镉诱导的骨质疏松动物模型的研究进展

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国际老年医学杂志 2023年11月 第44卷第6期 IntJGeriatr,November2023,Vol.44No.6 2023国际老年医学杂志编辑部 2023bytheEditorialOfficeofInternationalJournalofGeriatrics
国家自然科学基金区域基金(U22A20367);吉林省教育厅科学技术研究项目(JJKH20220882KJ);吉林省科技发展计划项目(YDZJ202201ZYTS205)
通讯作者:刘 佳,电子邮箱c
cliujia1002@126 com镉诱导的骨质疏松动物模型的研究进展
周亚双 于澳雪 曹文轩 梁金玲 李 盼 冷向阳 刘 佳
长春中医药大学,长春 130117
[摘 要] 重金属镉(Cd)作为一种环境污染物,对人和动物的健康有很大影响,是严重的环境医学问题。


d导致的骨质疏松(OP)不仅会限制患者的日常活动,还会导致生活不能自理,甚至威胁生命。

OP患者数量庞大,大多为老年人,基础疾病以及影响因素多,研究单一因素所致OP有一定困难,如Cd诱导的骨质疏松。

因此制备理想化的Cd诱导的OP动物模型至关重要。

本文对Cd诱导的OP动物的种类、模型制备方法、检测指标作一综述,为以后制备Cd诱导的OP动物模型及其治疗药物的研发提供参考。

[关键词] 镉;骨质疏松;动物模型 doi:10 3969/j issn 1674-7593 2023 06 024
ExploringProgressinAnimalModelsforInvestigatingCadmium-inducedOsteoporosis
ZhouYashuang,YuAoxue,CaoWenxuan,LiangJinling,LiPan,LengXiangyang,LiuJia
ChangchunUniversityofChineseMedicine,Changchun 130117
Correspondingauthor:LiuJia,email:ccliujia1002@126 com
[Abstract] Theheavymetalcadmium(Cd)representsagraveenvironmentalpollutant,castingaformidableshadowoverbothhumanandanimalhealth,andposingasignificantchallengeinthefieldofenvironmentalmedicine.Cd-inducedosteoporosis(OP)standsasaparticularlypressingconcern,notonlyimpairingpatients'dailyactivitiesbutalsojeopardizingtheirself-sufficiencyand,inseverecases,theirverylives.ThevastnumbersofOPpatients,predominantlycomprisingelderlyindividualsbesetbyamultitudeofinfluencingfactorsandunderlyingmedicalconditions,makeitabundantlyclearthatOP,especiallythatstemmingfromasinglecausativefactorlikeCdexposure,warrantsmeticulousinvestigation.ThispaperendeavorstocomprehensivelycatalogthearrayofanimalmodelsemployedtosimulateCd-inducedOP,elucidatingthediversemethodologiesemployedformodelcreationandthepivotalassessmentindices.Bydoingso,itservesasavaluableresource,offeringcriticalinsightsintotheformulationofidealizedan imalmodelsforCd-inducedOPandfosteringadvancementsinthedevelopmentoftherapeuticinterventions. [
Keywords] Cadmium;Osteoporosis;Animalmodel 镉(Cadmium,Cd)属于重金属类,因其良好的柔韧性和抗氧化性,广泛用于工业生产。

随着重工业的迅速发展,C
d污染日益严重,主要通过食物链蓄积于机体内部,并且不易分解,生物半衰
期长达1
0~30年[1]。

因其有剧毒且严重污染环境,造成人和动物组织器官毒性损伤[2]。

Cd能够直接
或者间接导致骨质疏松(
Osteoporosis,OP),OP是一种骨吸收速度远远高出骨形成速度,导致骨量降低、骨微结构变化、骨折风险增高的全身性骨骼疾病
[3]。

老年人是主要发病人群,随着社会老龄化
程度的不断加剧,未来1
0年内OP患病率也将持续升高[4]。

Cd诱导OP的发生发展机制十分复杂,
因此借助于实验动物制备Cd诱导的OP动物模型以间接研究O
P至关重要,主要原因有:①通过实验伦理审查后正确对待动物并且合理设计实验,符合国家实验动物管理的法律、法规、技术标准和相关规定;②实验时间和空间容易控制,严格控制条件,排除各种影响因素,实验成功率高且重复性好;③简化实验操作,样品采集全面,准确复制更接近人类O
P的Cd诱导的OP动物模型,可更有效地研究OP的发生发展机制及防治措施。

可制作OP模型的动物种类繁多,制备方法多样,选择正确的、理想的C
d诱导的OP动物模型可以尽可能地再现人类Cd诱导的OP的状态,是开展动物实

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国际老年医学杂志 2023年11月 第44卷第6期 IntJGeriatr,November2023,Vol.44No.6
周亚双,等.镉诱导的骨质疏松动物模型的研究进展
验的关键[5]。

本文对Cd诱导的OP动物类型、模型制备方法(给药途径、给药剂量、造模持续时间)、检测指标等作一综述,以期为后期制备Cd诱导的OP动物模型,研究OP的机制及其药物治疗提供参考。

