四氧嘧啶建立1型DM动物模型研究进展

周海东 罗昌泰 稂宇嘉 韦积华 周俊秀 玉蓝青

1.右江民族医学院，广西百色 533000；2.右江民族医学院附属医院运动医学科，广西百色 533000；3.广西百色市妇幼保健院，广西百色 533000

糖尿病（diabetes mellitus，DM）是一种血糖调节功能紊乱为特征的疾病。根据病因的不同，可分为1 型DM、2 型DM 以及妊娠糖尿病等类型[1]。研究显示，我国儿童DM 发病率逐渐上升，成为全世界儿童发病率上升最快的国家之一[2]。此外，机体高血糖会导致各种急、慢性并发症的发生，如糖尿病酮症酸中毒、糖尿病高渗性昏迷、糖尿病肾病、糖尿病足等，降低患者的生活质量，给社会和个人带来巨大的经济负担[3]。然而，临床上尚无有效手段根治DM，其治疗以控制血糖为主，胰岛素及降糖药物均有副作用，如低血糖、胃肠道反应、肝肾功能损害等，严重者危及生命。因此，DM 的基础实验及治疗机制研究成为当今热点。四氧嘧啶可致胰岛β 细胞发生不可逆性损伤，最常用于构建DM 模型；其毒性较强，可致肝肾发生急性损伤而危及生命。查阅“知网”“维普”“Pubmed”等国内外检索网站，未见四氧嘧啶安全使用剂量及诱导模型成功率的报道，或给出“异常低的死亡率”“无显著死亡率”等模糊的报告[4]。因此，合适的诱导剂量提高DM动物成模率迫在眉睫且顺应当今科学技术发展。

1 四氧嘧啶致DM机制

四氧嘧啶于1838 年被合成，于1943 年首次被发现具有致DM 的作用[5]；此后，很多学者对其化学性质及生物学效应进行研究发现：①四氧嘧啶是一种亲水不稳定的嘧啶衍生物，其亲水性是诱导DM 发生的重要生理特性。②四氧嘧啶与葡萄糖竞争结合胰岛β 细胞上载体蛋白，减少胰岛素分泌。③四氧嘧啶可使胰腺细胞核酸自发断裂，导致不可逆损伤。

1.1 氧化还原反应

四氧嘧啶极不稳定，入血后立即氧化成“化合物305”，同时产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）破坏磷脂双分子结构；胞内存在-SH 基团的还原剂[如还原型谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）、半胱氨酸（cysteine，CySH）及可与蛋白质相结合的巯基（包含-SH 的蛋白质）]时，四氧嘧啶被还原成径尿酸，产生大量的超氧自由基，加速细胞损伤。此外，当体内存在氧化剂（O2、H2O2等）时，径尿酸又被氧化成四氧嘧啶，产生ROS[6]，见图1。

图1 四氧嘧啶在胞内发生氧化还原反应

1.2 诱发低血糖机制

胰岛β细胞胞膜镶嵌着两种重要信号蛋白——依赖葡萄糖转运蛋白2（glucose transporter-2，GLUT-2）、葡萄糖激酶（glucokinase，GK）。胰岛素分泌依赖于GK，GK 由体内的葡萄糖激活；四氧嘧啶与葡萄糖具有相似的化学结构，但前者对-SH 基团的亲和力远高于后者。胞膜的GK 与四氧嘧啶的结合更快速、紧密，且不会产生与葡萄糖结合时的生理作用（促进胰岛素分泌），从而使胰岛素分泌受限。意味着四氧嘧啶可作用于上述靶点，中断胰岛素分泌信号，导致血糖升高[7-8]。

此外，四氧嘧啶诱导胞内Ca2+释放，使细胞处于持续去极化状态，电压依赖性钙通道长时间开放，大量Ca2+涌入，致使胞内DNA 发生断裂，这或许是胰岛β 细胞无法再生的机制[9]，见图2。

图2 四氧嘧啶诱发低血糖机制

2 不同剂量下各脏器损伤分析

构建DM 模型因剂量及注射方式不同有所差异：①腹腔注射（intraperitoneal injection，ip），150～180 mg/kg 范围内有小鼠成功造模报道；75～250 mg/kg 范围内有大鼠成功造模报道；兔未见相关报道。②静脉注射（intravenous injection，iv），50～75 mg/kg 范围有小鼠成功造模报道；35～120 mg/kg 范围有大鼠成功造模报道；60～200 mg/kg 范围有兔成功造模报道。此外，报道指出四氧嘧啶有多系统、多脏器损害风险，且与注射方式及剂量存在一定关联，主要表现为：①血糖水平增加，体重下降；②胰腺细胞破坏明显，周围大量炎症细胞浸润，肝、肾组织炎症损伤明显；③心脏重构；④大动脉内膜增厚、损伤，中、小动脉硬化；⑤血液中炎症因子、细胞毒性因子等水平升高；⑥牙釉质、牙本质损伤。见表1。

表1 四氧嘧啶诱导糖尿病小鼠模型的注射剂量（mg/kg）

上述条件均有报道成功构建DM 模型，但既往的研究中多数学者未报道成模率，而是“异常低的死亡率”“无显著死亡率”等模糊报告。单次ip 四氧嘧啶200 mg/kg，鼠DM 死亡率为30%，若通过iv给药，则死亡率更高[31]。单次ip 四氧嘧啶140 mg/kg，动物存活率较高（具体未说明）。通过ip 四氧嘧啶90～140 mg/kg，大鼠血糖恢复正常，成模率极低，提示低剂量ip 给药无法长期维持大鼠DM 状态。通过iv 80 mg/kg 四氧嘧啶构建兔DM 模型，死亡率为75%，增加至150 mg/kg，死亡率达100%；而分三次给药（每次50 mg/kg）死亡率为41.67%[32]。综上，有理由认为构建DM 模型所需的四氧嘧啶剂量并不恒定，在同一种属、同性别、成熟度相似且体重相近的情况下，所需剂量均不同，且死亡率极高，给后续研究带来诸多不便。但不同注射剂量及注射方式可表现出不同组织、不同程度的机体损害。

再者，总结四氧嘧啶常用造模剂量及对全身各组织损伤情况，避免选用多脏器损害的剂量进行造模，可降低其他脏器产生的误差，如通过ip 方式给药的大鼠，75 mg/kg 可造成胰腺结构改变、动脉硬化等病理改变，120 mg/kg 可造成较严重的心肝肾及胰腺等多脏器损害，表明在75～120 mg/kg 区间内选择偏向75 mg/kg 对实验动物影响较小。在小鼠、家兔及不同注射方式中均有类似表现。因此，通过对比不同剂量下机体各脏器的损害程度及相关因子的表达情况，对选择合适造模剂量、降低造模死亡率有重要指导意义。

3 总结

DM 在我国为高发疾病，其发病机制尚未明确，治疗手段单一。因此，探索其发病机制、寻找有效疗法至关重要，而构建DM 动物模型是研究其机制和治疗方法的基础及关键环节。四氧嘧啶作为构建DM 动物模型最常用的诱导药物，国际上却未报道提高其存活率方法，提高存活率及造成的实验误差成为DM 建模难题。综上，本文总结近年构建DM 模型采用的剂量及可能产生的各组织损害，为后期科研工作者提供参考。下一步课题组将对此进行探索，进而为相关研究人员构建DM 动物模型提供有效依据。