应用啮齿类动物建立妊娠期糖尿病模型的研究进展

刁天，贺斌

(1.国家卫生健康委科学技术研究所，国家卫生健康委员会生殖健康工程技术研究中心，北京 100081；2.北京协和医学院研究生院，北京 100730)

妊娠期糖尿病(GDM)是指在妊娠中期或晚期被诊断的糖尿病，在妊娠前不存在明显的糖尿病[1]。GDM发病原因十分复杂，涉及肥胖、晚育、既往GDM史、Ⅱ型糖尿病家族史、种族背景等多种风险因素[2-4]。目前在世界范围内，卫生保健专业人员对其筛查方法缺乏一定的共识[5]。GDM会对母亲和发育中的胎儿造成短期和长期的不良健康后果[6]，首先，宫内的高糖环境容易导致巨大儿的出生[7]；其次，母亲在以后的生活中患Ⅱ型糖尿病(T2DM)的可能性会极大升高[8-9]。此外，GDM母亲的后代在儿童期、青春期及成年后出现不良代谢表型的风险增加[10-11]。GDM带来的不良影响在增加临床上医疗负担的同时，也严重影响了母婴在以后生活中的生活质量。

目前，我们对于这一妊娠期最常见的并发症的发病原因、发病机制及其不良后果的发生机制知之甚少，因此一个完善的建模策略显得尤为重要。已经有人对GDM的4种经典建模策略进行过相关综述[12-13]，然而这几种方法均不能完全重现GDM的主要特征，因此也限制了它们的应用。近十几年来陆续有人对GDM的建模策略进行改进，开发出了一些更加契合临床实际的GDM模型，如高脂饮食联合药物诱导建模[14]，并逐渐成为GDM最常用的建模策略。本文将对GDM建模策略(以啮齿类动物为主)的研究进展进行系统性综述，并简要评价每种建模策略的优缺点及适于研究的问题。

一、GDM经典建模策略

1.胰腺切除手术建模：胰腺切除被认为是诱发糖尿病最直接有效的方法，胰腺切除术包括全部和部分胰腺切除术(Partial pancreatectomy，Ppx)。最初的胰腺切除手术多应用于体型较大的哺乳动物，如犬类、猪和绵羊等[12]。尽管在啮齿类动物中的应用较少，但有两项早期研究应用Ppx诱导出了与GDM妊娠状态相匹配的大鼠糖尿病模型[15-16]。

对啮齿类动物应用此建模方法的优点是建模周期短、血糖升高明显，且对妊娠率几乎无影响。但胰腺切除手术需要专业的解剖知识来识别胰腺组织并进行切除，操作比较复杂且给动物带来了额外的创伤；其次，术后由于胰腺组织的代偿性恢复会导致炎症因子、表皮生长因子的上调等出现与GDM模型无关的症状。因此胰腺切除手术建模策略更适合用于研究妊娠期高糖状态对子宫、胎盘及胎儿的影响。

2.药物诱导建模：药物诱导建立GDM模型是一种比较常用的建模方法，常用的两种药物为链脲佐菌素(Streptozotocin，STZ)和四氧嘧啶(Alloxan)，它们均可特异性破坏胰岛β细胞，从而诱导高血糖状态，其中STZ更为常用。应用STZ建模时，给药剂量并没有统一的标准，大鼠的给药剂量范围是25～60 mg/kg[17-22]。给药方法为腹腔注射[17]、静脉注射[18]和皮下注射[19]等。在给药前多对大鼠禁食8～14 h，以便达到更好的效果。给药时间也没有确切的标准，有的在交配前一周给药[18]；有的在交配成功当天，即妊娠期第0天(GD0)给药[17]。有的研究为了更加契合人类GDM发生在妊娠中后期的特点，在GD4[20]、GD7[21]、GD10[22]、GD12[19]等给药；给药次数多为单次给药。

药物诱导建模因其操作方便、建模周期短等优势被广泛用于建立各类糖尿病模型。然而药物诱导建模会在短期内造成实验动物的永久性高血糖，这与GDM的主要特征是不符的。其次，药物导致胰岛β细胞的广泛破坏，使模型循环胰岛素水平降低，这也是与人GDM伴随高胰岛素血症这一特征不符。另外，STZ已被证明可以穿过胎盘并对胚胎有毒性作用[23]，因此在研究GDM对胚胎发育的影响时，给药时间越早越好，但妊娠前给药可能会对交配行为产生不利影响。此外，实验动物在给予STZ后，孕期体重增量会低于对照组[24]，这对于建模会产生一定的干扰。由此看来STZ等直接破坏胰岛β细胞并造成永久性损伤的药物并不能很好的模拟GDM表型，因此也仅适用于研究妊娠期高糖状态对子宫、胎盘及胎儿影响。

3.饮食诱导建模：饮食诱导也是一种比较常用的GDM建模策略。常用的饮食方式为高脂饮食和高脂高蔗糖饮食，也有一些表观遗传学研究使用的是低蛋白饮食[25-26]。通常在交配前给予实验动物4～5周的高热量饮食，导致大鼠产生肥胖等表型，且在整个妊娠期间维持特殊饲料。多数动物在经过4～5周的高脂饮食后通常会出现一个肥胖且轻微胰岛素抵抗的内环境。

这类建模方法的优点是建模过程比较温和，符合GDM的发展特点，且合并了肥胖这一GDM最大的危险因素，可用于研究GDM的发病机制及肥胖在GDM发生发展中的作用。但几乎所有的饮食诱导建模方法在整个妊娠期间都没有出现高血糖的症状[26]，因此实质上这类模型更适用于研究肥胖对妊娠的影响。