1 常见的适用于制备Cd诱导的OP动物及模型的优缺点
1 1 鼠
1 1 1 大鼠 大鼠是最常见的用于构建疾病模型的动物,作为Cd诱导的OP动物模型的优点有:①骨骼代谢、骨松质重建和分布近似人类;②骨转换率高,较快形成新的骨平衡;③骨量随年龄增长而降低;④生殖力强、产仔多、饲养成本投入少,具有良好的实验重复性。

缺点有:①不易产生骨折脆性;②缺乏哈弗斯重建系统,骨重建存在差异性[5-6];③药代动力学与人类不同[7];④生活规律差异大,动情周期短[8];⑤体积小,采血以及取骨等操作有难度。

1 1 2 小鼠 小鼠与大鼠在很多方面十分相似,但特别的是小鼠的基因组信息已经确定,遗传稳定,是研究基因对OP影响的常用动物[9]。

其优点有:①骨丢失随年龄增长而增加,易发生骨脆性骨折;②研究基因及遗传有优势;③分布范围广、生殖能力强、养殖成本低廉,具有很强的操作适应性。

其缺点有:①骨松质近似人类骨骼,骨皮质存在差异性;②品系繁多,不同品系之间骨丢失不同;③体积更小,采血以及取骨等实验操作困难。

1 2 斑马鱼
脊椎动物斑马鱼的基因与哺乳动物的基因具有很大的相似性,而且同小鼠一样,在基因编辑的基础上对研究疾病发挥了很大的作用[10]。

其优点有:①骨骼发育近似人类骨骼;②饲养方便且养殖成本低;③造模时间较短,给药方法较为简单,效率高;④可操作性强。

缺点有:①缺乏哈弗斯重建系统;②造模及给药方式缺乏多样性;③胚胎体积小,检测方法少,尚未建立完善的骨骼系统[11];
④采血方式单一,缺乏连续性。

1 3 犬
优点有:①皮质骨和松质骨构成、骨组织及骨代谢与人类近似;②具有完整且丰富的哈弗斯重建系统;③大型犬取骨方便,也可长期多次进行操作[12];④性格温顺,寿命较长,易于操作;⑤消化系统与人类相似,可口服给药。

缺点有:犬是季节性周期动物,体内激素水平十分稳定,与人类有很大差异。

1 4 兔
兔在研究医学实验方面的应用较为广泛。

优点:①饲养方便且养殖成本低;②大小适中,寿命
长,生殖能力强,性成熟期长;③具有高骨骼成熟度,拥有近似人类骨骼的十分活跃的哈弗斯重建能力[13];④骨转换速度快且骨质流失显著;⑤采血方便,可长期观察。

