五大急性和慢性肠道炎症动物模型剖析

摘要：炎症的病因是多因素的，因此研究人员和临床兽医需要应用不同的动物模型来模拟人类相关疾病。那么，知道用于研究哺乳动物急性和慢性肠道炎症性疾病的各种动物模型的相对优势和局限性是极有必要的。本文旨在说明在每个动物模型的优点和缺点，希望能有助于研究人员在急性或慢性刺激促进肠道疾病模型上的选择。

肠道是一个高度复杂的器官，需要复杂的动物模型来研究其功能和疾病。在肠道内含有各种消化的食物成分或维持肠道环境的好氧、厌氧和兼性厌氧菌，而这些细菌通常对肠道，和生理和免疫功能有显著的影响。研究肠道疾病的动物模型从小鼠到非人灵长类动物有很多种，虽然没有一个单一的动物模型是完美的，但对研究肠道炎症来说每个模型都具有独特探索肠道损伤和疾病的各个方面的功能。

小鼠: 小鼠是最常用于肠道研究的动物模型，基因工程小鼠在研究肠道炎症中尤为重要。IL-10基因敲除小鼠C3H和BALB/c是已知的，比野生型C57BL／6小鼠易自发结肠炎。另外，C57BL / 6比BALB/c和C3H/HeJ小鼠更容易诱发Th2细胞介导的结肠炎，TCRα链缺陷的C57BL / 6小鼠比BALB/c和C3H/HeJ更容易诱发结肠炎。

此外，我们都知道用于诱导慢性肠道炎症的化学试剂会受到小鼠遗传背景的影响。例如，三硝基苯磺酸（TNBS）、化学试剂用于刺激小鼠的CD样症状，很大程度取决于遗传背景；SJL / J，C3HeJ和BALB/c小鼠用TNBS造模，可建立小鼠CD肠病变，而C57BL／6小鼠相同的条件下保持相对不受影响。同样，瑞士韦伯斯特和C3H/HeJ葡聚糖硫酸钠（DSS）给药后小鼠发展UC样病变，但C57BL／6小鼠DSS处理后显示较少的组织损伤。

当选择用小鼠来研究肠道损伤时，小鼠和人类微生物组、免疫反应以及单胃的解剖结构之间的相似性也是重要的考虑因素。小鼠和人在许多肠道特异性基因上有高相似性，且小鼠基因组和人基因组学比较研究得出人类和老鼠的基因90%是共享的，大约80%的基因同源。此外，人类和小鼠肠群落在厚壁菌、拟杆菌、变形菌门表现出相同的物种多样性，而且小鼠胃肠道在解剖上和功能上也与人类相似。更重要的是，小鼠同人有许多类似适应性免疫反应的功能，如B细胞，T细胞与同种抗体。

当然，用小鼠和其他啮齿类动物模型研究人类肠道炎症也有一些明显的缺点，主要表现在有IBD肠道病变的人同小鼠暴露于化学药物观察到的肠损伤表型不同。例如，用化学剂DSS诱导小鼠的肠上皮可模仿黏膜损伤，但病变的严重程度同人类不一样。

大鼠: 大鼠也经常被作为一种动物模型来研究肠道损伤和疾病，许多用于小鼠模型中刺激急性炎症的化学物质在大鼠模型中也很有用。有趣的是，现在广泛用于其他生物，如小鼠和斑马鱼的TNBS模型，最初是从大鼠开始的，而其他化学刺激物如DSS也能诱导大鼠出现结肠损伤。一个最常用的转基因大鼠模型是HLA-B27结肠炎转基因模型，能够自发地表现出胃肠道炎症，包括胃十二指肠炎、结肠炎、关节炎以及脊椎炎。而大鼠急性炎症模型的建立可以通过生物刺激物空肠弯曲菌来建立，表明化学和生物制剂都可以诱导形成大鼠结肠炎动物模型。

大鼠经常被用于营养研究，如富含纤维的饮食对肠道微生物群落结构的影响。在大鼠饲养试验中能观察到的群落结构的变化，且观察结果与猪的类似。这表明，在大鼠肠内营养的研究可以同其他非啮齿类单胃动物模型相比较。因此，大鼠可以作为一个模型来检查与肠道炎症或瘤相关的结肠变化，而实验证明APC基因突变的大鼠模型比小鼠更适合用于人大肠癌的病理生理学的研究。

