动物模型在医学中的应用可以追溯到公元前6世纪，当时主要用于研究解剖结构进而理解人体的生理构造。动物模型的理论基础源于达尔文进化论：即不同物种具有共同的祖先，在分子、细胞、组织、器官和个体等层面具有一定的相似性，这意味着动物实验的结果可能在一定程度上揭示人体的奥秘。因此，要保证研究结果的临床相关性，动物模型必须与人体具备足够的相似性，有学者总结1为以下三个方面：疾病同源性（与人类疾病具有相似的发病机制）、表象一致性（与人类疾病具有相似的行为表象）和药物预见性（与人类疾病具有相似的药物治疗反应）。
动物模型为现代医学的进步做出了重要贡献2：自年以来，超过三分之二获得诺贝尔生理学或医学奖的研究成果依赖动物模型获得，涵盖医学诊断、外科手术、疫苗和药物等多个方面（图1）。
图1动物模型对现代医学的进步不可或缺当今世界，不管是发达国家还是发展中国家，肥胖及糖尿病的患病率都在快速增长。不少学者认为我们已经身处“肥胖大流行（obesityepidemic）”时代，急需有效疗法。但肥胖和糖尿病涉及多种遗传和环境因素的相互作用，体外细胞实验和电脑模拟难以刻画这些复杂关系，动物模型对发病机制和治疗方法的探索、验证必不可少。近年来，肥胖和糖尿病领域的动物实验蓬勃发展，但不少研究人员对不同动物的特点以及如何根据研究目的选择合适的动物模型仍缺乏足够认知。本文于年1月发表在NatRevEndocrinol杂志，系统总结了肥胖和糖尿病研究中常用动物模型的优点及局限性（表1），可谓是恰逢其时3。表1肥胖和糖尿病研究常用的动物模型在肥胖和糖尿病的动物实验和临床研究中，如何准确评估体脂数量和体脂分布是一个很重要的问题。临床上常用的衡量指标很多，比如体重质量指数（BMI）、腰围、皮褶厚度，这些指标测量较为容易。其他方法，比如水下皮脂测定法、空气体积描记法、生物电阻抗法、双能X线吸收测定法和定量磁共振，更加精准，但测量也更加困难。当然，也可采用超声、CT和MRI等影像学方法进行评估。动物实验常用的测量方法与此类似，各方法之间测量精准性和耗时长短有较大差别。有的测量方法需要麻醉，而麻醉前后几天动物进食会受到影响，给实验结果带来偏倚。有的测量方法无法进行重复测量，只能在动物处死后进行单次测量，无法进行测量结果的纵向比较。因此根据实验目的选择合适的测量方法就显得尤为重要，常用体脂评估方法的特点总结于表2。表2动物实验常用的体脂评估方法非哺乳动物：果蝇、线虫和斑马鱼非哺乳动物体重调控和能量平衡涉及的信号通路与哺乳动物存在相同之处，胰岛素分泌和作用机制与哺乳动物也大致相同，而且遗传或者环境因素可在这些动物中诱发糖尿病样表型（表3）。基于这些方面的考量，非哺乳动物一般用于较为早期的临床前研究，其优点和局限性总结于表4。
表3果蝇、线虫和斑马鱼的比较表4非哺乳动物模型的优点和局限性斑马鱼是目前较为常用的非哺乳动物模型。斑马鱼的胚胎于体外发育，方便基因修饰。而且胚胎身体透明，可进行延时活体成像。当然，斑马鱼相关的实验技术也比较成熟，比如体脂测量、采血、胰岛β细胞数量及功能评估等（图2和图3）。年日本三重大学的研究人员LiqingZang首次报道，采用刚孵化的卤虫（artemia）喂养八周可建立饮食诱发的肥胖模型4（Dietinducedobesity，DIO）。相比于对照组，DIO组表现为BMI升高、高脂血症、脂肪肝，其肥胖表型与哺乳动物相似。内脏脂肪组织转录组比较分析证实其脂质代谢通路改变也与哺乳动物相似。年，该研究团队改进了喂养方式，发现只需要高脂饮食喂养一周，即可建立饮食诱发的糖尿病模型。相比于对照组，DIO组斑马鱼除了上述的肥胖表型，还表现为空腹血糖升高、糖耐量受损、胰岛素代偿性分泌增加，而且二甲双胍或格列美脲治疗有效果。不可否认的是，斑马鱼缺点也很明显。一方面，瘦素基因保守性低，斑马鱼瘦素蛋白与人体只有19%的序列相似度，而且瘦素不在脂肪组织中产生，瘦素受体缺陷主要导致血糖紊乱而不是过度进食/高脂血症/严重肥胖。另一方面，斑马鱼为变温动物，体内缺乏棕色脂肪组织，其胰岛素水平测量和胰岛素抵抗评估仍存在一定困难5。图2斑马鱼的体脂测量和采血技术6
