖發病過程相似性高，因此營養性肥胖造模是目前主流造模方式。造模方法是通過周期性喂養高脂飼料，增加體重，最終誘發肥胖癥。數據庫中的飲食誘導造模所選用的不同造模類型，依據造模方式分為高脂高糖飲食、高脂高糖飼料、高脂飲食、高脂飼料混合飼料五類。本文主要研究高脂高糖飲食和高糖高脂飼料，其中高脂高糖飲食采用蛋白15.4%+脂肪35.55%+碳水化合物49%，總供能4.8 kcal/g的配比方式；高糖高脂飼料采用58%基礎飼料+30%綿白糖+10%豬大油+2%雞蛋的配比方式。表2和表3分別統計了高脂飼料和高脂飲食的供能及成分配比并統計每種供能的頻次。

表2 高脂飼料及高脂飲食供能配比

表3 高脂飼料及高脂飲食成分配比

2.3.2 化學誘導的給藥方法 研究者[13]在總結歸納肥胖動物造模過程中發現藥物誘導的占比僅次于飲食誘導，藥物選擇性多，大多通過肌內注射造模。區別于飲食造模簡單易行，藥物造模同比周期較短，操作頻次少。總結出用藥頻次變化見表4，發現谷氨酸鈉的劑量從1.6～4.0 g/kg均有報道，單次給藥3～4 g/kg頻次最高。谷氨酸鈉誘導肥胖在肥胖動物造模中應用最廣。主要原理是谷氨酸鈉損傷了下丘腦弓狀核飲食中樞，造成攝食及能量代謝紊亂，引起體型肥胖。研究表明，腹腔注射谷氨酸鈉或金硫葡萄糖誘導肥胖的機制是下丘腦損傷，高劑量谷氨酸鈉迅速消減刺鼠關聯蛋白神經元（Agouti-related protein，AgRP）神經元，誘導中樞神經系統伸長細胞生殖，損傷下丘腦弓狀核及其鄰近區域，導致胰島素抵抗，誘發肥胖[14]。根據實驗驗證，谷氨酸鈉破壞小鼠弓狀核，促生長激素釋放激素分泌減少，動物往往生長緩慢且體型相對較小[15]，且谷氨酸鈉造模小鼠臟器質量及體積都顯著降低。金硫葡萄糖損傷下丘腦腹內側核，誘導過度進食造成肥胖。其作用機制尚不明確，金硫葡萄糖用量較大且價格高昂，對小鼠造成損害不可逆，因此應用較少[16]。

表4 單次給藥頻次

2.3.3 手術誘導 手術選擇雙側卵巢切除術，術后恢復1～2周后，再進行6～16周的藥物治療，進行肥胖造模。優點是手術干預可以模擬中樞異常所致肥胖，與人體中樞異常型肥胖高度統一；藥物或飲食誘導可能造成造模個體激素異常，但手術價格昂貴，且操作難度大，恢復期較長。

2.4 檢測指標

頻數分析將文獻中體重、體長、腰圍、攝食量、攝水量等統稱為生理指標進行統計，血清檢測中血糖、血脂譜、胰島素水平等，統稱為血清生化指標，肥胖特異性指標統稱為脂肪細胞因子，對不同檢測指標進行頻次分類統計，見表5～6。

表5 檢測指標頻次

表6 生化指標頻次

其中頻率最高的是生理指標，共檢測313次。生理指標檢測是動物成模判斷的首要標準，其中頻率最高的是體重檢測（170次），其次是體長（76次）、攝食量（48次）、腰圍（10次）、攝水量（9次）。通過檢測指標計算出肥胖指標，其中李氏指數（Lees index，Lees）（63次）、體重指數（body mass index，BMI）（4次）。其次是生化指標，累計出現246次，肥胖動物通常有合并血脂、血糖、胰島素異常表現，研究者可先行監測血糖血脂譜以此科學判斷肥胖造模是否成功。血清生化指標中較多的依次是血脂譜（156次）、空腹血糖（48次）、血清胰島素（26次）。其次出現頻率最高的是組織病理學（累計頻率104次），最常用的是肝臟脂肪染色病理切片，衍生出脂體比指標（35次）。為了更客觀地判斷實驗動物造模成功與否，實驗者在試驗過程中會進行相應指標監測，其中葡萄糖耐量試驗（oral glucose tolerance test，OGTT）33次、胰島素耐受試驗（iusulin tolerance test，ITT）23次。

2.5 成模標準

2.5.1 西醫成模標準 肥胖動物模型成模標準較不統一，據數據分析所示，目前主流評定方法為：①通過測定體重、體長等計算Lees指數和/或BMI與正常組在統計學上存在顯著差異；②體重相比對照組上升20%；③內臟脂肪含量。并結合表觀指標，觀察實驗動物的活動狀況、攝食量和飲水量、稱體重，肥胖成模動物較對照組明顯表現出體重增加，體長、腰圍明顯增加等特征。具體的造模成功的標準暫未統一，需探尋明確標準。

