STZ引起的1型糖尿病(大鼠或小鼠)模型 - 中析研究所生物检测中心

STZ诱导的1型糖尿病动物模型（大鼠/小鼠）：机制、构建与评估

摘要：
链脲佐菌素（Streptozotocin, STZ）诱导的糖尿病模型是研究1型糖尿病病理机制、并发症及药物筛选的经典工具。该模型通过选择性破坏胰岛β细胞模拟人类1型糖尿病的胰岛素绝对缺乏状态。本文系统阐述STZ的作用机制、动物模型建立方法、关键参数优化及模型验证标准，为相关研究提供技术参考。

一、 STZ的作用机制

STZ是一种由链霉菌产生的氨基葡萄糖-亚硝基脲类化合物，其细胞毒性具有显著的β细胞选择性：

葡萄糖转运体（GLUT2）靶向： STZ结构与葡萄糖相似，通过胰岛β细胞高表达的GLUT2转运蛋白进入细胞内。
DNA烷基化作用： 进入细胞后，STZ释放亚硝基脲基团，引起DNA链断裂、碱基修饰及染色体畸变，诱导β细胞凋亡和坏死。
自由基损伤： STZ代谢过程中产生大量活性氧（ROS）和一氧化氮（NO），导致线粒体功能障碍和细胞氧化应激损伤。
ADP核糖基化： 抑制关键酶活性（如甘油醛-3-磷酸脱氢酶），干扰细胞能量代谢。

二、实验动物选择

常用动物：
- 小鼠（Mouse）： C57BL/6系最常用（因其对STZ较敏感且遗传背景清晰），Balb/c、ICR等亦可。
- 大鼠（Rat）： SD（Sprague-Dawley）、Wistar系最为常用。
选择考虑：
- 年龄： 通常选用成年动物（小鼠：6-10周龄；大鼠：6-8周龄）。幼龄动物更敏感但稳定性稍差。
- 性别： 雄性与雌性皆可使用，但应注意性别对STZ敏感性及后续代谢指标可能存在的差异（通常雄性更常用）。
- 品系敏感性： 不同品系对STZ的敏感性存在差异（如C57BL/6小鼠对多次小剂量注射方案敏感）。

三、模型建立方法

关键步骤与参数优化

STZ溶液配制：
- 溶解： 临用前将STZ粉末溶解于预冷的 无菌柠檬酸盐缓冲液（0.1 M, pH 4.2-4.5） 中。柠檬酸缓冲液可增强STZ稳定性并提高其对β细胞的特异性毒性。
- 浓度： 根据动物体重计算所需剂量后再溶解，避免长时间放置（建议配制后15-30分钟内使用完毕，冰浴避光保存）。
- 浓度： 常用浓度为1%（10 mg/ml）或2%（20 mg/ml）。
给药方案（核心差异）：
- 大剂量单次注射（Rapid Model）：
  - 原理： 一次性给予高剂量STZ，快速、大量破坏β细胞。
  - 剂量（参考）：
    - 小鼠：120 - 180 mg/kg (体重) （常用范围：140-160 mg/kg）
    - 大鼠：50 - 75 mg/kg (体重) （常用范围：55-65 mg/kg）
  - 途径： 腹腔注射（i.p.）为主，偶见静脉注射（i.v.）。
  - 特点： 操作简便，糖尿病诱导迅速（数天内血糖显著升高），可模拟晚期重度1型糖尿病状态。胰岛炎相对较轻。死亡率相对较高，需密切监测。
- 多次小剂量注射（Multi-Low-Dose, MLD Model）：
  - 原理： 连续数天给予较低剂量STZ，诱发自身免疫反应参与β细胞破坏，更接近人类1型糖尿病发病过程。
  - 剂量（参考）：
    - 小鼠：40 - 50 mg/kg (体重)，每日1次，连续注射5天（常用方案）。
    - 大鼠：30 - 40 mg/kg (体重)，每日1次，连续注射3-5天。
  - 途径： 腹腔注射（i.p.）。
  - 特点： 血糖升高相对缓慢（需1-2周），模型更稳定，死亡率较低。可观察到胰岛淋巴细胞浸润（胰岛炎），更适合研究早期发病机制和免疫干预。
给药前准备：
- 禁食（推荐）： 给药前动物禁食4-6小时（不禁水），使动物处于相对一致的代谢状态，提高STZ对β细胞的靶向性并减少个体差异。

