樊好飛,張 勇,劉 嬙,賈 皓,劉啟兵
(海南醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院藥理學(xué)教研室,海南海口 571199)
動(dòng)脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)是一種復(fù)雜的慢性炎癥疾病,包括冠狀動(dòng)脈疾病、心肌梗死、多種亞型腦卒中、外周血管疾病和主動(dòng)脈瘤,主要特征是動(dòng)脈壁上斑塊積聚[1]。AS 的發(fā)生與血漿低密度脂蛋白(low-density lipoprotein,LDL)濃度有關(guān)。LDL 濃度升高,可以促進(jìn)其與膜蛋白多糖結(jié)合而產(chǎn)生不溶性沉淀,滯留于動(dòng)脈壁炎癥部位,易形成斑塊。有研究還表明,LDL 濃度升高,能夠上調(diào)高密度脂蛋白(high-density lipoprotein,HDL)濃度,增加單核細(xì)胞數(shù)目,加重血管炎癥。AS晚期往往斑塊會(huì)發(fā)生破裂,造成血小板激活和聚集,從而導(dǎo)致管腔阻塞和血液供應(yīng)中斷,形成血栓[2]。AS動(dòng)物模型常用于AS病因和并發(fā)癥,如卒中、猝死和心肌梗死等發(fā)病機(jī)制的研究[3]。1992年,Plump等[4]首次建立了載脂蛋白E(apolipoprotein E,ApoE)基因敲除小鼠,發(fā)現(xiàn)該小鼠近端主動(dòng)脈發(fā)生粥樣硬化病變。1995年,Han等[5]發(fā)現(xiàn)大鼠血管損傷模型中,細(xì)胞凋亡在早期血管損傷和AS 發(fā)生發(fā)展中具有重要作用。1993 年,van den Maagdenberg 等[6]從首例APOE3-Leiden 患者分離的27 kb DNA 構(gòu)建體(含有ApoE 和ApoC1 基因和所有調(diào)控元件)培育的ApoE3-Leiden 小鼠,用于研究環(huán)境及基因因素對(duì)高脂血癥的影響[7],且多用于篩選抗AS及調(diào)血脂藥物[8]。另有研究表明,ApoE3-Leiden小鼠模型供體小鼠頸動(dòng)脈移植自身胸腔靜脈可加速AS 發(fā)生[9-10]。2014年,Bj?rklund等[11]將蛋白轉(zhuǎn)化酶subtilisin/kexin9 型(protein convertase subtilisin/kexin type 9,PCSK9)-腺嘌呤相關(guān)病毒(adeno-associated viruses,AAV)靜脈注入小鼠體內(nèi)獲得PCSK9-AAV小鼠,易發(fā)生AS,常用于心血管鈣化相關(guān)研究,且PCSK9-AAV小鼠模型早期在主動(dòng)脈根部形成斑塊,中期發(fā)生血管鈣化,后期AS斑塊發(fā)生纖維化[12]。隨著基因工程技術(shù)和分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,以鼠、兔、豬、犬和狒狒為對(duì)象的AS模型不斷被建立[13-14]。
合理選擇動(dòng)物模型對(duì)于AS及相關(guān)并發(fā)癥的研究具有重要意義?;蚯贸∈竽P褪茿S研究中應(yīng)用較多的一類實(shí)驗(yàn)工具。這些基因敲除小鼠因體積小、繁殖快、造模時(shí)間短和易于基因修飾等優(yōu)勢(shì),在AS 研究中廣泛使用。基因敲除小鼠主要包括ApoE-/-小鼠及其改良品系、LDL 受體基因敲除(LDL receptor,LDLR-/-)小鼠及其改良品系、ApoE-/-/LDLR-/-雙基因敲除小鼠等[1-2,15]。本文旨在介紹基因敲除小鼠AS 模型研究進(jìn)展,以促進(jìn)基因敲除小鼠在AS 研究中的應(yīng)用,并為基于相關(guān)靶點(diǎn)的藥物開發(fā)提供參考。
