2 型糖尿病及其微血管并发症动物模型生化指标特征分析

代浩然,王跃,王旭,朴成玉,刘静,吴修红

(黑龙江中医药大学药学院,哈尔滨 150040)

2 型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)是一种代谢性疾病,患病率逐年攀升,已达到流行病的程度,预计到2045 年全球糖尿病患者将达到约7.83 亿[1-3]。 长期高血糖状态通过中断许多生理代谢途径而影响微血管系统,最终导致糖尿病肾病(diabetic nephropathy,DN)、糖尿病足(diabetic foot,DF)、 糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)[4]。 由于T2DM 及其微血管并发症的发病人群呈现年轻化趋势,使得防治该疾病已然成为亟需攻破的重要难题。

生化指标能客观反映动物机体生理病理变化与代谢状况,一定程度上能反映疾病的严重程度[5-6]。 因此通过检测生化指标确定患病趋势,可达到及时用药干预治疗的目的。 近年来,研究者对T2DM 及其微血管并发症开展了大量研究工作,除临床研究外,动物实验多选用大鼠或小鼠作为模型,本研究收集了大量已发表的与T2DM 及其微血管并发症相关文献,对其所选用的生化指标进行综述,以期为应用该类模型开展研究提供参考。

1 资料与方法

1.1 检索策略

在中国知网、PubMed 数据库检索从2019 年10月31 日~ 2022 年10 月31 日发表的临床与动物实验中有关T2DM 及微血管并发症的期刊文献,中文检索词包括“2 型糖尿病”“糖尿病肾病”“糖尿病足”“糖尿病视网膜病变”等;英文检索词包括“type 2 diabetes mellitus”“diabetic nephropathy”“diabetic foot”“diabetic retinopathy”等,采用主题词和自由词结合的检索方式。

1.2 文献筛选标准

选择已公开发表的使用临床患者以及使用大鼠和小鼠作为动物模型进行T2DM 及微血管并发症研究的实验性期刊文献,剔除动物模型不明及合并其他大血管及心血管并发症的文献,仅选用模型条件完备且可获得全文的期刊文献。

1.3 统计学分析

应用Excel 2019 软件,将纳入的文献中的受试对象、疾病种类、检测指标等信息汇总整理成T2DM及其微血管并发症生化指标数据库,使用Excel 进一步进行频次分析及表格的制作,并使用GraphPad Prism 8.0.2 软件进行统计图的绘制。

2 结果

2.1 检索结果

本研究共检索到相关文献1886 篇,依据纳入和排除标准,最终纳入510 篇(T2DM 共167 篇,DN 共187 篇,DF 共54 篇,DR 共102 篇),见图1。

图1 T2DM 及其微血管并发症相关文献分布情况Note. A. Different experimental groups. B. Different disease types.Figure 1 Distribution of literature on T2DM and its microvascular complications

2.2 生化指标统计分析

2.2.1 2 型糖尿病

T2DM 是一种由于胰岛细胞分泌胰岛素减少或者因胰岛素抵抗而引起的复杂的代谢紊乱的疾病。临床和动物实验中通过检测生化指标而对健康状况进行评估,经统计分析发现应用较多的生化指标有空腹血糖(fasting plasma glucose,FPG)、甘油三酯(triglyceride,TG)、总胆固醇(total cholesterol,TC)等,而对于餐后2 h 血糖(2 h postprandial blood sugar,2 h PG)及糖化血红蛋白(hemoglobin A1c,HbA1c)的检测,动物实验明显少于临床实验。 FPG能反映胰岛β 细胞的功能,一般用来表示基础胰岛素的分泌功能,是T2DM 最常用的检测指标。 研究发现FPG 在临床检查中漏诊率较高且2 h PG 容易受饮食、运动等因素的干扰,影响诊断效能,因此必须联合HbA1c 进行诊断[7]。 对于动物实验而言已知应用某种方式对其动物胰岛β 细胞进行破坏,因此FPG 值能较准确的反映机体的情况,与2 h PG及HbA1c 联合检测较少。 付平等[8]研究表明血脂异常可引发胰岛素抵抗,而胰岛素抵抗又反过来加重了脂代谢紊乱,进而促使T2DM 的发生,同时研究发现血脂参数(TC、TG 等)具有反映T2DM 患病风险的能力。 相比于临床实验,动物实验生化指标的选用略显匮乏,除以往实验中都采用的生化指标外,动物实验多选择体重、摄食量和饮水量作为考察指标。 T2DM 实验中各生化指标选用频率,见图2。