四、模型验证与监测

血糖监测：
- 时间点： 首次给药后72小时开始监测，之后每隔3-7天监测一次（MLD模型通常在末次注射后第3-5天开始监测）。
- 方法： 尾尖采血，使用血糖仪检测 空腹血糖（FBG）（推荐禁食6小时后检测结果更稳定）。
- 糖尿病诊断标准（常用）：
  - 连续两次（间隔≥24小时）检测FBG ≥ 11.1 mmol/L (200 mg/dL)。
  - 或随机血糖 ≥ 16.7 mmol/L (300 mg/dL) (作为辅助判断)。
体重监测：
- 糖尿病模型动物常因多尿、蛋白质和脂肪分解代谢增强而出现体重下降或增长停滞。每周监测体重变化是评估模型状态的重要指标。
其他指标（可选）：
- 口服葡萄糖耐量试验（OGTT）： 评估胰岛素分泌功能受损程度。
- 血清胰岛素检测： 定量检测胰岛素水平，明确β细胞功能损伤程度（通常在造模成功后显著降低）。
- 胰岛形态学检查： 对胰腺组织进行HE染色、胰岛素/胰高血糖素免疫组化染色，直观观察胰岛数量减少、β细胞破坏或缺失、可能的炎症浸润（MLD模型更明显）。

五、优缺点分析

优点：
- 操作相对简便，成本较低。
- 高血糖和胰岛素缺乏症状显著，较好地模拟了1型糖尿病核心特征。
- MLD模型可引入免疫炎症组分。
- 适用于大规模药物筛选和机制研究。
缺点与注意事项：
- 剂量敏感性： 剂量是模型成败关键，需根据动物品系、性别、年龄、来源严格预实验优化。
- 个体差异： 即使相同方案，动物血糖反应存在个体差异（部分动物可能不达标或为应激性高血糖）。
- 肾毒性： STZ具有一定肾毒性（尤其在较高剂量下），可能干扰糖尿病肾病研究的解读。
- 死亡率： 大剂量单次注射方案初期死亡率可能较高，需加强护理（如提供含蔗糖饮水24-48小时以缓解急性低血糖）。
- 与人类差异： 人类1型糖尿病具有更强遗传背景和自身免疫驱动，STZ模型主要通过化学损伤实现，发病进程不同。
- 模型稳定性： 部分动物后期可能出现血糖自发缓解（尤其小鼠）。

六、模型应用

STZ诱导的1型糖尿病模型广泛应用于：

1型糖尿病发病机制研究（β细胞凋亡、氧化应激、免疫损伤）。
新型胰岛素、胰岛素类似物及给药系统评价。
口服降糖药（如胰岛素增敏剂）在1型糖尿病联合治疗方案中的探索。
糖尿病并发症研究（糖尿病肾病、神经病变、血管病变、创面愈合障碍等模型的基础）。
胰岛移植和细胞治疗研究（受体模型）。
糖尿病相关代谢紊乱研究（如酮症）。

七、操作示例（以大剂量单次注射C57BL/6小鼠为例）

准备：
- 8周龄雄性C57BL/6小鼠。
- 禁食6小时（自由饮水）。
- 配制STZ溶液（柠檬酸盐缓冲液，0.1M, pH 4.5，冰浴）。剂量按160 mg/kg计算（例如20g小鼠需3.2mg STZ，溶解于160μl缓冲液）。
给药：
- 腹腔注射配制好的STZ溶液。
护理：
- 给药后提供含5-10%蔗糖的饮用水24-48小时，防止急性低血糖致死。
监测：
- 给药后72小时测空腹血糖。
- 若FBG ≥ 11.1 mmol/L，间隔24小时复测确认。
- 确认成模后转入正常饲养和实验。

结语

STZ诱导的啮齿类动物1型糖尿病模型是糖尿病研究领域不可或缺的工具。深入理解其作用机制，根据研究目的（快速高血糖 vs. 渐进性免疫损伤）精确选择动物品系并优化造模方案（剂量、给药途径、次数），严格进行模型验证（血糖、体重、必要时胰岛功能/形态），同时认识到模型的局限性（如肾毒性、与人类发病差异），是利用该模型获得可靠科学结论的关键。该模型将继续在阐明糖尿病病理生理、开发新型疗法及评估药物疗效中发挥核心作用。