糖尿病研究模型
糖尿病作为一种慢性代谢性疾病，通常不会在患者身上独立存在，而常与其他诸多非健康状态或疾病并存，在这个数病齐发的过程中糖尿病往往是“开路先锋”，据统计全球高达4亿多人饱受糖尿病困扰，其中我国糖尿病患病人数居全球之首，已超1.3 亿。为了解决糖尿病这个“甜蜜负担”，我们需要探究糖尿病的发病机制，针对每一类糖尿病构建合适的动物模型，开发对症的药物。今天，小编就为大家介绍一下糖尿病研究常用的模型。
图1.全球糖尿病患者统计
01
糖尿病简介
糖尿病是以高血糖为特征的慢性代谢性疾病，且难以治愈一般需要终生服药。糖尿病的可怕在于其会导致眼、肾、心脏、血管、神经等组织器官的慢性损伤和功能障碍，并有概率引起各种并发症，如失明、肾衰竭、心脏病、中风和下肢截瘫等。据《中国2型糖尿病防治指南（2020版）》指出，我国糖尿病患病率已上升至11.2%，也就是说我国每10个成年人就有1个糖尿病患者，这对个人和社会都是沉重的负担[1]。
图2.糖尿病并发症
临床上对于糖尿病的病因分型，目前应用最为广泛、大体上最被公认是1999年世界卫生组织（WHO）公布的这4类，即1型糖尿病（T1DM）、2型糖尿病（T2DM）、特殊类型糖尿病和妊娠期糖尿病（GDM）。2019年WHO又在此基础上，将成人隐匿性自身免疫糖尿病（LADA）和酮症倾向T2DM归类为“混合型糖尿病”，且添加了“未分类糖尿病”，从而将糖尿病分为6种类型[5]。每种类型糖尿病的特征如下：
T2DM是糖尿病患者中最主要的群体，其主要发病原因是胰岛素抵抗及胰岛素分泌相对不足。
T1DM是由于胰岛β细胞破坏、胰岛素分泌缺乏所致，特征是胰岛功能差，终身需要依赖胰岛素治疗。
继发性糖尿病是一类由特定疾病或药物等相关因素引起血糖升高的糖尿病类型。
GDM是指与妊娠状态相关的糖代谢异常，但未达到非孕人群糖尿病诊断标准，GDM患者糖代谢多数于产后能恢复正常，但将来患II型糖尿病概率也会增加。
单基因糖尿病由影响胰岛β细胞发育、功能或胰岛素作用的单个基因突变所致，约占所有糖尿病的1%~5%，迄今已发现70余个单基因糖尿病的致病基因，大多数通过影响胰岛β细胞功能而致血糖异常。
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未定型糖尿病指部分糖尿病患者表现不典型，根据其症状、体征和已经完成前述的胰岛功能、胰岛自身抗体及基因检测等结果仍不能分型者。
目前，市面上已有多款治疗不同糖尿病的药物，这些药物有效改善了众多糖尿病患者的生活质量，但现有的治疗策略无法阻止糖尿病的进展和慢性并发症的发生，且大部分药物针对的都是最常见的T2DM和T1DM，其他类型的糖尿病人缺乏足够的治疗手段。因此，糖尿病的研究依然任重道远。
02
糖尿病动物模型
糖尿病实验动物模型作为重要的科研工具，在糖尿病机理研究，药物筛选以及药物临床前实验都发挥了重要作用。目前，随着生物医学技术的不断进步，糖尿病动物模型造模所用的实验动物种类和造模手段日呈多元化发展，糖尿病动物模型的构建也能更好地模拟人类糖尿病的发生发展。针对不同因素导致的糖尿病，研究人员应选择与之研究主体相接近的糖尿病模型作为研究对象。小编在此归纳总结了当前糖尿病研究的主要啮齿类模型，以飨读者。
图3.小鼠模型
2.1 自发性糖尿病模型
自发性糖尿病动物模型是指在自然条件下，未经过人工处理而发生糖尿病的实验动物，且其后代仍大概率患糖尿病。常见的自发性糖尿病有NOD小鼠、ob/ob小鼠、db/db小鼠、BB大鼠、LETL大鼠等。自发性模型动物糖尿病的发生发展进程与人类的糖尿病相似，在糖尿病研究上应用广泛，常用自发性糖尿病大小鼠模型如下表所示。
2.2 诱发性糖尿病模型
化学药物诱导：已发现多种化合物可在动物模型诱发糖尿病，其中链脲佐菌素(Streptozotocin,STZ)和四氧嘧啶(Alloxan,ALX)是最常用的，这两种药物都是细胞毒性葡萄糖类似物，对GLUT2转运体具有高度亲和力，主要破坏胰岛β细胞[2]。比起ALX，STX因其具有更好的稳定性和更小的毒性而更受欢迎。若在大小鼠怀孕期间，进行STZ诱导则可以构建GDM模型。但这种方法存在一定的风险，可能导致孕鼠流产，且STZ对胰岛的破坏是不可逆的，而一般GDM患者血糖在产后能恢复正常，因此实验动物可以在产后再移植一个正常的胰岛，但是这个手术难度高且成本不菲。
图4.STZ破坏胰岛β细胞原理图[6]
饮食诱导（DIO）：饮食诱导的动物糖尿病模型与人类糖尿病相似，常用来研究饮食、基因等因素与肥胖/糖尿病等疾病进程之间的关系。例如C57BL/6小鼠持续高脂饮食饲喂14周左右，检测糖尿病相关指标，这类模型可用于肥胖、II型糖尿病研究。
图5.DIO肥胖小鼠
