课件：肥胖和糖尿病研究的动物模型现状与展望.ppt

肥胖与糖尿病动物模型的研究 现状与展望,2019,-,1,Data from WHO. int 5 Nov. 2009. Zimmet et al. 2003, Diab Med 20, 693702,全球糖尿病的流行病学现状,前 言,2019,-,2,1型糖尿病（T1DM，type 1 diabetes mellitus） 约占5% 细胞破坏 2型糖尿病（T2DM，type 2 diabetes mellitus） 占90%以上 胰岛素抵抗伴胰岛素分泌不足 妊娠性糖尿病（ GDM，gestational diabetes mellitus） 约占2% 妊娠中发生 其它类型糖尿病 占23% 继发性,美国糖尿病学会将糖尿病分为四类：,其中，T2DM发病范围最广，对健康危害更大,2019,-,3,肥胖是造成T2DM的重要诱因,Wang et al. 2015, Diabetes Res Clin Pr 107, 424-432,2019,-,4,Yang et al. 2010, N Engl J Med 362, 1090-1101,在中国有2亿人口超重、1亿肥胖人口 5-10%的青少年肥胖 肥胖人口正以每年30-50%的速度增长 成人中大概有10%的人口患有糖尿病,中国已进入肥胖时代,基于对人类肥胖及糖尿病等代谢疾病机制的解析与药物研发的迫切需求，各种 动物模型被广泛用来研究人类疾病的发生发展机制、药物筛选以及治疗评价等,2019,-,5,常用模式动物,小鼠 Mouse,线虫 C. elegans,斑马鱼 Zebrafish,大鼠 Rat,猴 Monkey,猪 Pig,豚鼠 Guinea pig,果蝇 Drosophila,2019,-,6,目前我国分别在北京、上海、南京、武汉等地建成多个模式动物基地： 啮齿类实验动物种子中心（北京中心、上海分中心） 国家小鼠遗传资源中心（南京大学模式动物研究所） 南京模式动物资源库（南京大学模式动物研究所） 实验灵长类种质资源中心（军事医学科学院-北京） 国家斑马鱼资源中心（中国科学院水生所-武汉） 实验用小型猪种质资源基地 实验用比格犬种源基地 等,2019,-,7,肥胖与糖尿病动物模型,2019,-,8,肥胖动物模型,表1. 小鼠肥胖研究模型,2019,-,9,饮食诱导的小鼠肥胖模型,高脂诱导小鼠肥胖模型,高脂饮食喂养C57BL/6J小鼠8-16周，可以导致明显的小鼠肥胖 表型，研究肥胖的经典动物模型,a,b,NCD,HFD,Fei & Zhao 2013, ISME J 7, 880884,NCD：normal chow diet基础日粮饮食 HFD：high fat diet高脂肪含量饮食,2019,-,10,Tappy & Le 2010, Physiol Rev 90, 2346.,高糖饮食诱导的肥胖,CT,HG,高糖饮食的小鼠肥胖模型,2019,-,11,其它饮食因素诱导的肥胖,梭状芽胞杆菌致肥胖发生,通过特定肠道菌群的饲喂也能产生无菌小鼠肥胖模型，但致肥胖特 定菌属有待进一步发现和鉴定，此方法尚未被普遍使用,Woting et al. 2014, mBio 5, e01530-14,2019,-,12,遗传诱导小鼠肥胖模型,ob/ob和db/db小鼠肥胖模型,ob/ob和db/db小鼠是经典的肥胖动物模型，是目前文献中使用 较多的动物模型,2019,-,13,黄色突变（Ay）小鼠,Ay小鼠是早期建立的一种单基因突变诱导的 小鼠肥胖模型。 Ay突变小鼠，黄色被毛，肥胖表型,Edward et al. 1994, PNAS 91, 2562-66,2019,-,14,FTO is an AlkB-like 2-oxoglutaratedependent nucleic acid demethylase,Church et al. 2010, Nature Genetics,基因敲入小鼠肥胖模型,转基因小鼠肥胖模型,2019,-,15,Kong et al. 2014, Cell 158, 6983,a,b,基因敲除小鼠肥胖模型,2019,-,16,Malhotra et al. 2015, Autophagy 1, 145-154,POMC神经元 自噬缺陷小鼠 在高脂日粮下 加重肥胖表型,b,下丘脑特异性基因敲除小鼠肥胖模型,2019,-,17,下丘脑内质网应激（ER stress）是产生瘦素抵抗的致病因素。 下丘脑POMC神经元Mfn2基因特异性敲除诱发肥胖、降低瘦素敏感性,Schneeberger et al. 2013, Cell 155, 172187,下丘脑特异性基因敲除小鼠肥胖模型,2019,-,18,脂肪组织特异性Atg7敲除小鼠模型抑制肥胖、提高胰岛素敏感性,a,Zhang et al. 2009, PNAS 106, 19860-65.,脂肪特异性基因敲除抑制小鼠肥胖模型,2019,-,19,果蝇-研究人类肥胖的新模型,1. 