4.基因编辑及转基因技术建模：一直以来基因编辑及转基因技术在建立动物模型上的应用都是十分广泛的，且遗传因素本身即为GDM的一个重要的危险因素[2]。随着对GDM发病机制的探索，一些针对GDM的突变体小鼠模型逐渐被开发出来。如最常用的瘦素受体(ObR)杂合子突变体小鼠(db/+)，这类小鼠在非妊娠状态下葡萄糖稳态没有异常，而在怀孕期间显示出肥胖、胰岛素抵抗和轻微的葡萄糖不耐受，并在妊娠后恢复正常[27]。此外还有催乳素受体杂合子突变体小鼠(PrlR+/-)[28]、5-羟色胺(血清素)受体2B(5Htr2b)纯合子突变体小鼠(Htr2b-/-)[29]等，都是良好的GDM模型。

突变体小鼠不仅是良好的GDM模型，同时也是验证GDM发病机制中遗传因素作用的重要手段。虽然应用基因敲除等技术已经构建出了多种成熟的GDM品系鼠[28-30]，为了解可能影响疾病发展的途径提供了重要的线索，但GDM是由环境和多基因因素之间复杂的相互作用所导致的表型，因此这类单基因突变小鼠模型在使用上具有一定的限制，多被应用于检测GDM的治疗效果。

二、新的GDM建模策略

1.饮食合并药物诱导建模：高热量饮食合并小剂量STZ注射(25 mg/kg)是Ⅱ型糖尿病最常用的建模方法。近年来，这种建模方法被应用到GDM的建模中，并取得了较好的效果。该方法通常在妊娠前给予动物2～5周的高热量饮食并在妊娠期给予小剂量STZ，通常为25 mg/kg[14，30-32]，也有研究给予35 mg/kg[33]。在给予小剂量STZ后，血糖升高，这弥补了单纯高热量饮食无法诱导出明显的血糖升高这一不足。

目前这种建模方式因同时诱导了肥胖、高脂血症、妊娠期高血糖及糖耐量异常等人GDM最主要的特征，已经成为除基因编辑技术外GDM最常用的建模策略。但由于妊娠后的高血糖表型仍不是自发产生，因此不能用于研究GDM的具体发病机制。其次，即使是给予小剂量STZ，由于个体对STZ的敏感性差异性及实验动物的肥胖，有一部分实验动物仍会出现血糖过高的状况，导致建模失败。因此，该模型仍然只适用于研究GDM对妊娠的影响。

2.新型药物应用于GDM建模：De Sousa等[34]使用胰岛素受体拮抗剂S961进行GDM建模，该拮抗剂已被证明可在啮齿动物中诱发Ⅱ型糖尿病的特征。该研究发现从妊娠第7天开始，每日注射S961会增加孕妇的空腹血糖和葡萄糖不耐受，且该模型动物在分娩后不久就恢复了正常血糖，很大程度上模拟了人类GDM的主要特征。此外，Cieniewicz等[35]的研究发现了一种新的单克隆抗体IRAB-B(一种特异性的强效胰岛素受体拮抗剂)，似乎是产生急性和慢性胰岛素抵抗的一个强有力的工具，且与S961相比，IRAB-B可以诱发更严重的高胰岛素血症，因此这种药物同样可以应用于GDM的建模。

开发新型促胰岛素抵抗以及升血糖药物应用于GDM建模，可以更好地模拟人GDM的主要特征。其缺点在于药物带来的副作用可能对建模产生干扰。虽然仍只适用于研究高糖对妊娠的影响，但与STZ相比，新型药物诱导出的GDM模型血糖升高将更加温和且稳定。

3.其他联合应用两种及以上建模方法的建模策略：为了建立更符合人GDM特征的模型，常常需要综合运用多种干预手段进行建模。早在1993年，Ryan等[36]利用药物诱导合并手术移植胰岛的方法成功建成了在妊娠期间血糖水平适度升高且稳定的GDM模型。2016年，Abdul Aziz等[37]在大鼠妊娠第0天进行STZ(35 mg/kg)和烟酰胺(NA)注射(NA在给予STZ前15 min注射，剂量为120 mg/kg)，然后给予动物高脂高蔗糖饮食并对动物的睡眠进行干预。在多种因素的干预下，实验动物出现高血糖、胰岛素抵抗、血脂异常以及抗氧化状态异常等多种人GDM的特征。

由于GDM的发病原因本身涉及多种因素，因此综合应用多种干预手段建立的GDM模型可能更加符合临床实际情况，既可以用于研究GDM对妊娠的影响，又可以用于研究GDM的发病原因。

各类建模方法的优缺点及适用于研究的问题总结详见表1。

表1 各类建模方法的优缺点及适于研究的问题

三、总结与展望

通过以上综述我们能够发现，目前的GDM建模策略大多仅适用于研究高糖环境对妊娠的影响，而不适用于研究GDM本身的发病机制等，但与经典建模策略相比较，几种新开发的GDM建模策略能够更加真实地模拟人GDM的情况。

随着对GDM发病机制的探索，建立在关键信号传导通路及其受体上的基因编辑突变体小鼠GDM模型将会被陆续开发出来；将新型促胰岛素抵抗以及升血糖药物用于GDM建模也是一个值得探究的方向。另外，随着近几年对GDM患者肠道菌群改变的研究[38]，利用肠道菌群进行GDM建模也是一个值得研究的方向。果糖在诱导胰岛素抵抗方面比蔗糖更有优势，且高果糖饮食或高果糖饮水已经成为饮食诱导雌性大鼠代谢综合征最常用的建模方法[39-40]，将其应用于GDM建模可能会比高脂饮食等达到更好的效果。但GDM的发病原因十分复杂，因此综合了多种干预因素的联合应用建模策略可以更好地模拟GDM的真实情况，值得进一步探索。