ApoE 是主要在肝和腦中合成的多態(tài)性蛋白,參與脂蛋白轉(zhuǎn)化代謝、免疫調(diào)節(jié)及神經(jīng)組織的再生、乳糜微粒和極低密度脂蛋白(very low-density lipoprotein,VLDL)的清除[4]。ApoE 濃度與血漿甘油三酯含量呈正相關(guān),敲除ApoE基因?qū)е翧poE匱乏,進(jìn)而引起機(jī)體甘油三酯水平下降,膽固醇平衡被破壞,易誘發(fā)心腦血管相關(guān)疾病[16]。Plump 等[4]首次利用胚胎干細(xì)胞同源重組和基因敲除技術(shù)培育出ApoE-/-小鼠,發(fā)現(xiàn)該小鼠易誘導(dǎo)形成AS,具有典型的AS 病理形態(tài)特征,且斑塊形成的繼發(fā)病變與臨床AS 患者非常相似。另有研究發(fā)現(xiàn),用重金屬鎘(Cd)處理ApoE-/-小鼠一段時(shí)間,可加速AS的發(fā)生發(fā)展,還可以誘發(fā)高血壓、外周動(dòng)脈疾病、癌癥、卒中和心力衰竭等病癥[18]。Oliveira 等[19]證明Cd暴露增加機(jī)體氧化應(yīng)激和總膽固醇水平,降低一氧化氮濃度,對(duì)AS 和心血管疾病的發(fā)生可能有一定的促進(jìn)作用。用普通飼料喂養(yǎng)ApoE-/-小鼠很難誘導(dǎo)AS 病變,而用不含膽酸鹽的高脂肪和高膽固醇飼料喂養(yǎng)會(huì)加快加重AS 的發(fā)生發(fā)展。該小鼠AS 模型常用于研究AS 發(fā)病機(jī)制和干預(yù)措施,同時(shí)也廣泛應(yīng)用于高脂血癥和非酒精性脂肪肝的研究[20-21]。
ApoE-/-小鼠AS 發(fā)展過程類似于人類Ⅱ型高脂血癥,容易在主動(dòng)脈根部、主動(dòng)脈弓小彎部、主動(dòng)脈主要分支點(diǎn)以及肺動(dòng)脈和頸動(dòng)脈等血管分支點(diǎn)形成AS 斑塊[22],且斑塊在晚期病變中會(huì)發(fā)生鈣化[23]。但有研究表明,ApoE-/-小鼠AS模型中斑塊不易破裂,因此無法模擬臨床上由于斑塊破裂導(dǎo)致的急性心梗和腦卒中[14]。ApoE-/-小鼠亦有一定的局限性,不能自發(fā)模擬類似人類的AS 病變特征,仍有較大優(yōu)化空間。 而目前,基于ApoE-/-小鼠的改良品系基因敲除小鼠種類繁多,廣泛應(yīng)用于AS及并發(fā)癥的研究,對(duì)深入探討AS發(fā)病機(jī)制起到了一定促進(jìn)作用。
HDL 受體B 類Ⅰ型清道夫受體(scavenger receptor class B type Ⅰ,SR-B1)是一種細(xì)胞膜表面糖蛋白受體,對(duì)HDL 具有高親和力,可介導(dǎo)HDL與細(xì)胞之間脂質(zhì)的雙向交換,在膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)中起重要作用,參與AS 發(fā)生發(fā)展及炎癥的調(diào)節(jié)[24-25]。正常情況下,SR-B1調(diào)節(jié)機(jī)體膽固醇和組織脂質(zhì)平衡,抑制血管炎癥,延緩動(dòng)脈腔變窄,避免器官血液供應(yīng)中斷,發(fā)揮抗AS 的作用[26]。為了研究SR-B1在AS 中的作用,Trigatti 等[24]利用SR-B1 缺陷小鼠與ApoE 缺陷小鼠雜交產(chǎn)生SR-B1/ApoE 雙敲除(ApoE-/-/SR-B1-/-)小鼠。Yu 等[27]發(fā)現(xiàn),瑞舒伐他汀作用于ApoE-/-/SR-B1-/-小鼠,可以防止血小板聚集和抑制泡沫細(xì)胞形成,有助于避免或減緩AS 發(fā)生發(fā)展。ApoE-/-/SR-B1-/-小鼠嚴(yán)重缺乏HDL受體,容易在主動(dòng)脈竇和冠狀動(dòng)脈中誘導(dǎo)AS 形成,且伴心肌梗死和心臟功能障礙等并發(fā)癥[25]。ApoE-/-/SR-B1-/-小鼠飼喂普通飼料,膽固醇和脂肪水平降低,而飼喂含有膽酸鈉的高脂飼料測(cè)易誘導(dǎo)冠狀動(dòng)脈AS和主動(dòng)脈竇AS發(fā)生[29-30]。