果蝇被用于筛选和鉴定新的肥胖相关基因 2. 果蝇是良好的研究摄食行为与能量代谢的模型 3. 果蝇是研究代谢稳态与营养感应信号通路，进而阐明肥胖发生机制 的极佳模型,其它肥胖动物模型,2019,-,20,Liu et al. 2012, Int J Obes 36, 15291536,过表达人源SP1的转基因果蝇机体甘油三酯含量显著增多,2019,-,21,Al-Anzi et al. 2009, Neuron 63, 329341,WT,Tg,抑制c673a-Gal4神经元活性促进脂质积累,转基因果蝇肥胖模型,2019,-,22,Lean: normal diet; Obese: high-fat/high-fructose diet,Pawar et al. 2015, Obesity 23, 399-407,高脂/高糖诱导的肥胖猪模型,2019,-,23,日粮诱导的斑马鱼肥胖模型,Oka et al. 2010, BMC Physiol 10, 21,Control,Over-feeding,斑马鱼肝脏油红染色显示， 经过8周的过量饮食导致脂 质积累加剧，出现肥胖表型,2019,-,24,*,b,过量饲喂斑马鱼导致 肥胖与肝纤维化表型,Forn-Cuni et al. 2015, J Endocrinol 224, 159170,2019,-,25,秀丽隐杆线虫也可作为肥胖研究模型,秀丽隐杆线虫中脂肪 调控代谢通路与哺乳 动物之间非常保守， 适合用于研究人类肥 胖相关基因及其信号 通路研究,Jones & Ashrafi 2009, Dis Mod & Mech 2, 224-229,2019,-,26,T1DM动物模型,表2. T1DM动物模型,2019,-,27,PubMed检索各种T1DM动物模型使用频次,数据统计截至2016.1.25,2019,-,28,药物诱导T1DM模型,链脲佐菌素（STZ）是一种抗菌及抗肿瘤药物，其导致糖尿病是由于 细胞通过葡萄糖转运蛋白2（GLUT2）摄入后减少NAD+的细胞水平，从而导致细胞坏死。一般认为，大剂量（40-90 mg/kg）的STZ腹腔或静脉注射可直接破坏胰岛细胞，多次小剂量（20 mg/kg）注射可能通过自免疫机制使细胞不断破坏而致糖尿病。该方法由Like & Rossini在1976年建立，发表于Science杂志。 STZ糖尿病与人T1DM有许多相似之处，且模型稳定，是研究T1DM较好模型，被广泛使用。 四氧嘧啶（Alloxan）可选择性使细胞很快损害而产生高血糖。一般给动物单次静脉或腹腔注射30150 mg/kg，使细胞受损伤同时，还可造成肝肾组织损伤，注射24 h后出现持续性高血糖，类似T1DM 。,2019,-,29,单次注射高剂量（180 mg/kg）的STZ诱导的急性T1DM糖尿病模型研究了T1DM易感基因一氧化氮合酶（Nos2, Nitric Oxide Synthase 2）在急性糖尿病发生发展过程中的作用，但结果显示STZ诱导细胞急性受损的T1DM可能与Nos2表达无关。,Gonzalez et al. 2003, Diabetologia 46, 12911295,2019,-,30,低剂量的STZ注射诱导的T1DM模型常用于-细胞修复治疗研究。 腹腔注射50mg/kg的STZ诱导T1DM小鼠模型研究了过表达CD39能够保护胰岛的功能,Chia et al. 2013, Diabetes 62, 20262035,2019,-,31,Sai Varsha et al. 2015, Nutrition 31, 214222,腹腔注射35mg/kg的STZ诱导 T1DM大鼠模型研究了VK1通过抑制NF-kB和iNOS缓解T1DM的作用,Control,STZ,STZ+VK1,2019,-,32,从大量文献报道来看，Alloxan诱导的T1DM动物模型常用于治疗急性糖尿病的药物筛选模型，及其它们改善T1DM的可能机理研究。,Novoselova et al. 2016, Int Immunopharmacol 12, 24-31,2019,-,33,自发遗传性T1DM模型,NOD（non obesity diabetes）小鼠 是1980年Makino等从CTS小鼠中 通过近亲交配选择繁殖获得的一种纯系自发NOD小鼠，与人类T1DM有 许多共同特性，是由许多疾病易感性或抵抗基因控制的。