慢性阻塞性肺疾病动物模型的研究与开发

罗玉馨，胡晓佳，曹竟尹，严成俊

(西安培华学院，西安 710125)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)以长期气流受限为主，其气流受限多呈进行性发展，预防和根治比较困难。COPD的产生原因主要是人体气道和肺部产生炎症或有毒气体进入肺部，最终导致COPD。其主要症状表现为患者出现慢性支气管炎或肺气肿[1-2]。这是一种可以使人丧失劳动能力甚至丧失生活自理能力的严重疾病。近年来，COPD的患病率和病死率在世界各国仍居高不下。预计10年后，COPD将成为全球三大死因之一[3-5]。COPD的长期治疗将给患者和家庭带来了沉重的经济负担[6]，故对其进行深入的研究具有现实意义。本实验研究能否顺利开展的主要前提是动物模型的成功建立，并深入研究和分析动物发生COPD的原因和规律，为治疗和预防COPD提供科学的理论依据。

1 实验动物的选取

构建COPD动物模型的动物种类主要是啮齿类动物，如豚鼠、小鼠、大鼠、仓鼠、斑点鼠等。而哺乳动物主要是兔、犬、羊、猪、猴等。其中，最常用的是小鼠和大鼠，但大鼠多作为发现病理机制的参考。

1.1 豚鼠

豚鼠嗅觉较灵敏，对各种刺激均会作出极敏感的反应，故在浑浊空气中患肺炎的概率较高。此外，豚鼠的解剖特征与生理特征和人类高度相似，其主要表现为肺部呈左二右三的肺叶结构，同时具有二分叉细支结构。动物的变态反应与人类的炎症反应基本相似，由于豚鼠肺损伤主要特征体现在轴突反射，而人类的肺损伤轴突反射情况并不显著，加上豚鼠价格非常高，无法获得更多的能够供血给药的豚鼠尾巴，所以豚鼠做为实验动物的机会较低。

1.2 小鼠

小鼠体型较小，好饲养，繁殖时间短且繁殖后代多，可以在有限的空间进行大规模的养殖，十分有利于大规模实验造模。此外，小鼠基因结构较清楚，与人类在基因水平上高度同源。基因草图显示，DNA链上的基因与基因之间的片段十分相似，两物种基因属都在3万个左右。在进行小组实验改造时，可采用易制备基因。对近交系小鼠进行实验时，可直接排除掉遗传变异的影响。按照本次实验的目的要求，可以适当选择一些敏感性较高品类的小鼠，或者选择一些体内含有丰富酶及抗体的品类小鼠，这有助于实验中开展抗原鉴定测验、免疫印迹测验、胞流式测验等其他检测。有关文献证明，不同品种的小鼠对烟雾的敏感性不同。Limjunyawong等[7]发现，BALB/cJ小鼠相对于C57BL/6J小鼠，对外源性蛋白酶刺激有更强的敏感性[8]。

1.3 大鼠

大鼠用作动物模型的优缺点类似于小鼠。大鼠与小鼠相比较，大鼠的体积大，方便静脉注射及进行肺组织和肺泡标本的采集。但大鼠肺部缺少支气管黏膜下腺体，此特征与人体肺部结构不同，所以大鼠仅可作为发现病理机制的参考。

1.4 其他鼠类

仓鼠、斑点鼠和金黄地鼠等品系的鼠种也能用于COPD模型[9]的构建，但实验试剂相对较少，动物价格较高，且易受到遗传变异等因素的影响，实验条件苛刻，不利于实验的顺利展开[6]，所以不作为造模动物实验的首选动物。

1.5 其他动物

兔、犬、猴、羊、猪等动物虽与人类肺部结构高度相似，但价格高，难饲养，显然在数量巨大的造模动物实验中并不适用。使雪貂的鼻子暴露在香烟烟雾(CS)下6个月后，雪貂就出现了一系列明显的细菌感染的病理特征。例如，在清晨的时候，雪貂就出现了伴有气道阻塞的咳嗽(自发性咳嗽)、慢性黏液高分泌以及以气道为中心的细菌感染。雪貂的这些表征与大鼠、小鼠相比较，更接近于人类COPD的病理特征，但在检测中却没有发现明显升高的组织阻尼，这个结果与人类患COPD的特征有很大差异，所以还需要做进一步研究[10]。

实验动物的选取应满足某些与人类相似的特征和生理结构。通过动物实验，对人类疾病的发生和发展规律进行推测和探究，故本试验装置系统选用结构简单又能直接反映研究指标的动物—小鼠。

2 构建COPD的常用方法

在构建COPD模型时，通常采用的方法包括烟草烟雾暴露法、基因改造法等，同时空气污染物质暴露法、多因素联合诱导法也是构建这种模型进行实验的常用方法。有研究认为，吸烟为 COPD 最重要的诱导因素之一，所以通常情况下，在构建这种模型时普遍会选择烟草烟雾暴露法，以此达到较好的实验效果。

2.1 气道内蛋白酶滴注法

肺组织能维持正常的结构主要是由于蛋白酶和抗蛋白酶两个重要因素的平衡，以保证其免受破坏和损伤。若某一方增加或减少，均会引起失衡，导致肺组织损伤。以蛋白酶诱导模型作为单一的致病因素，常用猪胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、人中性粒细胞弹性蛋白酶等。给予小鼠鼻内单次滴注蛋白酶，产生的肺气肿现象基本符合COPD的主要特征，此法容易诱导明显的肺气肿，显著地体现出异常的肺功能现象。