PDZ 結(jié)構(gòu)域含蛋白1(PDZ domain containing protein 1,PDZK1)主要在上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá),與HDL 受體和SR-BI 受體等膜蛋白相互作用,維持肝SR-BI 濃度穩(wěn)態(tài)和控制HDL 代謝[30]。PDZK1基因靶向敲除導(dǎo)致HDL顆粒直徑增加和血漿膽固醇濃度升高,造成SR-BI 表達(dá)異常和定位錯(cuò)亂,誘發(fā)高膽固醇血癥,導(dǎo)致AS[29]。PDZK1參與調(diào)節(jié)機(jī)體支架蛋白和離子通道蛋白相關(guān)的信號(hào)通路,使機(jī)體中脂代謝正常,發(fā)揮抗AS 發(fā)展的作用[31]。Kocher等[30]利用PDZK1-/-小鼠與ApoE-/-小鼠配對(duì)雜交獲得ApoE-/-/PDZK1-/-小鼠,證明ApoE-/-/PDZK1-/-小鼠飼喂高脂飼料的可誘導(dǎo)AS 的發(fā)生。Yu 等[32]發(fā)現(xiàn),ApoE-/-小鼠缺乏PDZK1,會(huì)促進(jìn)巨噬細(xì)胞凋亡和自噬,導(dǎo)致LDL和膽固醇等聚集在血管內(nèi)膜,誘發(fā)血管炎癥,導(dǎo)致AS發(fā)生,證明ApoE-/-/PDZK1-/-小鼠AS 發(fā)展的不同階段受巨噬細(xì)胞影響較大,AS 斑塊的穩(wěn)定性與巨噬細(xì)胞有直接關(guān)系。ApoE-/-/PDZK1-/-小鼠還用于PDZK1缺失及SR-BI信號(hào)通路干預(yù)對(duì)AS治療的影響的研究。
Seipin 是位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的膜整合蛋白,調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞分化和脂肪分解。小鼠缺乏Seipin 蛋白易導(dǎo)致嚴(yán)重全身脂肪營(yíng)養(yǎng)不良、伴胰島素抵抗、餐后高甘油三酯血癥和脂肪性肝炎[12]。ApoE-/-/Seipin-/-小鼠是由Seipin-/-小鼠與ApoE-/-小鼠雜交獲得,相對(duì)于ApoE-/-小鼠,其能夠誘導(dǎo)更嚴(yán)重的AS[7]。Liao等[15]敲除ApoE-/-小鼠的Seipin 基因,發(fā)現(xiàn)小鼠易發(fā)生AS,并伴血脂異常和脂肪性肝炎。ApoE-/-/Seipin-/-小鼠往往還表現(xiàn)為脂營(yíng)養(yǎng)不良和主動(dòng)脈斑塊的形成[11]。