目前广泛应用于 T1DM动物模型，多用于T1DM治疗及其发生发展的机制研究,Jayasimhan et al. 2014, Clinical Science 126, 1-18,2019,-,34,Tan et al. 2014, Diabetes 63, 2761-75,利用NOD自发遗传性小鼠T1DM模型研究了白介素1受体相关激酶M （IRAK, Interleukin-1 receptorassociated kinase M）在T1DM发 生发展中的作用，并证明IRAK的缺失加重了NOD小鼠T1DM表型,2019,-,35,BB（Bio Breeding）大鼠是1974年在加拿大渥太华Bio Breeding实验室首次发现而命名的自发性遗传性糖尿病动物模型，有-细胞自免疫损伤伴有高血糖表型，能模拟T1DM的自然发病、病程发展和转归。是人类T1DM的理想模型。,Jocob et al. 1992, Nature genetics 2, 56-60,2019,-,36,Yokoi et al. 2002, Nature genetics,KDP（Komeda diabetes-prone） 大鼠是由易感基因座Iddm/kdp1自 发突变导致的遗传性T1DM模型。 本研究以KDP大鼠为模型研究发现， Cblb基因负调控自免疫功能，与人 类自免疫相关疾病包括T1DM密切 相关,2019,-,37,Lenzen et al. 2001, Diabetologia 44, 1189-96,Lew.1AR.1大鼠表现出胰岛炎症及-细胞自免疫损，在 8-9 周左右即显现T1DM表型，与NOD小鼠与BB大鼠类似，可用于T1DM治疗及其发生发展的机制研究模型,2019,-,38,遗传突变T1DM模型,Akita小鼠来源于C57BL/6NSlc小鼠基因Insulin 2突变株与C57BL/6小鼠野生株交配产生的遗传性-细胞团严重受损及胰岛素分泌失调小鼠模型。可用于胰腺移植治疗急性T1DM动物模型,Yoshioka et al. 1997, Diabetes 46, 887-894,2019,-,39,T2DM动物模型,表3. T2DM动物模型,2019,-,40,PubMed检索各种T2DM动物模型使用频次,数据统计截至2016.1.25,2019,-,41,低剂量STZ注射结合高脂饮食诱导T2DM模型,Mansor et al. 2013, Cardiovasc Diabetol 12, 136,高脂日粮饲喂8周，结合低剂量（1525 mg/kg）STZ注射可诱导大鼠T2DM动物模型。 该模型相比纯高脂饮食诱导T2DM周期缩短，且高脂饲料造成外周组 织对胰岛素不敏感，加之STZ破坏一部分胰岛B细胞功能，因此比较接近于人类T2DM。,STZ处理诱导T2DM模型,2019,-,42,高脂饮食诱导T2DM模型,NCD：normal chow diet基础日粮饮食 HFD：high fat diet高脂肪含量饮食,a,高脂日粮饲喂小鼠16周，在产生肥胖表型的同时导致胰岛素抵抗，类似T2DM动物模型。该模型操作简便，但周期较长,Fei & Zhao 2013, ISME J 7, 880884,饮食诱导T2DM模型,2019,-,43,高糖饮食诱导T2DM模型,Bessesen 2001, J Nutr 131, 2782S86S,高糖饮食诱导可导致机体胰岛素抵抗，也是一种操作简便，但周期较长的诱导模型,2019,-,44,小分子活性物质改善T2DM模型,AdipoR agonist,AdipoRon改善db/db 小鼠模型胰岛素抵抗。 一类新的改善胰岛素敏感性的方法。,Okada-Iwabu et al. 2013, Nature 503,493-499,a,b,2019,-,45,Ct et al. 2015, Nature medicine 21, 498-505,生物活性物质改善T2DM模型,白藜芦醇通过抑制一种去乙酰化酶SIRT1活性介导改善胰岛素抵抗,a,b,b,Resveratrol 白藜芦醇,2019,-,46,Xiao et al. 2011, Diabetes 60, 746-756,亮氨酸缺乏提高胰岛素敏感性模型,小鼠饲喂缺Leu日粮7天可改善胰岛素敏感性。 这一模型操作简单，周期短。可作为胰岛素敏感性调控关键基因的研究模型,2019,-,47,MiRNA诱发的T2DM模型,miR-29通过微调FOXA2表达， 激活 PPARGC1A, HMGCS2 和ABHD5等脂质代谢基因的 表达,Kurtz et al. 2014, Diabetes 63, 31413148,MiRNA诱发方法是一种新的T2DM动物模型，但是报道较少，更多致T2DM的功能性miRNAs有待鉴定,2019,-,48,自发性T2DM模型,2019,-,49,Wang et al. 2014, Current Diabetes Reviews 10, 131-145,自发性ob/ob与db/db小鼠T2DM模型,Leptin信号的阻断导致 采食提高，产热下降， 从而产生肥胖、胰岛素 抵抗的T2DM表型。 