低剂量脂多糖静脉注射诱导细胞因子产生模型：机制与应用
一、模型原理与基础
脂多糖（LPS），是革兰氏阴性菌外膜的主要成分，也是已知最强的天然免疫刺激物之一。它通过作用于免疫细胞（主要是单核/巨噬细胞、树突状细胞）表面的模式识别受体（PRRs），特别是Toll样受体4（TLR4）及其辅助受体MD-2和CD14，触发强大的细胞内信号级联反应。
- TLR4激活： LPS与TLR4/MD-2复合物结合，诱导受体二聚化。
- 信号传导： 主要通过髓样分化因子88（MyD88）依赖途径和TIR结构域诱导干扰素-β（TRIF）依赖途径传递信号。
- 转录因子激活： 信号传导最终导致关键转录因子核因子κB（NF-κB）和激活蛋白1（AP-1）等的活化与核转位。
- 细胞因子基因表达： 活化的转录因子结合到多种促炎细胞因子基因的启动子区域，启动其转录。
- 细胞因子合成与释放： 新合成的细胞因子蛋白被加工并快速释放到循环系统中。
低剂量静脉注射 LPS的核心在于利用其强大的免疫激活能力，但控制在非致死、非引起严重组织损伤的剂量范围内（通常在动物模型中，如小鼠，剂量范围在微克每公斤体重级别，例如1-100 μg/kg），模拟一次可控的、急性全身性炎症反应。这种“生理性”刺激能显著诱导多种关键细胞因子的产生。
二、模型建立与实施要点
- 实验动物选择： 最常用的是小鼠（C57BL/6, BALB/c等品系），大鼠也常使用。动物需在标准无特定病原体（SPF）环境中饲养，实验前适应环境。
- LPS准备：
- 来源：使用高纯度、无内毒素污染试剂的水配制LPS溶液。
- 溶剂：通常使用无菌、无热原的生理盐水或磷酸盐缓冲液。
- 浓度：根据目标剂量精确配制。低剂量范围是关键（如小鼠：1-100 μg/kg；大鼠：剂量可能略高）。
- 给药途径： 静脉注射（通常是尾静脉注射或眶后静脉丛注射）。此途径确保LPS快速、均匀地进入全身循环，直接接触血液中的免疫细胞（单核细胞）和血管内皮细胞，诱导全身性细胞因子反应。
- 剂量控制： “低剂量”是模型的核心特征。剂量需通过预实验确定，以保证：
- 诱导显著的、可检测的细胞因子水平飙升。
- 不引起动物严重休克、器官衰竭或死亡。
- 诱导的反应具有时间依赖性且可重复。
- 取样时间点： 细胞因子释放具有快速、短暂的动力学特征：
- 早期（1-2小时）： TNF-α峰值通常最早出现（常在1-2小时达峰）。
- 中期（2-6小时）： IL-1β, IL-6, KC/GRO（CXCL1）, MCP-1（CCL2）等达到峰值。
- 后期（>6小时）： IL-10等抗炎细胞因子可能升高，部分趋化因子维持时间较长。
- 常规取样点： 常在注射后1.5, 3, 6小时采集血液（血清或血浆）分析细胞因子水平。根据研究目的可调整。
- 终点指标：
- 主要指标： 血清/血浆中细胞因子浓度（通过酶联免疫吸附试验、流式液相多重蛋白定量技术或 Luminex 等多因子检测平台测定）。核心检测因子包括TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-10, KC/CXCL1, MCP-1/CCL2等。
- 可选指标： 体温变化（常出现双相热）、白细胞计数及分类变化（早期白细胞减少症，继之白细胞增多症）、血流动力学监测（轻微变化）、组织采样（如肺、肝、脾）进行细胞因子mRNA表达或组织病理学检查（通常低剂量下病理损伤轻微）。
三、模型特征与优势
- 急性可控的炎症风暴： 提供了一种在体内快速、强力诱导系统性细胞因子产生的标准化方法。
- 高度可重复性： 在严格控制实验条件（动物品系、年龄、性别、LPS批次与剂量、注射技术、取样时间）下，模型反应具有良好的一致性和可重复性。
- 时间动态清晰： 细胞因子的释放具有特征性的、可预测的时相变化，便于研究炎症反应的启动、放大和消退机制。
- 模拟生理/病理关键过程： 再现了感染（尤其是革兰氏阴性菌败血症早期）或非感染性全身炎症反应综合征（SIRS）中细胞因子风暴的核心特征。
- 操作相对简便： 技术难度适中，易于在多数实验室开展。
- 适用于机制研究与干预评价：
- 基础研究： 研究TLR4信号通路、细胞因子产生与调控机制、炎症消退机制、神经-内分泌-免疫网络交互作用等。
- 药物研发与评价： 是筛选和评价抗炎药物（如TLR4拮抗剂、细胞因子抗体或受体拮抗剂、激酶抑制剂、天然抗炎化合物）效力的经典模型。观察药物对特定细胞因子峰值、曲线下面积或动力学特征的抑制作用。
- 疾病模型基础： 作为研究脓毒症、急性肺损伤、全身炎症反应等更复杂疾病模型的起点或组成部分。
四、应用与意义
该模型在生物医学研究中具有广泛应用：
- 免疫学机制研究： 探究固有免疫细胞（巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞）激活、细胞因子级联反应、趋化因子募集白细胞、炎症反应负反馈调控（如IL-10、SOCS蛋白）的分子和细胞机制。
- 药理学研究：
- 抗炎药物筛选： 快速评估候选化合物在体内抑制过度炎症反应的能力。
- 药效动力学研究： 观察药物对特定细胞因子通路的作用强度和持续时间。
- 免疫调节剂评价： 研究药物对炎症平衡的影响（促炎 vs 抗炎）。
- 毒理学研究： 评估外源性物质（如纳米材料、药物、环境污染物）是否具有潜在的内毒素样活性或能放大内毒素反应。
- 感染与炎症性疾病研究： 作为理解败血症、感染性休克、创伤、烧伤、急性胰腺炎等相关全身炎症反应的简化模型，研究其早期事件。亦可用于研究炎症在慢性疾病（如动脉粥样硬化、神经退行性疾病）发生发展中的作用。
- 生物标志物研究： 识别和验证反映全身炎症状态或药物疗效的潜在循环生物标志物（如特定细胞因子或其组合模式）。
- 交叉研究： 与其他模型结合，例如研究炎症对代谢、行为认知功能的影响。
结论：
低剂量LPS静脉注射诱导的细胞因子产生模型，是一个成熟、可靠且应用广泛的体内工具。它利用LPS激活TLR4通路的特性，在可控的低剂量下，高效诱导典型的急性系统性细胞因子反应。其高度可重复性、清晰的动力学特征和操作简便性，使其成为研究炎症机制、筛选评价抗炎药物及探索炎症相关疾病病理生理学的不可或缺的实验范式。该模型深刻揭示了固有免疫系统对病原相关分子模式的快速响应能力，为理解炎症的生理防御功能及其失控导致的病理损伤提供了关键窗口。
（可选附图建议）： 可配一张示意图，描绘LPS注射入血液后，与单核细胞/巨噬细胞表面TLR4/MD-2/CD14复合物结合，激活细胞内信号通路（NF-κB, MAPK等），导致细胞核内细胞因子基因转录、翻译并释放入血（TNF-α, IL-6, IL-1β等），以及主要细胞因子随时间变化的典型动力学曲线图。