造影剂诱导的急性肾损伤动物模型的研究进展

Abstract

造影剂诱导的急性肾损伤(contrast-induced acute kidney injury，CI-AKI)是指血管内应用造影剂后出现的急性肾损伤，是住院患者发生急性肾衰竭的第三大常见原因，可造成严重肾功能损害和不良心血管结局，严重情况下还可导致患者死亡。CI-AKI的发病机制复杂，目前尚未阐明，研究CI-AKI的发病机制对其防治具有重要意义，良好的CI-AKI动物模型是深入研究CI-AKI发病机制的重要基础。

造影剂诱导的急性肾损伤(contrast-induced acute kidney injury，CI-AKI)是指血管内应用造影剂后出现的急性肾损伤^[1]。CI-AKI的诊断标准为：造影剂暴露后48~72 h血肌酐绝对值较基础值升高≥0.5 mg/dL(44.2 μmol/L)或比基线升高≥25%，并排除其他可能引起肾损害的原因^[2]。随着造影剂在心脏病诊断和治疗中的普及，CI-AKI的发生率也逐渐升高^[3]，目前已成为住院患者发生急性肾衰竭的第三大常见原因^[4]。

CI-AKI的发生机制复杂，目前尚未完全阐明^[5]。研究^[6]认为其主要发生机制与血流动力学紊乱、造影剂导致的直接和间接肾损伤有关。其中血流动力学紊乱主要表现为造影剂引起肾髓质和肾皮质血流异常分布；直接肾损伤主要表现为造影剂对肾小管上皮细胞的毒性作用，诱导肾小管上皮细胞凋亡、坏死和脱落；间接肾损伤机制主要表现为氧化应激增加，血管收缩因子和舒张因子之间分泌失衡^[7]。以上三要素相互关联，最终导致急性肾损伤。CI-AKI的发生率因患者基础状况的不同有很大差异，多种因素可导致CI-AKI的发生率增加，包括脱水、慢性肾病、糖尿病、高血压及衰老等^[8]。目前，虽然已经实施了多种针对CI-AKI不同机制及危险因素的预防策略，包括水化疗法、血管扩张剂、肾小管碱化剂、利尿剂、抗炎剂及抗氧化剂等^[9]，但是临床发现部分患者依然会发生CI-AKI^[10]。因此，深入研究CI-AKI的发病机制具有重要意义。构建良好的动物模型是研究CI-AKI发病机制和防治的基础，既往关于CI-AKI发病机制的动物模型主要是基于高渗造影剂、药理学或外科手术进行，近几年报道有多种构建CI-AKI动物模型的新方法。本文对CI-AKI动物模型的研究进展并对比各种动物模型构建方法的优缺点进行概述，以期进一步推动CI-AKI的发病机制与防治的研究。

1. 常用的实验动物及造影剂

1.1. 常用实验动物

CI-AKI的动物模型多使用同源性较好的雄性Sprague-Dawley大鼠及C57BL/6J小鼠建立。也可使用其他动物建立，如微型猪、兔等动物^[11-16]。常见用于建立CI-AKI动物模型的实验动物品系见表1。

表1.

CI-AKI动物模型实验动物常用品系表

Table 1 List of common strains of laboratory animals for CI-AKI animal model animals

动物	常用品系	体重/kg	性别	周龄/周	文献
大鼠	Sprague-Dawley	0.20~0.22	雄性	8~10	[11][12]
小鼠	C57BL/6J	0.03~0.04	雄性	11~14	[13]
兔	新西兰白兔	2.0~2.5	雄性	8	[14][15]
微型猪	巴马小型猪	10.40±0.23	雄性	12~14	[16]

CI-AKI：造影剂诱导的急性肾损伤。

1.2. 常用造影剂

构建CI-AKI动物模型需要预处理动物模型后造成潜在的肾脏病理变化，再通过静脉注射造影剂进行造模。常用造影剂的类型有：高渗造影剂(泛影葡胺、碘他拉葡胺、碘克沙酸)，等渗造影剂(碘克沙醇)，低渗造影剂(碘普罗胺、碘海醇、碘帕醇、碘佛醇)^[17]。

尾静脉注射高渗造影剂可直接造成动物肾脏损伤，操作简便迅速，造模成功率高，故曾广泛应用于CI-AKI动物模型的建立。但由于高渗造影剂的直接肾毒性较强，临床上已很少使用高渗造影剂，改为使用肾毒性较低的等渗或低渗造影剂，故近年来CI-AKI动物模型的建立主要使用低渗或等渗造影剂。