图2 T2DM 实验生化指标应用情况Note. Clinic. 64 articles. Rat. 76 articles. Mouse. 27 articles.Figure 2 Application of experimental biochemical indicators of T2DM

实验中不论是临床患者还是动物模型,T2DM组FPG 值均大于正常对照组。 在动物实验中,为保证模型的稳定性,会把成模标准拉高,汪峰等[9]研究发现,当FPG ≥16.70 mmol/L 时,模型较为稳定,可以良好的开展实验,因此动物实验中模型组FPG 普遍高于临床患者,见表1。

表1 T2DM 高频应用生化指标变化范围Table 1 Variation range of biochemical indices of T2DM high-frequency application

2.2.2 糖尿病肾病(DN)

DN 是一种危害性极大的DM 慢性微血管并发症,且DN 患者的全因死亡率比无肾病的DM 患者高约30 倍,且在中国的流行率逐渐上升[21-23]。 DM患者肾在长期的DM 状态下发生病理结构的改变,包括肾小球细胞外基质增生、系膜扩张、基底膜增厚等,进而发展为肾小球硬化和肾小管间质纤维化,最终发展为终末期肾病[24]。

在DN 患者发病的早期阶段,缺乏特异性的临床表现,在影像学中往往无法显示出,容易被忽视,而实验室指标是对DN 开展早期诊断的重要手段,其中尿蛋白是评定DN 的重要指标[25]。 随着DN 病程的进展,肾小球滤过率明显下降,同时尿蛋白排泄量从正常(30 mg/24 h)逐渐到微量尿蛋白(30 ~300 mg/24 h)最终到大量尿蛋白(300 mg/24 h)。多项研究表明尿蛋白与DN 的发生发展密切相关,是DN 的危险标记物[26]。 经过统计分析发现临床实验和动物实验中的生化指标中尿蛋白最为常用,如尿微量白蛋白(urine microalbumin,UmAlb)、24 h尿蛋白(24 h urine protein,24 hUP)、尿白蛋白肌酐比值(urine protein creatinine ratio,UACR) 等,见图3。

图3 DN 实验生化指标应用情况Note. Clinic. 79 articles. Rat. 82 articles. Mouse. 26 articles.Figure 3 Application of experimental biochemical indicators of DN

人体尿蛋白水平不论是正常值还是患病值均高于动物模型,这可能与足细胞蛋白在机体内分布数量有关。 肾小球滤过膜从内到外分别为肾小球内皮细胞、基底膜、足细胞,其中足细胞是肾小球滤过的最后屏障和最主要屏障。 肾小球足细胞的裂隙隔膜损伤可导致蛋白等大分子物质透过滤过膜,促进蛋白尿的形成,而足细胞蛋白足突蛋白(podocin)和肾病蛋白(nephrin)是裂隙隔膜的重要组成因子。 足突蛋白的降低和肾病蛋白表达的减少都会引起足细胞功能失衡,并在实验中得出人体足细胞蛋白的分子量远高于动物模型,因此推测足细胞蛋白数量可影响蛋白尿的水平[27-29]。

2.2.3 糖尿病足(DF)

DF 是糖尿病常见且严重的慢性并发症,治疗预后不佳,严重的DF 患者需通过截肢手术,来防止疾病的扩散[30]。 随着对DF 的不断深入研究,通过生化指标变化,可以用来评估DF 患者病情情况。

经统计分析发现在临床和动物实验应用的生化指标有FPG、TC、TG、C 反应蛋白(C-reactive protein,CRP)等。 因DF 通常并发有不同程度的感染,导致炎症反应的发生,CRP 含量也随之升高。有研究表明通过检测CRP 水平,将会对DF 未来的风险预测及疗效评价起到积极的作用[31]。 肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)是由体内单核巨噬细胞分泌的炎症因子,当足细胞感染时,单核细胞被激活,TNF-α 的含量有所增加,从而导致血管内皮细胞的破坏, 使足细胞病情加重。Dominguez 等[32]研究发现,通过使用TNF-α 抑制剂治疗T2DM 患者,可使其血管并发症和胰岛素抵抗得到逆转。 白介素-6(interleukin-6,IL-6)不仅有免疫调节的作用,还可以促炎,影响组织修复,使炎症损伤加重,进而促进DF 的进展[33]。 白介素-1(interleukin-1,IL-1)是典型的炎症因子,在DF 中恶性循环。 高血糖环境下可产生大量IL-1,进而诱导胰岛β 细胞凋亡导致高血糖,从而使DF 伤口难以愈合[34]。 血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)能导致血管内皮细胞的增殖,以及新生血管的形成。 VEGF 含量与血一氧化氮(nitric oxide,NO)含量相关联:VEGF 可刺激内皮细胞产生NO,使其浓度程剂量依赖性增加,起到血管维持作用,见图4。

