疾病背景：
慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一种异质性肺部病变，通常表现为进行性、持续性气流受限，其特征包括气道炎症，黏液高分泌、气道重塑和肺气肿，这可能导致肺功能降低及呼吸困难。慢性阻塞性肺疾病急性加重（AECOPD）则表现为COPD患者呼吸困难和/或咳嗽、咳痰症状随病情进展而不断加重，伴有呼吸急促和/或心动过速，导致低血氧症、高碳酸血症、肺组织纤维化等，最终发展为全身多器官衰竭甚至死亡。COPD被认为是动态的基因-环境相互作用导致的最终结果，已发现的机制包括吸入有害颗粒（烟草烟雾、污染物等）或气体引起的气道氧化应激、炎症反应以及蛋白酶/抗蛋白酶失衡等，虽然其发病机制尚未完全阐明，但使用基于生物标志物的策略来针对特定亚群进行治疗的现有疗法已取得了进展[1, 2]。目前，已有诸如啮齿动物，狗，豚鼠，猴子等动物用于研究COPD发病机制背后的细胞和分子机制，动物模型的构建方法包括单纯香烟烟雾（CS）暴露、烟熏联合气管滴注脂多糖、弹性蛋白酶滴注等，这些动物模型可复现COPD的一些关键病理特征，但无法真正模拟COPD全部临床特征，在构建动物模型时应根据实验目的的不同而选择不同种属和构建方法。本期小恒将为大家介绍几种广泛报道的COPD动物模型的模型特点和构建方法供各位参考。
展开剩余85%图1 常用的COPD/纤维化动物模型[2]
香烟烟雾诱导的COPD模型
【模型简介】香烟中含有多种化学物质，能够诱导肺部炎症、氧化应激和肺组织损伤，进而导致肺功能下降和肺结构改变。香烟烟雾（Cigarette Smoke，CS）或烟草烟雾（tobacco smoke，TS）诱导模型是最经典且临床相关性最强的COPD动物模型之一，其通过让实验动物全身或仅鼻部接触香烟烟雾，模拟人类长期吸烟导致COPD的病理过程。模型构建时动物耐受度、烟雾量测量方法、吸烟模式、烟雾特性和剂量等因素，会对研究结果的一致性和可重复性产生重大影响，这表明需要选择合适的烟雾诱导方式，才能更好地模拟人类的实际情况中的暴露情况，并理解该疾病的发病机制[3]。这一模型可用于烟草烟雾诱导的肺组织损伤机制、治疗药物对COPD的保护作用、为优化COPD的治疗策略提供理论依据。
【模型特点】吸烟是COPD最主要的风险因素，该模型具有极高的临床相关性；病理特征明显，能同时诱导出气道炎症、黏液高分泌、肺气肿和肺功能下降等多种COPD特征；周期长，稳定性不佳；不同动物组织结构不同，病理变化有差异；需要专用的烟雾暴露装置，设备和操作要求较高。
【造模步骤】选择合适品系动物（如C57BL/6J小鼠），适应性饲养3-5天；准备香烟烟雾暴露箱或染毒柜，使用无滤嘴的研究级香烟或标准商用香烟，将动物暴露于香烟烟雾中，常见的方案为每天暴露两次，每次1-2小时，每周暴露5-6天，对照组不接受烟雾暴露；持续8周至24周甚至更久，定期检测动物体征，造模结束时进行肺功能检测，并收集支气管肺泡灌洗液（BALF）及肺组织进行后续分析。
【模型表型】肺功能下降，潮气量（VT）和肺动态顺应性显著降低；BALF中白细胞总数、巨噬细胞比例显著升高，IL-6等促炎因子水平上调。组织病理学上，肺组织炎性浸润，肺泡腔扩大、平均肺泡数（MAN）降低，平均肺泡截距（MLI）增大；气道壁增厚，胶原沉积；气道上皮中杯状细胞增生，PAS染色阳性细胞增多。
香烟烟雾提取液诱导的COPD模型
【模型简介】香烟烟雾提取物（cigarette-smoke-extract，CSE）可作为抗原，触发免疫反应引起肺气肿样改变。CSE诱导的COPD模型是一种通过体外或体内暴露于CSE来模拟人类COPD病理特征的实验模型，在体内模型中，实验人员将香烟烟雾溶解在生理盐水中通过气管内或腹腔注射给药，来模拟吸烟对肺组织的损伤。这一模型可用于研究烟草诱发COPD的发病机制、评估潜在的治疗方法对疾病的保护作用。
【模型特点】浓缩了香烟烟雾中的水溶性成分以及部分微粒相成分，可引起强烈病理反应；操作简便，成本低廉；剂量可控，减少了动物个体呼吸差异造成的接收量不均；建模周期相较CS模型更短；单次高浓度CSE滴注可能导致动物急性应激反应，需要优化剂量。