相比较小鼠而言，大鼠的另一个优势是他们相对较大的身体尺寸和较大的肠道。不仅可以更好地进行化学刺激，还能诱导更明显的肠道损伤。相比小鼠，较大的大鼠模型使操作更简单，也能收集到更多的组织和更多的数据。

斑马鱼: 斑马鱼（Danio rerio）是已使用多年的人体肠道模型，虽然这是一个非哺乳类脊椎动物模型，但它是一个高度灵活的模型，给研究者提供了研究先天免疫和适应性免疫反应的选择。斑马鱼被许多人认为是优秀的无脊椎动物模型，因为他们有极强的透明性，能表现出明显的病理变化。

斑马鱼肠道具有同哺乳动物相似的细胞类型，如肠吸收，内分泌细胞和杯状细胞，具有微绒毛功能的刷状缘，和不断脱落到管腔上皮细胞。斑马鱼没有一个定义上的胃，因此它作为一种营养模型是有限的，因为大多数蛋白质和脂肪的吸收发生较低等的肠道，而不是在小肠。

尽管有这个限制，斑马鱼模型在肠道运动和蠕动研究和肠道神经元的损失研究上却十分有用，斑马鱼模型已经被很好地用来研究宿主-微生物相互作用和细菌引起的免疫反应。一个无菌斑马鱼模型的建立可增强斑马鱼对微生物的研究能力，研究人员已用无菌鱼来了解和比较了微生物群落的丰度。

斑马鱼的免疫反应发展成熟需约3周，使用3周龄内或更小的斑马鱼能免除先天的免疫反应的干扰。斑马鱼具有先天免疫和适应性免疫反应的功能，它们与更大的动物模型结合可以很好地阐明肠道菌群在肠道疾病中的作用。附加的优点是，斑马鱼的肠道在结构上同人肠道结构有同源性，使用直接实时成像技术，实时观察感染过程中的上皮细胞，显著增加了该模型的有效性。

猪: 猪是研究参与急性和慢性肠道损伤和炎症反应机制的一个极好的哺乳动物模型，因为小肠的解剖结构和功能同人类的肠道类似。猪胃肠道的解剖结构，特别是胃和小肠，是类似于人类胃肠的结构，不同的只有猪结肠的螺旋方向和缺乏阑尾这两点。尽管如此，主要的肠道功能，如营养和水的吸收和微生物发酵仍然可与人类的肠道媲美。此外，猪肠道消化酶，分泌蛋白和微生物也同人类似，方便了微生物群落、饮食和肠道健康之间关系的检查。

猪模型也被广泛用于在猪的肠道通过粪便移植程序复制人类微生物组。一些研究还考察了在人类微生物组常见的益生菌菌株对仔猪预植入，结论这些菌株对病原菌随后感染起保护作用。许多免疫细胞及先天免疫和适应性免疫系统的过程，即人的粘膜和肠上皮内B和T淋巴细胞和固有免疫（即脂多糖和核酸）吞噬细胞对活化剂的识别，也同人类肠道免疫类似。

非人灵长类: 非人类的灵长类动物（NHPs）被认为是最好的动物模型来研究参与急性和慢性炎症的机制，有无可辩驳的相似人体肠道生理功能，免疫和肠道微生物。猴、绒猴是最常见的用于研究肠道疾病的发病机制和治疗动物。

猴在长时间密闭囚禁后经常诱发自发性结肠炎和结肠癌，例如，Gozalo等人表明，绒猴平均100个月会发展成结肠炎，在确诊之前3-6个月最初表现为慢性腹泻。其他的研究表明，绒猴可以在2岁左右自发发展慢性结肠炎。虽然许多涉及自发结肠炎的发展的细胞机制仍不清楚，但是Ramesh等人研究表现出持久性腹泻的症状猕猴肠道相关淋巴组织（GALT）细胞因子的产量。小肠结肠炎绒猴在肠道和非肠道淋巴组织有较高的TNF-α和IL-1α，观察发现与人类患者的坏死性小肠结肠炎一致。