手术诱导：直接全部或大部分切除实验动物的胰腺，如果连续两天血糖值超11.1mmol/L或者葡萄糖耐量试验120min时的血糖值仍未恢复到注射前水平则认为DM造模成功。该技术必需经过专门技术训练且需配套的手术设备，还需消除外分泌胰腺消化酶和其他胰岛激素的混杂效应的影响，因此其广泛应用受到限制[4]。
2.3 基因修饰糖尿病模型
利用基因修饰技术对特定DNA片段进行定点敲除、敲入以及替换来实现基因表达的上调或下调，从而构建相关基因型的糖尿病动物模型。这类模型可以稳定遗传，有利于研究糖尿病及其并发症的发病机制，并可用于糖尿病药物的筛选和药理药效研究。
Ins2-C96Y点突变小鼠
研究发现若小鼠胰岛素A链中的第七个氨基酸Cys96（TGC）变为Tyr（TAC），会导致胰岛素A链和B链之间的一个关键二硫键无法形成，从而导致小鼠proinsulin-2蛋白的错误折叠这些错误折叠的蛋白的积累最终会导致内质网应激和胰岛β细胞凋亡[3]。这个突变是Akita小鼠自发糖尿病的原因，据此我们构建了Ins2-C96Y点突变小鼠模型，并观察到从4周龄开始，Ins2-C96Y杂合子小鼠就表现出多食、多饮、高血糖、体重不增的明显糖尿病症状，且症状随着年龄增长而加重，上述研究结果表明Ins2-C96Y小鼠可作为I型糖尿病研究的动物模型。
Ins2-C96Y的详细介绍可以移步我们往期推文：
图6.Akita小鼠发病基本原理
胰腺特异性敲除PRLR小鼠
孕鼠STZ诱导构建GDM模型的难度较高，因此有研究者尝试构建基因修饰的GDM模型。2019年，NteebaJ等构建了PRLR-flox小鼠，催乳素受体（PRLR）是孕期维持体内血糖稳态的关键分子，敲除PRLR基因能导致妊娠期β细胞不能正常扩增，体内葡萄糖稳态受损。将PRLR-flox小鼠和pdx1-Cre（胰岛特异性Cre工具鼠）交配，得到的阳性子代在怀孕时能成功观察到GDM的表型[10]。
GK/IRS-1双基因敲除小鼠
IRS-1-/-小鼠表现为胰岛素抵抗，但由于β细胞代偿性增生，胰岛素分泌增多，糖耐量正常。β细胞特异GK表达降低的小鼠，显示轻度糖耐量异常。两者杂交产生的GK/IRS-1双基因剔除小鼠，表现Ⅱ型糖尿病症状，既有胰岛素抵抗又有糖耐量异常。
Gck敲除/Hnf4a敲除/Abcc8敲除等模型
Gck、Hnf4a、Abcc8等基因与胰岛β细胞发育、功能或胰岛素信号通路有关，这些由基因突变导致的糖尿病统称为单基因糖尿病。它们的临床症状与T2DM和T1DM类似，常被误诊，导致患者得不到正确的治疗。
葡糖激酶基因（Gck）被称为“葡萄糖感受器”，不仅是糖代谢过程中关键的限速酶，在β细胞中它还可以通过感受血糖水平调节胰岛素的分泌。Gck突变会导致轻度空腹血糖升高和轻度胰岛分泌功能异常[9]。
Hnf4a主要表达于肝脏，但在胰腺和肾脏上也有表达，该基因编码的转录因子通过多种途径影响糖代谢，Hnf4a突变会导致高胰岛素血症和巨大儿的症状[10]。
Abcc8基因编码在胰岛素分泌中起重要作用的KATP通道的SUR1调节亚单位，其突变可影响钾离子通道关闭和β细胞膜的去极化、抑制胰岛素分泌，导致常染色体显性遗传性糖尿病[11]。
构建上述关键基因的敲除模型和条件性敲除模型，可用于单基因糖尿的机制研究，是提高单基因糖尿病个体化精准诊治水平的关键。
GLP-1R人源化模型
胰高血糖素样肽-1受体（glucagon-like peptide-1 receptor, GLP-1R）广泛分布在胰岛、胃、小肠、心脏、肾脏、肺、大脑等组织器官中， 当它被GLP-1或人工合成的GLP-1R激动剂激活后，便能发挥多种不同的生理功能。GLP-1R的主要作用是和胰高血糖素样肽-1结合，调节血糖，它是治疗2型糖尿病最有效的靶点之一[8]。如果能在小鼠上敲入人源的GLP-1R基因，让小鼠表达人源GLP-1R，就可以直接使用小鼠来筛选糖尿病药物，并初步分析候选药物的药理药效，把曾经要到志愿者身上才能验证的一些药物性能提前到小鼠上实现，可以大大节约药物开发的成本和时间。
关于GLP-1R人源化模型的详细介绍可以查阅我们的往期推文：
图7.GLP-1R的生理功能
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优吉鼠库糖尿病动物模型
南模生物优吉鼠模型资源库含多种自主构建的基因修饰糖尿病研究模型，可用于糖尿病的基础研究和药物开发，详细模型信息见下表：
*：疾病预测数据是基于已发表文献中的近似模型 （与公司模型具有相似的构建策略或基因型）预测获得。
南模生物深耕基因编辑领域，提供全方位模式生物服务，包括基因修饰成品模型供应、个性化模型定制、饲养繁育、表型分析、药效评价等，满足不同实验室需求。
参考文献：(上下滚动查看更多)
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