2.5.2 中醫成模標準 在中醫成模中現階段根據證型來評價建模成功與否。不同證型有其特定的評價指標。評價方法分為行為學指標、量表評價以及生化病理指標等。行為學指標多從行為狀態進行分析。其中脾胃虛弱證采用曠場實驗驗證，肝郁脾虛運用十字實驗、強迫游泳實驗驗證。這些模型具有特定篩選標準。脾腎陽虛、肝胃郁熱、脾虛證型需采用量表評價，模型量表以人類肥胖臨床分型為基礎，基本符合肥胖狀態，但動物模型現階段始終無法完全模擬肥胖發病過程。痰瘀互結證、痰濕證應用血脂作為評價標準，痰瘀互結證檢測血糖、血脂、全血黏度、紅細胞凝集指數、胰島素敏感指數。痰濕證在臨床上與高脂血癥相關，故應用肝組織切片染色以及脂肪量測定。這些評價方法會對動物造成創傷性損害，不利于實驗進程。

3 討論

通過對納入文獻進行數據頻次分析，肥胖動物實驗造模多選用SD大鼠和C57BL/6J小鼠。通常選擇高脂飼料（碳水化合物20%～64.5%，脂肪13.8%～60%，蛋白質15.7%～30%）、高脂飲食（含碳水化合物45%～60%）或注射單次小劑量谷氨酸鈉（3～4 g/kg）的方式誘導。指標多以血脂譜為基礎，選取血糖、血清胰島素、轉氨酶檢測等不同方面來綜合評定。但在實驗動物脂肪切片染色、內在脂肪稱重、肥胖相關激素指標測定以及中醫病證結合造模方面，本文僅通過對實驗性文獻的挖掘分析，未能采取實驗驗證有效造模方式。

飲食誘導是最常見的造模方式，但高脂飲食成分配比以及供能配比存在較大差異，從而導致肥胖建模存在差異性。食源性肥胖不僅與飲食結構相關，還與藥物、腸道菌群、精神狀態等因素[17-19]有關。所以，飲食誘導肥胖無法完全模擬肥胖發生的全過程。在藥物誘導中，谷氨酸鈉法以及金硫葡萄糖法通過影響下丘腦中樞功能誘導進食，出現腹型肥胖；地塞米松注射法造模大鼠出現毛色光澤度差、肌肉無力、反應遲緩、活動較少等脾虛表現[20]；維生素D注射法的肥胖大鼠血清瘦素增加[19]。這些造模方法通過影響動物激素水平，誘導肥胖。其模型穩定且造模結果相統一。從中醫理論來講，通過造模成功的表現對誘導的肥胖大鼠進行證候評分，不僅有利于評價造模成功與否，還有助于研究不同證型造模成功的表現，有利于探尋多樣化的造模方式。

肥胖已經成為困擾世界的重大難題，患者數量上升速度較快，其病理因素等也極易誘發糖尿病、心血管疾病。現階段建立符合人體肥胖發病過程的動物模型成為重點。通過分析2012年1月1日至2022年12月30日實驗性肥胖動物模型造模，發現現階段造模方法暫無統一標準，造模方法、飲食結構、藥物劑量、指標等方面存在差異；有文獻對造模的選擇、方法進行綜合性分析，但缺乏數據支撐。故本文應用數據挖掘的方式對肥胖動物實驗文獻進行數據可視化分析，對肥胖動物造模選擇以及指標監測做出總結，希望可以為今后造模提供理論支持。肥胖動物模型的建立已趨于完善，但模擬人類肥胖發病全過程仍較困難，目前常用的造模方式優缺點明顯：①自發模型發病過程雖能較大程度還原肥胖發病過程，但繁殖的條件高、成本高，難以大規模造模；②高脂飼料誘導模型，造模周期長，成模比例難以把控，成模受環境影響較大，但仍能保持過半成模率，造模成本較低，是現階段應用較廣的造模方式；③手術誘導可以有效模擬出肥胖，但可操作性差，價格昂貴，恢復周期長；④嚙齒動物模型是目前最能還原人類發病機制的模型，但嚙齒動物模型需要大量的人員和資金支持、費用昂貴。因此，開發簡單和廉價的動物肥胖癥模型來補充目前使用的鼠類模型成為期待[6]。

目前應用最廣的肥胖動物模型是高脂飼料誘導的肥胖模型，但仍易受個體因素等影響，仍需繼續研究周期短、造模標準明確的肥胖模型。現階段主要采用西醫疾病模型，缺乏公認的既能體現中醫證候特征又能反映西醫疾病屬性的動物模型，嚴重影響了中藥對疾病的診療功能，因此建立有效的病癥結合模型是現階段迫切需要的[21]。人類肥胖受基因、個體差異、飲食生活結構的影響。通過更換造模方式，重構飲食框架等措施，使動物模型更還原人類肥胖狀態。哺乳動物更易造模，而非哺乳動物（果蠅）易于使用基因編輯工具，篩選鑒定肥胖相關基因，兩者均有優缺點，應該多模型互補應用以建立科學肥胖模型。