重組激活基因1(recombination activation gene,RAG-1)的表達(dá)在淋巴細(xì)胞分化發(fā)育中起十分重要的作用。RAG-1 敲除導(dǎo)致其編碼的重組酶活性完全或部分喪失,T 和B 淋巴細(xì)胞的早期發(fā)育過程被阻斷,表現(xiàn)原發(fā)性免疫缺陷病[33]。ApoE 和RAG-1 基因雙敲除(ApoE-/-/RAG-1-/-)小鼠是ApoE-/-小鼠與RAG-1-/-小鼠雜交品種,容易誘發(fā)高膽固醇血癥和AS,同時(shí)還表現(xiàn)出免疫缺陷特征。研究發(fā)現(xiàn),其免疫缺陷特征對(duì)ApoE-/-/RAG-1-/-小鼠纖維斑塊的形成沒有顯著影響,但對(duì)血管炎癥的發(fā)生具有一定的促進(jìn)作用[33-34]。Mantani等[35]發(fā)現(xiàn),抗炎因子白細(xì)胞介素25(interleukin-25,IL-25)可以減少ApoE-/-/RAG-1-/-小鼠AS 斑塊形成,對(duì)動(dòng)脈壁的正常功能具有一定的保護(hù)作用。該小鼠模型主要用于研究細(xì)胞和體液免疫與AS發(fā)生發(fā)展之間的關(guān)系及抗AS疫苗藥物的研發(fā)[35]。
原纖維蛋白1(fibrillin-1,F(xiàn)bn1)是控制結(jié)締組織彈性和完整性的微纖維主要成分[36],F(xiàn)bn-1 缺乏易引起包括心血管疾病在內(nèi)的多種組織疾病。ApoE-/-/Fbn1C1039G+/-小鼠是ApoE-/-小鼠與Fbn1C1039G+/-品系小鼠雜交篩選獲得,極易發(fā)生AS 并伴自發(fā)性斑塊破裂和心肌梗死等,多用于AS 引起的主動(dòng)脈病變的研究[37]。Roth等[37]發(fā)現(xiàn),ApoE-/-/Fbn1C1039G+/-小鼠給予血管緊張素Ⅱ后,主動(dòng)脈和腹主動(dòng)脈出現(xiàn)嚴(yán)重動(dòng)脈瘤及心臟肥大和纖維化等,證明血管緊張素Ⅱ能夠加速誘導(dǎo)AS 及相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展。Kurdi 等[38]利用ApoE-/-/Fbn1C1039G+/-小鼠驗(yàn)證依維莫司(everolimus)是否具有抗AS作用,發(fā)現(xiàn)依維莫司可以降低AS 斑塊內(nèi)新生血管形成、心肌梗死和猝死等發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。而ApoE-/-/Fbn1C1039G+/-小鼠的斑塊明顯較大,表型高度不穩(wěn)定,特別是壞死核心較大,且膠原含量顯著降低[39]。與其他AS小鼠模型相比,ApoE-/-/Fbn1C1039G+/-小鼠更易表現(xiàn)出臨床終末期AS特征,如斑塊破裂、心肌梗死和猝死等[40-41]。ApoE-/-/Fbn1C1039G+/-小鼠斑塊不穩(wěn)定易破裂,為人們進(jìn)一步了解斑塊破壞機(jī)制和治療干預(yù)的潛在靶點(diǎn)提供機(jī)會(huì)。
內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)及其衍生的NO 是控制血管舒縮功能和心血管穩(wěn)態(tài)的重要組成部分,且NO 是一種強(qiáng)效血管擴(kuò)張劑,具有多種血管保護(hù)作用,如抑制血小板聚集,抑制白細(xì)胞或單核細(xì)胞黏附內(nèi)皮表面,以及抑制血管平滑肌細(xì)胞的增殖和遷移等[42-43]。eNOS和ApoE雙基因敲除(ApoE/eNOSDKO)小鼠是由eNOS-KO小鼠與ApoE-/-小鼠雜交獲得,該小鼠飼喂高脂飼料易發(fā)生冠狀動(dòng)脈病變、慢性心肌缺血、心力衰竭和其他心血管并發(fā)癥[40]。Kuhlencordt 等[44]利用ApoE/eNOS-DKO 小鼠研究依澤替米貝(ezetimibe)抗AS 藥理機(jī)制,發(fā)現(xiàn)其能夠降低該小鼠血漿膽固醇水平和AS發(fā)生相關(guān)脂蛋白濃度,具有抗AS 的作用。ApoE/eNOS-DKO 小鼠AS 模型還可用于eNOS 缺乏AS 發(fā)生發(fā)展的影響及NO供體藥物對(duì)AS治療作用的研究[45-46]。