A和B：正常和肥胖斑马鱼的三维图像，灰色为骨骼，*色为脂肪
C和D：正常和肥胖斑马鱼的截面图像，*色为内脏脂肪，橙色为皮下脂肪
E：白线表示穿刺采血位置，位于身体纵轴，肛门尾部，背主动脉后方
F：斑马鱼主要血管包括背主动脉（DA）和后主静脉（PCV）图3斑马鱼胰岛β细胞数量和功能评估7
A：胰岛β细胞数量评估：Tg转基因技术。绿色荧光蛋白的表达由前胰岛素原的启动子决定，采用荧光显微镜观察β细胞，可以看到DIO组斑马鱼胰岛素的代偿性分泌
B：胰岛β细胞功能评估：腹腔内葡萄糖耐量实验，实验前需禁食72小时啮齿类动物代谢性疾病研究中啮齿类动物应用最为广泛，比如为广大研究人员所熟知的ob/ob和db/db小鼠。这两种小鼠由美国缅因州巴港杰克逊实验室的DouglasColeman发现，前者表现为严重肥胖（obesity，简写为ob），后者表现为严重糖尿病（diabetes，简写为db），其命名由此得来。Coleman利用ob/ob小鼠、db/db小鼠和正常小鼠完成了一系列联体共生实验，即通过手术将两只小鼠的血管吻合，观察两只小鼠的进食状况和体重变化（图4）。根据实验结果，Coleman认为正常小鼠的脂肪组织可产生一种活性因子，与受体结合后抑制小鼠进食，减少脂肪储积。db/db小鼠产生过量活性因子但是缺乏相应受体，ob/ob小鼠无法产生活性因子但是相应受体正常。虽然这个猜想完美解释了实验结果，但并未被广大研究人员所接受。之后Coleman多次尝试从小鼠脂肪组织中提取这一活性因子，也均以失败告终。直到年，JeffreyFriedman利用定位克隆技术（positionalcloningtechnology）发现了小鼠肥胖基因以及人类同源基因，后通过免疫学方法确定了肥胖基因的产物并将其命名为瘦素（leptin）。关于ob/ob小鼠和db/db小鼠的争论至此方尘埃落定（图5）8：ob/ob小鼠瘦素合成分泌障碍，瘦素受体正常，突变位于6号染色体，而db/db小鼠瘦素合成分泌正常，瘦素受体缺陷，突变位于4号染色体。在C57BLKS/J遗传背景下，ob/ob小鼠和db/db小鼠表现为胰岛失代偿，肥胖伴严重糖尿病，过早死亡；而在C57BL/6J遗传背景下，ob/ob小鼠和db/db小鼠表现为胰岛代偿，严重肥胖，继发轻度糖尿病。图4ob/ob小鼠与联体共生实验8
上方：正常小鼠和ob/ob小鼠。A：出生后21天，前者重12g，后者重16g；B：出生后10个月，前者重29g，后者重90g
下方：四组联体共生实验示意图。a，b，c：首先进行了相同遗传背景的db/db小鼠和正常小鼠共生实验，db/db鼠保持肥胖，正常鼠饿死；但是两者体重存在较大差异，为了消除大体重鼠牵着小体重鼠乱跑导致后者无法正常进食的影响，进行了db/db小鼠和ob/ob小鼠共生实验，db/db鼠保持肥胖，ob/ob鼠饿死；进一步进行ob/ob小鼠和正常小鼠共生实验，ob/ob鼠变瘦体重接近正常，正常鼠正常存活。由此，Coleman认为db/db小鼠产生过量活性因子但是缺乏相应受体，ob/ob小鼠无法产生活性因子但是相应受体正常。该活性因子和受体结合后可抑制小鼠进食，减少脂肪储积。d：正常小鼠和正常小鼠的对照实验，共生小鼠比非共生小鼠的脂肪组织更少，提示该活性因子可能来源于脂肪组织。图5瘦素的发现9
