高尿酸血症模型动物的研究进展

Recent progress in the research of model animals with hyperuricemia

摘要

高尿酸血症动物模型是研究痛风及相关疾病的基础.在以前的基础上重点介绍了尿酸酶缺失大小鼠并总结了该类动物作为高尿酸血症模型动物优劣势.由于尿酸酶缺失动物，特别是尿酸酶缺失大鼠的尿酸代谢与人类相似性高，可以避免造模剂的干扰，是高尿酸血症和痛风实验研究的优选动物.未来若能完成其近交系培育工作，建立稳定、可重复的亚系，将能满足不同研究方向的需求，有望在痛风及相关代谢性疾病的机制研究、药物筛选及新防治策略开发中发挥更重要的作用.

Abstract

Animals with hyperuricemia are the foundation for the study of gout and related diseases. This article, based on recent researche, summarized the advantages and disadvantages of these animals as models for hyperuricemia study, focusing on uricase - deficient mice and rats. Due to the high similarity between uric acid metabolism in uricase - deficient animals (especially rats) and in humans, and the avoidance of interference from modeling agents, uricase - deficient animals are preferred animals for experimental research on hyperuricemia and gout. Uricase - deficient animals with different levels of serum uric acid will meet the needs of different research requirements if inbreed sublines are successfully established. Uricase - deficient animals is expected to play a more important role in the mechanism research, drug screening and new prevention and treatment strategies development of gout and related metabolic disorders.

Graphical abstract

关键词

高尿酸血症 / 动物模型 / Kunming - DY大鼠 / 尿酸酶缺失

Key words

hyperuricemia / animal model / Kunming - DY rats / uricase deficiency

高尿酸血症已经日益普遍，男性多见，并具有典型的年轻化趋势^［1-3］，也变成了健康体检的必检项目.不论男女和年龄，在正常嘌呤饮食下，非同日2次空腹血尿酸超过70 μg/mL（416 μmol/L）（依据尿酸在37 ℃水中的溶解度）即可诊断为高尿酸血症.由于高尿酸血症的多发性，且与高血压、高血脂、糖尿病等疾病高度关联^［4-7］，该领域的实验研究已成为热点.考虑到动物模型（疾病模型）是实验研究的基础，本文在以前综述^［8］的基础上进一步对高尿酸血症动物模型进行综述，为基础研究提供参考.

1 动物模型与临床的匹配度

动物模型（或模型动物）是研究人类疾病的基础.合理的动物模型有利于从深层次认识疾病，并为临床疾病防治（包括药物研发）提供可靠的实验依据.根据动物模型和临床疾病的关联度大致可以分为以下3类： （1） 症状模型，即动物模型只与临床疾病的症状相似，比如用葡聚糖硫酸钠造成结肠损伤模拟溃疡性结肠炎或克罗恩病^［9-10］； （2） 不完全的病因模型，即模型的症状与临床相似，病因和发病机制与临床疾病尚不完全相同，比如用冠脉结扎的方式制造缺血性心肌病^［11］； （3） 完全的病因模型，即症状、病因以及发病机制与临床高度相似，目前这类模型较少，亟待研制.

显然，上述第三类模型与临床疾病几乎只存在种属差异.由于大鼠和小鼠与人类基因的总体相似度为85%，可以认为其研究结论与临床的总体一致性可高达85%，而在第一、二类模型上得出的结论可能会远低于85%.因此，考虑到经济性和基因相似度，基于大小鼠的第三类动物模型应是临床疾病研究的优选模型.

2 哺乳动物的血尿酸水平

人属于杂食类动物，且不表达尿酸酶（人类尿酸酶基因为假基因），因此尿酸是人类嘌呤代谢的终产物.在已知的哺乳动物中，只有人类、猿类^［12］、海牛^［13］、大象^［13］等体型较大的动物天然缺失尿酸酶.与其他动物不同的，人类的血尿酸水平（男性40 ~ 70 μg/mL，女性30 ~ 50 μg/mL平均约55 μg/mL）仍远高于其他动物.根据已有的生化数据检测经验可知，血清钾、钠、氯、钙、镁、葡萄糖等指标在正常哺乳动物之间的差异是较小的，但较高的血尿酸水平几乎是人类的特有现象（表1）.

在尿酸酶天然缺失动物如海牛、大象和大猿，由于基础血尿酸水平较低，几乎不会自发高尿酸血症.因此，尿酸酶的缺乏和较高的基础血尿酸水平是人类易发高尿酸血症前提，而高尿酸血症又是发生痛风等疾病的前提.

3 目前高尿酸血症的模型分类

由于大小鼠属于哺乳动物，杂食，与人的基因相似度高，且易繁殖，饲养成熟，综合管理成本较低，大小鼠一直是人类疾病实验室研究的优选动物.目前的大小鼠高尿酸血症动物模型可分为化学药物（食物）造模和基因动物模型两大类.