2. 造模方法

2.1. 通过药物预处理建立的CI-AKI动物模型

在药物预处理建立的CI-AKI动物模型中，最常用的药物是吲哚美辛(前列腺素酶抑制剂)和N-硝基- L-精氨酸甲酯(N-nitro-L arginine methyl ester，L-NAME)(一氧化氮合酶抑制剂)，这2种药物可通过影响肾脏血流和减少肾脏血管活性物质，加强造影剂对肾脏的损伤。使用肾血管收缩药物造模的具体方法：首先注射溶解于磷酸盐缓冲液中的吲哚美辛 (10 mg/kg)，注射15、20或30 min后再注射L-NAME，然后联合尾静脉注射造影剂^[18-20]。

另外，也可通过使用直接肾损伤药物引起肾脏急性炎症反应及肾损伤，再联合注射造影剂建立CI-AKI动物模型。常用的直接肾损伤药物为顺铂，由于顺铂可直接造成肾损伤，并且使用顺铂建立的CI-AKI动物模型的肾脏病理和恢复阶段与人类相似，故广泛应用于诱导CI-AKI动物模型。研究^[21]显示：在腹腔注射顺铂(6~20 mg/kg)预处理后尾静脉注射造影剂可在72 h内诱导建立CI-AKI模型。此外，使用直接肾损伤药物建立CI-AKI动物模型的预处理方法还有静脉注射10 mg/kg的25%甘油及50~70 mg/kg庆大霉素等^[22-23]。

通过药理学预处理建立动物模型，操作简便迅速易处理，造模成功率高、重复性好，避免了漫长的术前准备及复杂的手术步骤。但使用肾血管收缩药物的间隔时间难以统一，且无法模拟临床患者由于慢性病造成的肾脏损伤及暴露于造影剂后的直接损伤，因而限制了该造模方法的应用。而使用顺铂、庆大霉素等肾毒性药物建立的CI-AKI模型存在的问题是顺铂、庆大霉素等肾毒性药物造成的肾脏广泛损伤与CI-AKI的肾小管毒性难以鉴别。因此，目前较少通过药理学预处理方法构建CI-AKI模型。

2.2. 通过手术预处理建立的CI-AKI动物模型

手术预处理也是CI-AKI动物模型的主要建立方法之一，手术后肾单位的减少会造成残余肾单位的高滤过、高灌注，增加肾脏对造影剂的敏感性，从而模拟大鼠的肾功能不全。目前已有多种通过手术预处理的动物模型，包括缺血-再灌注模型、单侧输尿管梗阻模型及残余肾模型等。

缺血-再灌注会引发肾小管细胞坏死和凋亡、炎症和氧化应激，故缺血-再灌注模型是目前应用较广的CI-AKI模型。该模型主要通过物理夹闭肾动脉建立，经腹腔注射50~60 mg/kg戊巴比妥(5 mg/mL)麻醉小鼠后，用微动脉瘤夹夹住肾动脉和静脉30~45 min可诱导不同严重程度肾损伤，一般情况下，夹紧肾蒂30 min可诱发缺血-再灌注损伤^[24]，再联合造影剂即可建立CI-AKI动物模型。

单侧输尿管梗阻(unilateral ureteral obstruction，UUO)也是建立CI-AKI动物模型的常见手术方式，该模型可导致肾盂积水和血流改变。研究^[25]通过UUO及碘己醇联合建立大鼠CI-AKI模型，模拟单侧肾积水大鼠模型，为肾积水造成肾功能受损患者的CI-AKI提供新的模拟途径。

残余肾模型也是最常用的实验模型之一，其中5/6肾全切除术被广泛用于大鼠CI-AKI模型，在左肾动脉结扎后，切除右肾，并切除上、下两极(左肾的2/3)。Liu等 ^[26]使用5/6切除肾大鼠建立CI-AKI模型，通过比较多种预处理方案，发现在碘乙醇(10 mL/kg)给药前48 h脱水是较好的方法。此外，研究^[27]报道：可通过完全单侧阻塞肾动脉、静脉和输尿管，再加上手术单侧左肾前蒂结扎小鼠联合碘乙醇造影剂建立模拟肾功能和结构严重损伤的CI-AKI动物模型。

手术预处理动物模型主要优势在于可模拟慢性肾功能不全及特定的肾脏情况，但手术处理复杂，需处理者操作熟练，并且手术损伤大容易造成动物的死亡。

2.3. 基于脱水及低渗造影剂的CI-AKI动物模型

脱水是CI-AKI的重要危险因素之一，脱水能够放大造影剂对血管舒张和收缩的损伤，模拟肾髓质缺氧的发病机制，增加肾血管对造影剂的敏感性。随着低渗造影剂在临床的广泛应用，脱水及联合使用低渗造影剂的CI-AKI动物模型的相关研究也随之增加。目前，已有许多简便、易重复的基于脱水及低渗透造影剂的CI-AKI动物模型。