ob/ob与db/db模型已广 泛用于肥胖、胰岛素抵 抗致T2DM的发病病理与 机理研究模型,2019,-,50,自发性ZDF和OLETF大鼠肥胖型T2DM模型,ZDF大鼠T2DM模型 特征： ZDF大鼠由于瘦索受体突变导致多食、肥胖，同时伴有高血糖、高胰岛素血症、高脂血症、中度高血压。较接近于人的胰岛素抵抗同时伴有高血压的患者，可作为研究肥胖、胰岛素抵抗致T2DM的发病病理与机理研究模型 OLETF大鼠T2DM模型 特征：轻度肥胖、高胰岛素血症、高甘油三酯血症。高龄大鼠胰腺呈纤维样变化，并可出现肾脏病变。常用于胰岛素抵抗治疗模型,2019,-,51,自发性G/K大鼠非肥胖型T2DM模型,Akash et al. 2013, Current Diabetes Reviews 9, 1-10,G/K大鼠特点是高血糖、高胰岛素血症、胰岛素抵抗出现早。其发病机制可能是骨骼的糖元合成酶不能有效地将多余的葡萄糖转化为糖元贮存起来，从而使动物出现高血糖,表4. G/K大鼠与糖尿病人的参数比较,2019,-,52,Song et al. 2013, Nature 494, 375-381,a,b,小鼠模型,ITT,转基因T2DM模型,基因敲入胰岛素抵抗模型,2019,-,53,血管内皮生长因子B（ VEGF-B，vascular endothelial growth factor）缺失改善胰岛素敏感性和提高葡萄糖耐受,基因敲除提高胰岛素敏感性,Hagberg et al. 2012, Nature 490, 426-432.,2019,-,54,颗粒蛋白前体 (PGRN，progranulin） 一种受TNF-a和地塞松诱导产生的脂肪细胞因子。,Matsubara et al. 2012, Cell Metabo 15, 3850.,负调控胰岛素敏感性的关键基因,2019,-,55,其它T2DM动物模型,猪被认为是研究人类T2DM的经典模型,Torres-Rovira等（2012）建立了高脂诱导的伊比利亚猪(Iberian pig) T2DM模型： 富含饱和脂肪酸的日粮饲喂三个月（动物采食4.5 kg/animal/day）； 对照组饲喂基础日粮，控制采食（2 kg/animal/day）。高脂组猪 产生肥胖、脂代谢失调、胰岛素抵抗和葡萄糖耐受下降等T2DM表型,Torres-Rovira et al. 2012, ScientificWorld J,2019,-,56,表达显性负效应葡萄糖依赖性 促胰岛素多肽受体（GIPRdn） 的转基因工程猪可作为糖尿病 研究的动物模型,2019,-,57,果蝇也是研究T2DM的良好模型,2019,-,58,利用高糖饮食诱导的胰岛素抵抗的果蝇模型研究发现，调控果蝇胰岛素抵抗 的分子机制与人类似，两物种间代谢通路保守。,Pasco & Lopold 2012, PLoS one 7, e36583,2019,-,59,果蝇取材、操作方便，且与 哺乳动物的脂质相关代谢基 因保守性强，可用来研究T2DM 相关候选基因的功能,Kawasaki et al. 2015, J Diabetes Res,2019,-,60,斑马鱼可作为T2DM的模型,斑马鱼全基因组测序完成，且基因编辑技术如TALEN和CRISPR-Cas 技术已成功用于斑马鱼，使其将成为研究人类T2DM等代谢疾病的 良好模型,2019,-,61,秀丽隐杆线虫已用于研究T2DM模型,秀丽隐杆线虫的胰岛素抵抗模型已被用于细胞信号通路中关键基因 功能的研究,Hanover et al. 2005, PNAS 102, 11266-271,2019,-,62,豚鼠T2DM的模型,Podell等通过高脂高糖（HFHC）日粮饲喂8周，结合进行低剂量（200 mg/kg） STZ注射建立了豚鼠T2DM模型,Podell et al. 2014, Am J Pathol 184,2019,-,63,Cats模型,a,b,猫胰岛HE染色：糖尿病猫模型 胰岛淀粉样变性,Nelson & Reusch 2014, J Endocrinol 222, T1T9,狗和猫也可作为T2DM动物模型,2019,-,64,国内学者成功建立了Cas9靶向敲除灵长类 动物（食蟹猴）关键基因的技术平台，将 有助于灵长类动物T2DM模型的开发,灵长类动物（猴）或将成为T2DM研究的动物模型,a,a,b,Niu et al. 2014, Cell 156, 836843,2019,-,65,诱导型肥胖与糖尿病动物模型的途径很多，有些手段、方法、干预因素、衡量标准等不确定。最常