【造模步骤】选择合适品系动物（如C57BL/6J小鼠），适应性饲养3-5天；使用抽吸装置使香烟燃烧产生的烟雾通过PBS，10 ml溶液溶解5支香烟，溶液调节pH值至7.4，使用0.22 μm滤膜过滤除菌得到CSE溶液；以0.3 mL的剂量腹腔注射CSE，每周注射1次，总实验期为4周，对照组注射等量PBS；建模结束，根据研究目的对小鼠进行相应的处理及收集样本[3]。
【模型表型】小鼠体重无显著性变化；气道阻力增加，肺顺应性升高；组织病理学上，HE染色可见肺泡间隔断裂，平均肺泡截距（MLI）显著增大，平均肺泡数（MAN）显著减少；支气管和血管周围有大量炎症细胞浸润；BALF总细胞数显著升高，促炎细胞因子如TNF-α、IL-6等浓度显著上升。
弹性蛋白酶诱导的COPD模型
【模型简介】弹性蛋白酶是一种蛋白水解酶，可直接降解肺实质中的弹性纤维，导致肺泡间隔断裂、肺泡腔永久性扩大，形成肺气肿。弹性蛋白酶诱导的COPD模型是一种通过气道内给予蛋白酶，快速有效地模拟人类COPD中以肺气肿为核心病理特征的实验模型，常用的弹性蛋白酶包括木瓜蛋白酶、猪胰弹性蛋白酶（PPE）等。这一模型可用于肺气肿机制研究，延缓肺气肿进展、促进组织修复或抗炎的药物筛选等。
【模型特点】相比于香烟烟熏法构建时间短、效率极高；成本较低，操作相对简便；蛋白酶的种类和剂量对造模结果影响较大；此模型是急性损伤，无法完全模拟人类COPD的复杂性。
【造模步骤】选择合适品系动物（如C57BL/6J小鼠），适应性饲养3-5天；配置猪胰弹性蛋白酶（PPE），剂量通常为5-8 U/kg，每只小鼠50-80 μl无菌生理盐水；通过非侵入性喉镜引导的气管内灌注方法给予弹性蛋白酶，饲养3周；建模结束，根据研究目的对小鼠进行相应的处理及收集样本。
【模型表型】静态肺顺应性显著升高，呼气阻力增大；组织病理学上，肺泡间隔广泛断裂，肺泡腔异常扩大，平均肺泡截距（MLI）增大，平均肺泡数（MAN）减少；炎症细胞浸润，弹性蛋白染色可见弹性纤维网络断裂。
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参考文献：
[1] Christenson, Stephanie A et al. “Chronic obstructive pulmonary disease.” Lancet (London, England) vol. 399,10342 (2022): 2227-2242.
[2] Tanner, Lloyd, and Andrew Bruce Single. “Animal Models Reflecting Chronic Obstructive Pulmonary Disease and Related Respiratory Disorders: Translating Pre-Clinical Data into Clinical Relevance.” Journal of innate immunity vol. 12,3 (2020): 203-225.
[3] Upadhyay, Priya et al. “Animal models and mechanisms of tobacco smoke-induced chronic obstructive pulmonary disease (COPD).” Journal of toxicology and environmental health. Part B, Critical reviews vol. 26,5 (2023): 275-305.
[4] Zhang, Yan et al. “Intraperitoneal injection of cigarette smoke extract induced emphysema, and injury of cardiac and skeletal muscles in BALB/C mice.” Experimental lung research vol. 39,1 (2013): 18-31.
[5] Hou, H H et al. “Elastase induced lung epithelial cell apoptosis and emphysema through placenta growth factor.” Cell death & disease vol. 4.9 (2013): e793-e793.
发布于：江苏省