左上：年Nature杂志封面；右上：RNA印记分析表明该基因在小鼠白色脂肪组织表达，其他组织中不表达；下方：C57BL/6J遗传背景小鼠ob/ob基因的cDNA在第个密码子发生C→T突变，导致Arg变为终止密码子啮齿类动物模型种类繁多，按照其产生方法，可分为三类：单基因（基因突变或者基因编辑）、多基因和诱发性（饮食、机械、化学），不同品系的表型特点总结于表5。单基因模型单基因模型适用于新治疗靶点的后续验证，比如前文介绍的ob/ob和db/db小鼠、ZDF大鼠、OLETF大鼠，按照其产生方式可进一步分为基因突变和基因编辑两类。
基因突变：这里以OLETF大鼠为例简单介绍其特点。年，日本德岛研究所从加拿大魁北克市某实验室购买了一批远交系Long-Evans大鼠。年，其中一只大鼠发生基因突变表现为多饮、多尿和轻度糖尿病。通过选择育种，日本德岛研究所获得该大鼠的一个品系，命名为OLETF大鼠。有趣的是，OLETF大鼠也缺乏A型CCK受体。CCK全称为胆囊收缩素，是小肠来源的多肽类激素，作为外周的饱感信号分子。CCK受体缺陷的OLETF大鼠在能量平衡方面表现为自我矫正现象：在实验条件下，如果仅提供高脂饮食，不提供转轮，OLETF大鼠表现为肥胖，符合预期。但如果同时提供高脂饮食和转轮，OLETF大鼠会明显提高活动量以增加能量消耗，相比于正常大鼠并未表现为肥胖。得益于OLETF大鼠，我们对CCK在脑肠轴中发挥的作用有了深一步理解。基因编辑：通过靶向基因突变/敲除可研究目标基因的生理功能，但是这种方式存在一定局限性。主要原因在于生物体在发育过程中存在代偿机制，突变或者被敲除基因的功能可由其他基因代偿。比如GLP-1R胚系基因敲除小鼠给予高脂饮食后并未表现为肥胖，而且糖耐量仅轻度受损。如果单纯看这个结果，GLP-1RA类药物基本上不会带来代谢获益，但实际上GLP-1RA是当前治疗肥胖和T2DM的同类最佳药物（临床使用，请参考药品说明书）。多基因模型相较于单基因模型，多基因模型能够更好地模拟人类肥胖/糖尿病的发病机制，适用于治疗有效性和安全性的综合评价，比如C57BL6/J小鼠、Sprague-Dawley大鼠。即使在相同的遗传背景下，多基因模型个体异质性仍比较明显。比如在高脂饮食条件下，只有60%的C57BL6/J小鼠和50%的Sprague-Dawley大鼠表现为肥胖，其余的小鼠/大鼠表型与对照组相似。这种个体异质性与人类不同个体对肥胖不同程度的易感性遥相呼应，考虑可能与表观遗传相关。
饮食诱发模型饮食诱发模型方法直接，而且能较好反映人体肥胖的发病机制，比如体重的缓慢增加和继发的胰岛素抵抗。但是模型建立耗时较长，成本较高，实验结果受品系、性别、年龄、饮食、表观遗传等因素影响较大。
机械/化学诱发模型肥胖：机械性损毁下丘脑腹内侧可导致过度饮食、体重增加和脂肪储积等复杂表型，但毕竟方法略显原始。这种机械性手段不仅破坏了神经元，也破坏了不同脑区之间的神经连接。目前，研究人员更偏爱采用针对特定脑区、甚至某一脑区特定细胞的靶向基因编辑技术。
糖尿病：通过胰腺切除或者细胞*性药物损毁胰岛β细胞可诱发糖尿病表型。常用药物包括链唑霉素和四氧嘧啶，两者都是葡萄糖类似物，与GLUT2转运体高亲和力结合，进而破坏胰岛β细胞。表5常用的啮齿类动物模型
-，无；+，轻度；++，重度；CHO，高糖饮食；SD，标准饮食；HFD，高脂饮食啮齿类动物模型的优点和局限性总结于表6。尽管啮齿类动物模型种类繁多，应用广泛，技术也较为成熟，在研究方法上仍需注意以下三点：选择合适的比较方法：比较不同个体的能量平衡测量结果时，在考虑体重和体脂率的基础上，采用协方差分析；
选择合适的实验结局指标：若将体重作为结局指标则应避免进行糖耐量实验，否则会干扰体重测量结果；
选择合适的对照组：实验室喂养动物相比野生动物一般为超重状态（overweight），不能作为健康对照组。表6啮齿类动物模型的优点和局限性本期关于动物模型的介绍就到这里。下期我们继续