LDLR 是介導(dǎo)膽固醇進(jìn)入細(xì)胞的主要受體,ApoB 100 作為L(zhǎng)DL 主要的載脂蛋白,在高脂肪飼料喂養(yǎng)的動(dòng)物中與富含甘油三酯的VLDL濃度呈正相關(guān)[47]。LDLR 被敲除或沉默影響膽固醇的轉(zhuǎn)運(yùn),破壞細(xì)胞內(nèi)膽固醇平衡,造成膽固醇聚積在動(dòng)脈壁,誘發(fā)AS[48]。LDLR 基因敲除(LDLR-/-)小鼠AS模型具有在人類家族性高膽固醇血癥中觀察到主動(dòng)脈瓣和主動(dòng)脈根部的病變特征,是目前在AS研究領(lǐng)域中應(yīng)用最多的基因工程動(dòng)物模型之一[49]。LDLR-/-小鼠模型血漿脂質(zhì)水平升高會(huì)促進(jìn)AS發(fā)展,在普通飼料喂養(yǎng)下不發(fā)生或只發(fā)生輕度AS。缺乏LDLR主要影響脂蛋白的攝取和清除,病變更容易歸因于脂蛋白穩(wěn)態(tài),而不是其他過程如細(xì)胞增殖或炎癥,其LDLR相關(guān)的其他功能不影響斑塊的發(fā)展[4,13]。喂食含有高脂肪或膽固醇飼料可誘發(fā)顯著的病變,然而AS病變只發(fā)生在較大周齡LDLR-/-小鼠中[49]。LDLR-/-小鼠受脂肪和膽固醇影響很大,由于誘導(dǎo)AS 病變的飼料中脂肪或膽固醇等組分含量復(fù)雜,LDLR-/-小鼠AS 模型目前仍無法供實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化精確比較[1],LDLR-/-小鼠仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。
Seipin 基因的敲除對(duì)LDLR-/-小鼠AS 形成也具有促進(jìn)作用。Wang 等[50]通過LDLR-/-小鼠與Seipin-/-小鼠進(jìn)行雜交獲得Seipin 和LDLR 雙基因缺陷(LDLR-/-/Seipin-/-)小鼠,該品系小鼠缺失Seipin 造成脂肪代謝障礙,進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的高膽固醇血癥,加速AS 形成。LDLR-/-/Seipin-/-小鼠具有自發(fā)性脂肪代謝障礙,是AS形成的主要因素,受飼料中脂肪含量影響較小。該小鼠能夠規(guī)避LDLR-/-小鼠的缺點(diǎn),在普通飼料喂養(yǎng)下,會(huì)自發(fā)出現(xiàn)AS 相關(guān)癥狀如高甘油三酯血癥和脂質(zhì)沉積等。在飼喂高脂飼料的情況下,LDLR-/-/Seipin-/-小鼠會(huì)誘發(fā)更加嚴(yán)重的AS,且伴有高脂血癥和脂肪性肝炎[50]。該品系小鼠多用于觀察Seipin 基因缺失引起的脂質(zhì)代謝障礙對(duì)AS 形成的影響[36]。
ApoB 100 是機(jī)體內(nèi)乳糜微粒、β-VLDL、LDL、氧化型LDL 和脂蛋白a 等的載脂蛋白組分之一,主要是結(jié)合和輸運(yùn)血脂到機(jī)體各組織進(jìn)行利用及代謝,調(diào)節(jié)機(jī)體脂質(zhì)平衡,防止動(dòng)脈內(nèi)膜中脂質(zhì)與復(fù)合糖類積聚,避免AS斑塊形成[51]。LDLR-/-/ApoB100/100小鼠由Farese 等[52]首次利用LDLR-/-小鼠與人ApoB 100 轉(zhuǎn)基因小鼠雜交產(chǎn)生,表現(xiàn)為主動(dòng)脈膽固醇堆積、血漿脂質(zhì)濃度升高和肝代謝紊亂。該小鼠用普通飼料喂養(yǎng)可發(fā)生AS 和脂質(zhì)代謝障礙等,用高糖飼料喂養(yǎng)可誘導(dǎo)高血糖、高脂血癥、嚴(yán)重的AS 和肥胖[53]。LDLR-/-/ApoB100/100小鼠多用于AS和心功能不全等鈣化性主動(dòng)脈瓣疾病發(fā)病機(jī)制的研究,藥物對(duì)機(jī)體LDL 的調(diào)節(jié)和影響研究,還可應(yīng)用于糖尿病并發(fā)的心腦血管疾病研究[54-55]。