缺点:①造模时间长;②骨松质中骨含量少,不易测量骨密度(Bonemineraldensity,BMD)。

1 5 其他动物
羊、猪和非人类灵长类动物也可以建立相应的疾病模型。

羊多用于治疗疾病所致骨折以及修复等研究,其优点有:①近似人类骨骼结构;②具有哈弗斯重建系统;③体积大,易于进行采血及取骨等操作;④性格温顺,养殖方便。

缺点有:①造模时间长;②BMD受环境影响大。

猪主要研究药物效果,临床疗效等,其优点有:①骨骼发育、形态结构、骨骼重建以及重建速率与人类骨骼近似;②大骨骼便于采血及取骨等操作。

缺点有:①养殖成本略高;②活泼好动,难以控制,导致造模困难。

非人类灵长类动物具有与人类极其相似的骨骼系统,存在骨皮质重建系统,但种类稀缺且价格高,养殖成本高,饲养条件要求更高。

2 Cd诱导的OP动物模型制备方法
日常Cd的吸收和富集方式主要是通过食物链(摄入被Cd污染的食物、水等)被人体吸收并进入循环系统,其次是通过呼吸道,逐渐富集在肾脏、肝脏和骨骼中,影响身体各系统的功能。

实验动物饮用含氯化镉(CdCl

)的水和CdCl

溶液灌胃与人体吸收Cd途径一致。

皮下注射和腹腔注射
CdCl

后,溶液在腹膜毛细血管区域扩散或滤过进入循环系统,与人体吸收Cd途径趋近一致。

各种大小体型的动物均可以通过自由饮用不同浓度
(5~50mg/L)的含CdCl

的水,给药周期也在4周~16个月,从而达到理想造模效果[14-15]。

缺点是无法控制每只动物的摄入量。

灌胃的给药剂量和周期也与自由饮水相似,优点是容易控制摄入量,缺点是不适合体型偏大的动物。

对中小型动物可以进行皮下注射或腹腔注射,皮下注射浓度0 1~1 5mg/kg,造模时间4周~3个月[16-17]。

优点是可以迅速达到药效,适用于不能或不宜口服的情况,缺点在于给药剂量少,多次抽吸药液工作量大等。

腹腔注射药物浓度相较皮下注射更大,多为0 5~3 5mg/kg,造模周期4~18周[18-20]。

优点是腹膜吸收面积大且直接入血,速度快且吸收能力强,缺点在于大型动物不易控制。

饲喂纯化饲粮和卵黄囊接种等其他方法也很有效,饲喂含0 25~
50mg/kgCdCl

纯化饲粮,持续18个月即可,鸭
胚胎的卵黄囊接种1μMCdCl

溶液,待鸭胚去壳后即可[21-22]。






国际老年医学杂志 2023年11月 第44卷第6期 IntJGeriatr,November2023,Vol.44No.6周亚双,等.镉诱导的骨质疏松动物模型的研究进展
3 Cd诱导的OP造模成功的检测指标
3 1 骨相关参数检测
实验动物的后肢骨和腰椎骨是于分析骨组织的部位,常用的检测OP造模是否成功的指标有骨表面积(Bonesurface,BS)、骨体积(Bonevolume,BV)、骨体积分数(Bonevolume/Trabecularvol ume,BV/TV)、骨表面积和组织体积的比值(Bonesurface/Trabecularvolume,BS/TV)、骨表面积和骨体积的比值(Bonesurface/Bonevolume,BS/BV)、骨小梁数量(Trabecularnumber,Tb N)、骨小梁厚度(Trabecularthickness,Tb Th)、骨小梁分离度(Trabecularseparation,Tb Sp)、骨小梁模式因子(Trabecularbonepatternfactor,TBPf)、结构模型指数(Structuremodelin dex,SMI)、骨连接密度(Connectivitydensity,Conn D )、BMD、骨矿物质含量(Bonemineralcontent,BMC)、骨各向异性(Degreeofanisotro py,DA)、骨髓腔面积和骨吸收陷窝等,其中BV/TV、Tb N、Tb Th、Tb Sp和BMD是关键指标。

模型成功后,骨小梁细而稀疏,BV/TV、Tb N、Tb Th和BMD降低,Tb Sp增大[14]。

骨骼重量、强度、位移、刚度、能量、极限应力、极限应变和韧性均降低但不显著,胶原纤维的染色强度、生物力学指标显著降低,连接点明显减少,骨骼中Cd浓度显著增加,胶原纤维染色为红色表明胶原纤维的结构可能受损[18]。

3 2 骨形态学及病理学检测
造模成功后,骨形态学和病理学检测可见:骨髓中含有大量造血细胞和更多的多核巨细胞,成骨细胞数量显著减少,破骨细胞数量显著增加,大量成骨细胞已被软骨组织所取代,无骨小梁结构,骨组织结构被破坏[14]。

骨组织受到损伤后,骨骼重量显著降低,胫骨、颈椎和股骨组织出现坏死和严重肥大的骨细胞[23]。

大量脂肪细胞出现取代骨细胞[22]。

胫骨重量、长度、形态计量学虽无明显差异,但软骨下骨体积减小,胫骨中黄色骨髓百分比增加[15]。

3 3 骨相关蛋白检测
与成骨有关的蛋白有Runt相关转录因子2(Runt-relatedtranscriptionfactor2,RUNX2)、骨保护素(Osteoprotegerin,OPG)、骨钙素(Osteo calcin/Bonegla-protein,OCN/BGP)、骨桥蛋白(Osteopontin,OPN)等。

造模成功后,OPG、OPN、OCN、RUNX2表达显著降低[19]。

与破骨有关的蛋白有核因子κB受体活化因子(Receptoractivatorofnuclearfactor-kappaB,RANK)、核因子κB受体活化因子配体(Receptoractivatorofnuclearfactor-kappaBligand,RANKL)、抗酒石酸酸性磷酸酶(Tartrateresistantacidphosphatase,TRAP)、基质金属蛋白酶(Ma trixmetalloproteinases,MMPs)、降钙素受体(Cal citoninreceptor,CTR)、玻连蛋白受体(Vitronec tinreceptor,VR)、组织蛋白酶K(CathepsinK,CK)、Ⅱ型碳酸酐酶(CarbonicanhydraseⅡ,CAⅡ)[24]。

造模成功后,RANK、RANKL、MMP-9、CAⅡ、CK、TRAP等蛋白表达量呈剂量依赖性显著升高[15]。

TRAP阳性破骨细胞的数量、大小、骨吸收面积增加,破骨细胞黏附结构(足小体)带非常明显,增加了晚期破骨细胞分化和黏附功能,从而增加了骨吸收活性[14]。

4 小结
综上所述,制备正确、理想化、有效的Cd诱导的OP动物模型,准确再现人类OP模型对研究Cd诱导的OP至关重要。

可以用于造模的动物有鼠、斑马鱼、犬、兔等,各有优缺点。

与此同时,模型制备方法可选择性也比较多,如自由饮水、灌胃、腹腔注射、皮下注射。

同时,验证模型是否成功的方法选择也比较多,如通过检测骨相关参数来判断,其中BV/TV、Tb N、Tb Th、Tb Sp和BMD是关键指标,还可以通过检测骨形态学及病理学来判断,其中成骨细胞减少以及破骨细胞增加是关键指标,或者通过检测骨相关蛋白来判断,其中OPG、OPN、OCN、RUNX2等成骨相关蛋白,RANKL、MMP-9、CAII、CK、TRAP等破骨相关蛋白是关键指标。

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(2023-04-07收稿)




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