非人类灵长类动物也被用来研究微生物对肠道炎症发展的影响，并已证明，肠道细菌可以影响疾病的发病。重要的是，非人灵长类动物，斑马鱼和人类的微生物组都具有一个共性，其失衡会导致肠道疾病。不仅细菌群落的种群数量可以维持肠道动态平衡，肠道古菌物种也有助于维持良好的微生物组。调查已经发现了产甲烷古菌的种类和硫酸盐还原菌（SRB）集体共同产生影响健康和功能的代谢副产物。

此外，猕猴属已被用来检测空肠弯曲菌感染的病理生理机制。结果表明，中性粒细胞和淋巴细胞浸润在粘膜中，伴随着血腥的粪便和水性腹泻。同人类弯曲杆菌引起的急性结肠炎观察组织的变化。最后，猕猴种群也表明，幽门螺杆菌属感染引起特异性结肠炎。而猕猴的志贺菌感染与黏膜侵袭相关，标志为显著电解质转运失衡，类似人细菌性痢疾。肠道环境是在不断变化的状态，处于一个免疫静止或激活状态，它已经很清楚，这些状态的改变可以影响大脑功能和机体的心理健康。因此，研究人员现在使用动物模型来研究肠道对心理健康的影响。

NHPs的使用似乎是最有代表性的动物模型，然而这种模型有相当大的缺点。最值得注意的是，与人类密切相关的高度智能动物的使用伦理是有争议的，在涉及动物研究的科学团体和公众之间产生尖锐的讨论。许多人也相信NHPs如濒临绝种的非洲大猿物种应被禁止用于科学研究。NHPs也需要具有专门的、昂贵的安全基础动物房设施，以及丰富环境的复杂的设备。

此外，NHPs的若干物种是比较大型（大猩猩，黑猩猩和猩猩）和可能棘手及危险的动物，需要经过培训的动物护理人员和兽医来进行饲养和和疾病控制。此外，NHPs可能携带人畜共患病原体，有高致病性和容易转移到人。其中最著名的，潜在致命的病原体是猴B病毒。虽然对猴子是相对无害的，通过咬伤或抓伤，接触病毒分泌物可导致人致命的病毒性脑脊髓炎。

伦理，生物安全，生物安全的思考：动物的使用是允许的，只有当研究承诺有助于了解基本的生物原理，或知识的发展，可以合理地预期并有利于人类或非人类的动物。只有当非动物替代物不存在时，才选择实验动物。在炎症的研究中，研究必须涉及使用动物模型（即模仿宿主病原微生物复杂的相互作用）。炎症的标志是疼痛，因此疼痛或痛苦是伴随炎症研究的。由于疼痛必须将强度和持续时间最小化，没有强有力的理由，分类为入侵E类的研究将不会被批准。定量的疼痛评估应用程序是强制性的，观察到任何动物出现极度无情的疼痛或不适，必须人道终止。炎症通常涉及肠炎生物刺激物的使用（如病原体），研究也必须满足所有必要的生物安全标准，确保安全。

选择合适的动物模型： 确定最佳的动物模型来研究肠道炎症是一个重要的考虑因素，需要一个透彻的了解每个模型的优点和缺点，因为有许多因素要考虑。动物模型具有同人可比性的肠道解剖（单胃和反刍动物），功能和微生物是检查肠道炎症最好的模型；猪，鼠，斑马鱼，同人具有许多共同特征。生物技术和分析工具的可用性是研究肠道功能和炎症的必要因素，也是选择一个合适的动物模型的重要考虑因素。

选择好适合的动物模型后，选择最有效的化学物质和生物制剂，诱导肠道炎症也必须仔细考虑。

在炎症动物模型中，化学物质经常被用来作为快速、经济和有效的策略来诱导肠组织损伤。结肠炎动物模型使用DSS或频繁三硝基苯磺酸（TNBS）引发炎症。乙酸，恶唑酮，和氧化偶氮甲烷（AOM）也被使用，但比DSS和TNBS使用范围小。化学制剂使用后诱导组织损伤的有效性不同，取决于分子量，浓度，制造商，和批次的化学物质。