图4 DF 实验生化指标应用情况Note. Clinic. 31 articles. Rat. 18 articles. Mouse. 5 articles.Figure 4 Application of experimental biochemical indicators of DF

2.2.4 糖尿病视网膜病变(DR)

DR 是一种常见的糖尿病微血管并发症,是导致患者视网膜出现慢性损伤,最终导致患者出现视力模糊,甚至失明。 临床实验常用最佳矫正视力为考察标准,视力至少提高2 行,即为显效[35]。 除了基本的血糖和一些炎症因子外,动物实验与临床实验应用的生化指标相差较大,因此对实验中应用的高频率生化指标进行详细统计,见图5。

图5 DR 实验生化指标应用情况Note. Clinic. 43 articles. Rat. 44 articles. Mouse. 15 articles.Figure 5 Application of experimental biochemical indicators of DR

VEGF 是最有效的促血管生长因子,在高血糖状态下可改变视网膜微环境,导致缺氧引起内皮细胞功能异常,从而使VEGF 的表达增加。 据报道VEGF 的增加可诱导视网膜内皮通透性和增殖,进而导致视网膜血管生成[36]。 Zhang 等[37]研究发现通过抑制VEGF 的表达,可阻止血管的生成,改善DR。 IL-6 可促进内皮细胞通透性增加,与VEGF 等产生协同作用,或导致新生血管形成及微导管闭塞,使DR 进展加快[38]。 TNF-α 可引起VEGF 水平的提高,使视网膜通透性有所增加,同时诱发新生血管。 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)是维护内皮细胞和血管功能的关键酶,也是主要的自由基清除剂,在胰岛的细胞内高度集中,维持β细胞在体内的平衡[39]。 丙二醛(malondialdehyde,MDA)是膜脂过氧化的一种重要产物,可以使视网膜细胞通透性和流通性改变,最终导致其结构的改变。 有研究发现经中药治疗后糖尿病大鼠静脉血清中SOD、MDA 值均有显著性改变[40]。 细胞间粘附因子-1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)可参与炎症,促进黏连,从而破坏血管壁[41]。

3 总结与展望

通过总结发现,T2DM 及其微血管并发症实验中血糖指标应用率最高。 各并发症也有其特有的高频应用生化指标:在DN 实验中高频应用的生化指标为尿蛋白水平相关指标;DF 实验中高频应用的生化指标为CRP、TNF-α、IL-6 等;DR 实验中高频应用的生化指标为VEGF、ICAM-1 等;DF 与DR 实验采用的生化指标多为血清炎症因子。 这些生化指标在不同并发症中变化趋势基本保持一致。

在T2DM 及其微血管并发症的动物模型中,FPG 的成模标准明显高于糖尿病动物模型,因此提高成模标准,可以保证糖尿病并发症模型的稳定性和成功率;糖尿病不同的病变方向虽然具有相同的血脂异常趋势,但各并发症的血脂水平指标在成模前后变化范围却不尽相同,这是由于不同模型个体中各激素变化不同,从而导致的轻微差异。 值得一提的是,有些相同的生化指标在不同的治疗方向中,变化趋势可能不同,因此在实验中需注意所选指标变化趋势与治疗方向是否匹配,例如在DR 与DF 实验中VEGF 都为高频生化指标,但VEGF 在DR 实验中经治疗后血清中含量呈下降趋势,在DF实验中呈上升趋势,这是因为DF 患者VEGF 值下降,会导致血管生成受阻导致溃疡难以愈合[42],所以在DF 实验血清中VEGF 表达增加,而DR 患者视网膜黄斑水肿、视网膜、脉络膜新生血管生成都与VEGF 表达增加相关,故DR 治疗实验中,需降低VEGF 的表达。

本研究选取T2DM 及其微血管并发症的相关文献,并选择应用频率较高的生化指标与临床应用相结合进行总结,希望能给广大研究者们提供有价值的参考。