3.1 化学药物（食物）造模法

单纯的化学药物造模就是采用野生型动物，通过喂食高嘌呤食物或药物，尿酸酶抑制剂（如氧嗪酸钾）或尿酸排泄抑制剂（如乙氨丁醇），即增加尿酸来源、减少尿酸降解和排泄来实现^［15］.这种模型可以有限升高血尿酸水平，一般只能升高到50 μg/mL左右，很难达到临床高尿酸血症标准.如果要进一步升高血尿酸往往会导致严重疾病（肾损伤）甚至动物死亡.由于野生型动物表达尿酸酶，且该酶还存在诱导现象^［16］，这样的“高尿酸血症”动物模型即使存在血尿酸升高，其“高尿酸”水平也很难长时间维持.

值得注意的是，在以上造模方法中，增加摄入的嘌呤大多选用腺嘌呤，而非黄嘌呤.根据尿酸的合成途径，黄嘌呤一步反应即可生成尿酸，而腺嘌呤至少需要3步（先脱氨生成次黄嘌呤，继而生成黄嘌呤，图1），这似乎提示黄嘌呤应该才是造模的优选造模剂.实际上，黄嘌呤很难在野生型大小鼠造成高尿酸血症.这说明部分药物（食物）造模的方法存在一定的疑问.

如果采用腺嘌呤造模，150 mg/kg灌胃大鼠3 d即可出现多尿现象，肾脏表面会出现白点（该白点曾被误认为是尿酸结晶沉淀）^［17］.如果采用黄嘌呤造模，即使剂量过大导致大鼠死亡，肾脏表面几乎不会看到白点.这说明肾脏表面的白点不是尿酸沉淀，事实上腺嘌呤造模出现的肾脏表面白点是二羟基腺嘌呤沉淀^［18］.由于二羟基腺嘌呤比尿酸还难溶于水，极易沉积在肾小球导致肾脏损伤.基于此，可以认为腺嘌呤造模导致的尿酸升高很可能是肾损伤的继发作用.因为尿酸的肾脏沉积一般发生在肾小管，很少发生在肾小球^［19］.

对于药物造模，常用造模剂氧嗪酸钾^［20］和乙氨丁醇（抗结核病药）等药物本身还有其他药理作用和肝肾毒性.显然，这样的模型与临床高尿酸血症发病原理仍存在一定差异（大体属于上述第二类模型），甚至可以认为属于一种药物或食物“中毒”模型.

3.2 基因动物模型

基因动物则可分为尿酸酶缺失和敲除某些尿酸排泄转运体（如ABCG2^［21］、SLC2A9^［22］、SCLC2A12^［23］）升高尿酸的动物模型.

一般而言，尿酸转运体的敲除或敲入（即使能升高血尿酸）不能作为常规高尿酸血症模型动物.考虑到与人类的相似性，尿酸酶基因敲除动物才是优选动物，因为尿酸酶缺失后，其嘌呤代谢就与人类具有高度的相似性.

尿酸酶缺失动物的研制最早可追溯到上世纪90年代^［24］，敲除技术也依次经历了同源重组、TALEN和CRISP/Cas9等技术.敲除的动物有基于近交系动物（C57BL/6J小鼠）^［25］的，也有基于封闭群动物（SD大鼠^［26-27］和Wistar大鼠^［28］）.最早采用同源重组技术获得的尿酸酶缺失小鼠（C57BL/6J）因极高的死亡率导致使用非常有限^［24］.根据报道，国内存在3种尿酸酶基因缺失动物（表2）.由于尿酸酶基因2 ~ 4号外显子编码的是尿酸酶关键结构域，这些动物都不约而同地选择敲除这段序列.

然而，对于目前的尿酸酶敲除小鼠来说^{［24， 29］}，其血尿酸因为过高（ > 100 μg/ml），伴有严重的肾损伤而导致一年生存率较低（ ~ 40%），且需要无菌饲养，存在一定的使用难度.由于这种小鼠模拟的是与高尿酸血症相关的疾病（如高尿酸性肾病），不大合适用于高尿酸血症的发病学和预防研究.

以野生型SD大鼠为背景，采用CRISPR/Cas9技术删除了尿酸酶2 ~ 4号外显子，经过反复交配获得了尿酸酶缺失大鼠，命名为Kunming - DY大鼠（KDY大鼠）^［26］.该大鼠成年（45日龄）时，肾、肝等器官只有轻微损伤^［30］，约90%以上的动物可以存活一年以上^［26］.这类模型动物基本符合上述第三类模型，与临床最为接近.