此外，物种、性别，动物模型的遗传背景也影响组织损伤程度。使用方法也影响疾病的诱导和严重程度，一些化学物质摄入后，可以很好的诱导炎症。当直接用于感染部位时，其功能最好，如直肠给药。此外，肠道内的微生物与化学刺激相互作用干扰诱导其组织损伤能力。一般来说，化学刺激物诱导组织损伤能有效代表肠道炎症的临床症状。

葡聚糖硫酸钠（DSS）：葡聚糖硫酸钠既可以单独使用或与其他化学物质一起使用，以诱导炎症。通过调整DSS的使用浓度和持续时间的决策支持治疗，可以研究急性和慢性炎症的机制。例如，小鼠慢性炎症可以通过使用DSS实现，在两个月内，使用1周DSS，休息2周，循环进行。与之相反，口服浓度为1，5%的DSS约为1周，在肠道内引起急性炎症。总的来说，DSS诱导炎症通过破坏上皮屏障，将固有层暴露于管腔内容物和细菌抗原引起血管和粘膜损伤。这种曝光触发炎症通路的活化导致炎性细胞因子的产量增加、TNF-α，IL-1β，IL-6，IL-10，IL-12和IFN-γ，研究还表明，使用DSS后，能增加整合素-α M (ITGAM), 整合素-α X (ITGAX)和 IL-17的表达。长期使用DSS能增加IL-4和IL-5的表达，表明DSS诱导的结肠炎是由Th1和Th2免疫机制介导的。此外，参与先天免疫的因素也受DSS的影响。

使用DSS后，能改变MyD88, TLR4 和 TLR9的表达，对先天免疫也有轻微的影响，这有助于上皮细胞的损伤和随后的肠道炎症。多因素影响DSS在不同动物模型中诱导炎症反应的倾向。结肠内的细菌种群是调节由DSS引起的组织反应的严重程度的一个关键因素。观察到DSS处理过的无菌小鼠，使用1%DSS能发展严重的结肠炎。使用DSS后诱导肠道炎症的能力也受到动物物种的遗传背景影响。例如，C3H/HeJ小鼠对DSS敏感，而C57BL／6小鼠比较耐受。例如，同C57BL／6小鼠相比，C3H/HeJ小鼠使用DSS后较多发生血性腹泻，上皮溃疡，炎症，和体重减轻。除了小鼠外，猪已被用于检查DSS引起的肠道炎症。Young et al.观察猪使用DSS后TNF-α，IL-6，IFN-γ，IL-17A的表达增加，，类似于临床患者患IBD特征。猪的其他研究报告使用DSS后增加淋巴细胞浸润在粘膜组织，以及粘膜糜烂和隐窝破坏。而这些组织变化是类似于患有IBD的人肠道病变。

氧化偶氮甲烷（AOM）：炎症的严重程度可以通过施用炎症化学刺激物与另一种炎症的化学诱导剂组合方法来加强。AOM 和DSS组合长期给药诱导肠道慢性炎症，常发展为CRC。值得注意的是，通过AOM与DSS诱导的肠道病变与UC患者肠道的变化一致。这两种化学物质联合使用改变小鼠组织的细胞因子导致IL-4和IFN-γ表达增加，类似UC患者中的表达。此外，与DSS与 AOM使用对加强DSS诱导大肠癌的发展是必要的。偶尔可见于患有UC的患者。因此，这两种化学物质的联合使用调查肠道炎症性疾病以及结直肠肿瘤的病理生理学是理想的。

三硝基苯磺酸（TNBS）：三硝基苯磺酸主要用于建立急性肠道炎症动物模型，但也可以用来诱导啮齿类动物、猪、兔、鼠和非人灵长类的慢性炎症。TNBS需要溶解在乙醇中成为活性化学物，而这TNBS乙醇混合物诱导肠道炎症通过半抗原与TNBS共价键结合改变宿主蛋白。这一过程刺激免疫介导的炎症反应。TNBS乙醇混合物产生自身抗原修饰的半抗原，由宿主免疫系统识别并导致急性肠道炎症。此外，乙醇也作为一种刺激物，导致上皮屏障的损害。乙醇处理的TNBS能产生肠道病变，代表患有IBD的人类肠病变。它也被证明，40-50%乙醇溶解的TNBS直肠给药导致结肠缩短，肠出血，上皮坏死致隐窝破坏，结肠内Th1型免疫应答升高导致透壁性炎症发生。