2.2 基因改造法

环境污染以及吸烟问题导致人类患有COPD的情况越发严重。辛亚男等[11]研究结果说明吸烟是COPD重要诱导因素之一。但在吸烟人群中，并不是所有吸烟者都是患病者，个体易患因素应得到研究者的重视。当前，基因调控模型有很多类型，如基因过度表达模型、常见的基因缺失COPD模型以及自然基因变异模型。李丽球等[12]研究表明，在小鼠体内，抗氧化酶与抗蛋白酶对其身体所产生的破坏程度有着很大的差异，因此通过改变动物的基因和COPD的发病机制，找出引发COPD的一些诱导原因，使实验者发现更好的治疗办法。

2.3 多因素联合法

单因素诱导方法于实验中相对简单经济且更易获得可观的实验结果。但COPD患者病因复杂，且COPD有较高的分级，单一的造模方法耗时长，且难以同时模拟多种复杂的病理特征和生理病理改变情况，所以多因素联合法更加省时省力，实验中可以更好的模拟COPD的典型特征以及病理生理改变情况，以达到更稳定的实验效果。

2.4 腹腔注射法

在动物腹腔内注射烟草烟雾提取化合物或者注射异种内皮细胞。香烟烟雾提取物(CSE)容易制备，价格低廉，操作较简单，而且建模时间短，可通过腹腔注射CSE来构建COPD动物模型。将自制的CSE溶液于相隔的天数中注入等量的剂量，经过12周的实验期以后，实验人员发现，小鼠出现肺功能下降情况，大鼠在3周后即诱导出COPD模型，其原因主要是由于小鼠体内肺泡腔不断变大，肺泡破损，周围的细胞死亡数量也开始增加，导致肺功能下降，符合COPD模型的建立。腹腔注射异种内皮细胞建立COPD模型，由于建模时间短，没有出现显著的病理变化。COPD发病机制为异种内皮细胞使机体在一段时间后产生抗体细胞并逐渐增多，人体内的免疫功能开始失衡，肺组织遭到破损，肺细胞死亡量开始逐渐增加，最终导致肺气肿的发生。

2.5 脂多糖诱导法

在革兰阴性菌细胞壁组成中，脂多糖是最主要的一种成分。脂多糖是一种内毒素，可以刺激内皮细胞、中性粒细胞以及单核细胞等释放炎性介质，使其发生反应，最终造成蛋白酶-抗蛋白酶失衡，严重损坏肺组织，导致肺气肿。脂多糖的诱导模型常采用气管内滴注法，其建模时间较短，操作简便，可以模拟COPD机制的急性加重反应，但不能模拟其慢性病变的过程，只能复制出COPD机制的部分病理特征，可与其他方法联合使用[13]。

3 COPD试验系统装置的研究与开发

该装置包括香烟烟雾的利用、整套工艺系统装置的处理净化(整套工艺系统外表面材料选用透明玻璃)。如图1。

图1 COPD试验系统装置Fig.1 COPD test system device

3.1 香烟烟雾发生器

进行实验过程中，为确保香烟烟雾均匀地扩散到活动室顶部，通常情况下会将通风口设置到活动室下层的中间，这样才可以确保活动室内的香烟烟雾完全进入动物肺部，被动物充分吸入，并保证动物能够在一个舒适的环境中生存。

3.2 动物活动室

上层为动物活动室、食物投放盒以及饮水投放盒三个格挡。每个格挡均可单独打开进行试验操作、投放动物、投放动物食物、投放饮水等，操作灵活简单。在动物活动室当中，实验员安装了两个温湿度装置，同时还安装了一个监控装置，进而方便实验员通过监控设备观察动物在该场所中吸入CO的浓度、含氧量、温度、湿度等关键参数。

3.3 香烟出口控制阀及通风口

进行实验时，可以利用香烟出口控制阀或通风口抽屉对动物活动室内的环境进行调节和控制。如可以控制和调节内部环境CO的浓度参数，也可以调节环境内含氧量参数等，使动物的生存环境能够满足实验要求。

3.4 净化罐

试验装置尾部净化罐包含排烟管道、控制阀、风机、净化罐。其中，净化罐内布置下层活性炭蓬松毡过滤网和上层活性炭蓬松毡过滤网，这两个过滤网可以对没有得到利用的相应环境进行净化处理，保证周围空气不会对实验环境造成污染以及影响试验人员的健康。

此装置可有效监控整个实验过程中烟雾的成分、浓度、温度、湿度，同时使烟雾循环利用，彻底解决实验过程中造成试验效果欠佳的问题。

4 结语

建立动物模型的首要基础是研究疾病的预防、新药的研发以及新疗法。装置合格的模型可以使临床研究顺利开展。在实验室的众多研究成果中，该环节在临床中的应用不可或缺。至今，我国医药技术行业仍然在持续寻找能够与动物造模相匹配的办法，以期实现规范化。目前，更符合COPD发病机制复杂的条件是应用复合因素造模，但需要通过多个方面标准的评价与考查，确定存在特殊病理的改变、通气功能的限制等因素，来确定模型是否符合标准。

随着科学技术的不断创新和发展，更先进的动物模型以及更全面的评价系统的出现可为后续研究COPD提供更多的帮助。