4 基于野生型大小鼠的药物（食物）性高尿酸血症模型的优缺点

在尿酸酶缺失大小鼠未研制出来之前，该类模型是研究高尿酸血症的主流模型.药物（食物）造模存在体内过程，如果拟研究的药物能干扰造模药物的体内过程，可能就会产生假阳性结果^［31-33］.

这种造模方式也很难达到高尿酸血症的诊断标准（70 μg/mL）.由于野生型大小鼠表达尿酸酶，且尿酸酶具有诱导表达的特性，长期造模导致血尿酸不稳定.因此，这种动物模型的血尿酸窗口较小，不容易发现干预因素对血尿酸的影响效果.

由于造模剂往往还具有别的作用，造模剂带来的其他影响如影响肝肾功能等也不容忽视.由于尿酸酶缺失大小鼠尚未完全普及，且成本较高，该类模型仍有一定的价值，但研究人员应充分认识其缺陷，对其研究结论应有所保留.

5 基于尿酸酶缺失大小的高尿酸血症模型的优缺点

5.1 尿酸酶缺失小鼠

目前已有的尿酸酶缺失小鼠以近交系小鼠C57BL/6J为背景.这种小鼠的优势是敲除Uox基因得到纯合子动物后即得到一种新的近交系动物.由于近交系动物没有基因多样性，敲除某个基因可能无法在基因多样性方面进行适应而导致重大缺陷.这可能也是基于近交系尿酸酶小鼠血尿酸居高不下的原因.由于血尿酸很高，这种动物适合用来研究高尿酸血症导致的病理状态，以及用来评价降尿酸效果.目前用该小鼠进行降尿酸研究已有较多报道.

由于血尿酸过高，不合适用来模拟人类高尿酸血症的发病过程.另外由于血尿酸过高，饲养成本较高，动物的生存率较低，用该动物进行高尿酸血症的长期观察可能并不合适.

5.2 以SD大鼠为背景的尿酸酶缺失大鼠（KDY大鼠）

与尿酸酶缺失小鼠不同，KDY大鼠的血尿酸水平多处在40 ~ 70 μg/ml之间^{［26， 30］}，只有少量动物会自发高尿酸血症.在正常饲养条件下，血尿酸水平相对稳定（130日龄内稳定，后期是否稳定尚需进一步研究）.由于敲除了尿酸酶，且血尿酸水平与成年男性一致，按体表面积折算，排出的尿酸总量与成年男性接近（表3）^{［30， 34］}.这说明该大鼠能较好地模拟人类的尿酸代谢.

除此之外，尿酸酶缺失大鼠有多食（相对）、多饮、多尿的特点，其中饮水量是同龄野生型大鼠1.5倍，而尿量则将近2倍.如果进行体表面积折算，该大鼠的尿量也是和人类是接近的（表3），说明KDY大鼠在尿酸和水代谢方面和人类具较好的同质性^［37］.特别地，与野生型大鼠相比，尿酸酶缺失大鼠存在血糖轻度升高，血脂也表现出一定差异^［26］.

目前KDY大鼠只有少量动物的血尿酸高于参考值，在进行降尿酸研究时需要将高尿酸血症大鼠筛选出来.如果研究高尿酸血症的发病过程，则可以选用临界血尿酸动物.如果想研究食物对血尿酸的升高作用则可以选用血尿酸正常的动物.

由于KDY大鼠尚未实现近交系，对于同一个体，血尿酸具有较好的稳定性，但在个体之间会存在较大差异.虽然KDY大鼠的血尿酸水平整体上高于野生型SD大鼠，模拟了人群的血尿酸分布，但在具体应用上还需通过近交系进行优化，最好能建立正常血尿酸、临界血尿酸和高尿酸血症三类近交系，以满足不同研究的需要.

5.3 以Wistar大鼠为背景的尿酸酶缺失大鼠

在KDY大鼠之后，有以Wistar大鼠为背景的尿酸酶缺失大鼠报道^［28］，其生物学特征与KDY大鼠有较多相似之处.由于后续报道较少，尚不清楚该大鼠在高尿酸血症方面的研究应用.

6 结语

动物模型是基础研究的基础，选用合适的动物模型有利于实现研究目标.综上所述，尿酸酶缺失大小鼠能较好地模拟人类的尿酸代谢，应该是高尿酸血症和痛风研究的优选模型动物.由于尿酸酶缺失大鼠体型较大，可以取得更多的血样和生物样品，更有利于后期多个指标检测.尿酸酶缺失动物已在探究高尿酸血症与代谢综合征、肾脏疾病等多系统关联机制方面具有广阔的应用前景.未来应加强尿酸酶缺失大鼠的近交系培育工作，建立多种亚系，以满足不同研究的需要.

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基金资助

国家自然科学基金(82260886)

云南省中医药联合专项重点项目(202101AZ070001-010)