三硝基苯磺酸既可以被用来作为急性炎症刺激又可以用来作为慢性炎症刺激。在小鼠急性炎症，原发免疫反应，伴随炎性Th1反应，增加IL-12，IFN-γ和TNF-α的表达。虽然肠道炎症采用TNBS作为化学刺激物已经在啮齿类动物，猪，猴子建立模型。有证据表明，小鼠是研究TNBS乙醇诱导结肠炎的最佳模型。当用TNBS诱导组织损伤选择最合适的小鼠时，小鼠的遗传背景表型都是要考虑的重要因素。作为例子，C57BL / 6和DBA / 2株对TNBS耐受，而SJL/J，C3Hej和BALB/c小鼠暴露TNBS后产生明显的组织损伤。

恶唑酮：恶唑酮是一种替代化学剂，可用来在宿主肠道产生半抗原蛋白引起急性肠道炎症。它的使用导致Th2免疫反应介导的肠道损伤。组织病变表现在暴露后小鼠恶唑酮类似UC病变的人一样，大多数病变引起黏膜溃疡，黏膜下水肿和组织出血。小鼠使用恶唑酮后导致体重减轻，腹泻，溃疡，大肠上皮细胞损伤。其他化学剂比较使用恶唑酮的优势是通过组织结构改变诱导织损伤。事实上，恶唑酮产生相对快速组织损伤使小鼠成为研究UC样病的一个理想候选人。类似 TNBS和DSS使用，小鼠型的选用会影响应恶唑酮处理后的效果。作为一个实例，用相同剂量恶唑酮处理BALB／C和 c57bl / 6小鼠，显示增加了BALB／C组织损伤。恶唑酮是急性炎症的一种有效的诱导剂，其有效性诱导慢性炎症仍然是不确定的。

作为化学刺激物的替代品，生物刺激物也被用来研究常见的肠道炎症性疾病。生物刺激物可以是细菌、病毒、原虫、或蠕虫，可引起急性和慢性炎症。我们回顾在动物模型中最常用诱导肠道炎症的生物制剂。

细菌：宿主肠道中含有丰富的菌群共计1013-1014种细菌，物种通常包括拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌、螺旋菌、变形菌门。宿主和肠道微生物之间相互作用处于稳态，细菌物种丰度的变化可能会导致肠道炎症。调查发现，共生细菌对防止病原菌的过度生长维持肠道健康有重要作用，帮助调节和维持一个静态的肠道免疫系统。一种共生细菌失控的免疫反应可以导致肠道损伤。通过增加曝光益生菌能增加异常的免疫反应。肠道微生物群落结构的改变可以引起疾病。急性炎症研究的一个良好的特征模型包括在小鼠盲肠和大肠部位安装和定植细菌。

蠕虫：寄生虫（如吸虫、绦虫、蛔虫）能引起广泛肠道炎症和损伤，主要是用来研究Th2细胞介导的肠炎症。寄生虫主要诱导Th2（IL-4、IL-5、IL-13表达）和调节性T细胞因子（IL-10、TGF-β）与嗜酸性粒细胞相关的炎症组织联合。线虫（如蛔虫）是最常用的研究肠道疾病蠕虫模型，和鼠鞭虫是最经常使用的线虫能引起啮齿类动物的肠道炎症。T.muris小鼠模型诱导的急性免疫反应特点是盲肠和近端结肠屏障功能丧失。小鼠模型中如C57BL／6和BALB/c小鼠，感染导致Th2细胞分泌IL-4、IL-5和IL-13上调，增加上皮细胞更新和渗透。有趣的是，寄生虫主要在小鼠小肠产生Th2免疫反应。

原生动物：刚地弓形虫也被用于在小鼠模型，以诱导肠道炎症。弓形虫易感小鼠能够在小肠内产生一个强大的Th1细胞相关的炎症反应。这种微生物有三种病原菌，其中2株是对人有致病性的，并且是能够引起强烈的Th1型细胞因子反应，从而增加IL-12和IFN-γ的表达。研究已经表明，弓形虫感染可诱导IL-22的产生，活化Th17细胞相关效应因子。

http://link.springer.com/article/10.1186/s13099-015-0076-y