ApoE-/-/LDLR-/-小鼠是通過胚胎干細(xì)胞同源重組開發(fā),主要用于研究AS 病理特征如血管重塑和內(nèi)皮依賴性舒張功能受損等。ApoE-/-/LDLR-/-小鼠誘發(fā)的AS 和高血脂較LDLR-/-小鼠更嚴(yán)重[4],且不需要高脂飼料飼喂誘導(dǎo),就能夠自發(fā)形成AS 斑塊,適于研究AS、高血脂和炎癥等發(fā)病機(jī)制及藥物治療[50]。與ApoE-/-小鼠相比,ApoE-/-/LDL-/-小鼠除了Apo B48 和Apo B100 水平顯著升高外,脂蛋白譜無顯著差異,均可用高脂飼料喂養(yǎng)誘導(dǎo)AS 的發(fā)生[56]。Kostogrys 等[57]研究發(fā)現(xiàn),ApoE-/-/LDL-/-小鼠飼喂高蛋白低碳水化合物飼料,可減少其血管壁AS 斑塊形成,可能的機(jī)制是高蛋白低碳水化合物飼料可增加ApoE-/-/LDLR-/-小鼠體內(nèi)HDL水平,促進(jìn)AS 斑塊中泡沫細(xì)胞轉(zhuǎn)移至肝排出體外,避免早期脂肪條紋形成和斑塊破裂。另有研究表明,ApoE-/-/LDLR-/-小鼠體內(nèi)還會(huì)表現(xiàn)出脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)失衡,進(jìn)而造成血管壁脂肪堆積和斑塊形成,促進(jìn)AS發(fā)生發(fā)展[58]。
ApoE,LDLR,SR-B1,PDZK1,Seipin,RAG,F(xiàn)bn1C1039G+/-和eNOS 基因?qū)τ贏S 的發(fā)生發(fā)展具有重要的影響,其與AS發(fā)生的關(guān)聯(lián)性見表1。這些相關(guān)基因編碼的蛋白是AS相關(guān)疾病治療的重要靶點(diǎn)。
基因敲除小鼠AS 模型廣泛應(yīng)用于AS 相關(guān)研究。不同品系小鼠AS 模型表現(xiàn)不同AS 臨床特征。合理選擇AS 小鼠模型對(duì)于研究AS 的發(fā)生發(fā)展及藥物治療具有重要意義。我們對(duì)上述基因敲除小鼠AS 模型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)(見表2),以期為AS 的研究及模型的合理選擇提供參考。
表1 與動(dòng)脈粥樣硬化(AS)發(fā)生相關(guān)基因的特征
AS 發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,目前尚未完全闡明。AS 及相關(guān)疾病的治療一直以來都是科學(xué)研究的重點(diǎn),臨床上也面臨著諸多難題。AS 動(dòng)物模型是AS 的發(fā)病機(jī)制及治療研究不可或缺的工具,選擇合適的動(dòng)物模型對(duì)AS 的研究具有重要價(jià)值。這些已有的基因敲除小鼠AS 模型能夠部分有效模擬不同AS臨床癥狀及體現(xiàn)AS 發(fā)生發(fā)展過程的關(guān)鍵基因的調(diào)控機(jī)制,可作為AS 發(fā)生機(jī)制及抗AS 藥物開發(fā)的有效研究工具。但是,不同品系的AS 基因敲除小鼠模型仍會(huì)存在一些局限性,探尋更好的模擬臨床AS 發(fā)生發(fā)展過程的小鼠動(dòng)物模型具有一定的必要性。
表2 基因敲除AS 模型小鼠特點(diǎn)