Liu等^[28]通过将大鼠禁水3 d后注射速尿(10 mL/kg)，20 min后注射低渗造影剂碘乙醇(15 mL/kg)的方法成功构建CI-AKI模型，并提出该方法是脱水CI-AKI动物模型建立的较佳策略。但崔同涛等^[29]通过禁水48 h联合静脉注射造影剂(10 mL/kg)构建CI-AKI模型，发现不联合注射速尿可维持大鼠尾静脉条件，提高造影剂注射成功率，可以较好地反映出CI-AKI的表型。Lau等^[30]也通过禁水48 h后尾静脉注射碘佛醇(5 mL/kg)建立了CI-AKI小鼠模型。此外，Liu等^[31]提出只通过注射速尿(10 mL/kg)联合低渗造影剂(15 mL/kg)，可建立简单可靠的低渗造影剂诱导的急性肾损伤模型。

基于脱水和低渗造影剂建立的CI-AKI动物模型可较好地模拟临床慢性失水及暴露于低渗造影剂的临床情况。但是脱水相关的CI-AKI造模方法仍有一些局限性：仅脱水及暴露于低渗造影剂造成的肾脏损伤小，造模难度大，常需要联合其他预处理；并且目前基于脱水的CI-AKI动物模型研究中，关于是否联合注射速尿及禁水的具体时间尚未有明确的标准，因而限制了该模型的应用。

2.4. 基于慢性病的CI-AKI动物模型

一些慢性疾病(如高血压和糖尿病)也是CI-AKI发生的重要危险因素。

高血压会引起肾脏受损，血压升高会增加肾脏血管系统负荷，出现管壁僵硬、弹性下降及肾脏缺血，肾小球长期处于高压高灌注状态会导致肾功能减退。注射血管紧张素II数周可导致持续性高血压和肾损伤，常用于建立自发性高血压大鼠模型^[32]。Zhang等^[33]提出使用老年雄性自发性高血压大鼠建立的CI-AKI模型，能对CI-AKI发生前高血压、年龄、功能障碍的心脏和肾脏、内皮功能障碍等危险因素进行很好的模拟。

糖尿病患者可产生多种肾损伤因子，并且通过胰岛素抵抗、内皮功能障碍对肾脏造成损害。目前糖尿病CI-AKI大鼠模型的建立方法已较为成熟，通过尾静脉注射溶解在柠檬酸钠缓冲液中的链脲佐菌素(streptozotocin，STZ)进行预处理，注射24 h后血糖水平大于250 mg/dL的动物可认为是糖尿病，10 d后静脉注射造影剂建立CI-AKI模型，然而大部分模型都是在糖尿病形成8周后再注射造影剂进行模型构建^[34-35]。

基于高血压、糖尿病等慢性疾病的预处理造模可较好地模拟临床患者的情况，并能更好地研究基于慢性疾病的CI-AKI发生机制及防治措施，但慢性疾病造模准备周期较长。因此，建立基于慢性疾病的CI-AKI动物模型仍需进一步探索简易方法。

2.5. 基因敲除联合其他预处理的CI-AKI动物模型

基因在疾病发生、发展过程中扮演着重要的决定性角色，缺失或突变都会造成机体的重大变化。一些基因对肾损伤具有保护作用，可减轻肾毒性药物诱导的急性肾损伤的线粒体功能障碍，改善氧化应激和线粒体功能障碍，预防肾小管间质衰竭^[36-38]。虽然仅其他预处理即可成功建立CI-AKI模型，但联合基因敲除可更好研究相关关键基因的具体作用及防治位点，并且可以帮助建立一些疾病基础上的CI-AKI动物模型。

核因子-红系2相关因子2(nuclear factor-red line 2 related factor 2，Nrf2)是一种能调节细胞和线粒体氧化还原的重要因子。Kim等^[39]使用Nrf2敲除小鼠并联合吲哚美辛、L-NAME及尾静脉注射造影剂建立CI-AKI小鼠模型。去乙酰化酶3(sirtuin3，Sirt3)是能量代谢和氧化应激的关键调控因子。Zhang等^[40]通过敲除小鼠中的Sirt3基因联合注射吲哚美辛及L-NAME成功建立了小鼠CI-AKI模型。除Nrf2及Sirt3外，Caspase-1、Caspase-11、Caspase-3及NLRP3等基因在CI-AKI发生过程中也被证实扮演重要角色。Lin等^[41]在Caspase-1、NLRP3基因敲除小鼠中通过单侧肾切除手术联合脱水后尾静脉注射碘己醇成功建立CI-AKI动物模型。此外，ACC1/2是脂肪酸合成的关键物质，并且其磷酸化在瘦蛋白因子和转化生长因子β的信号转导方面发挥重要作用。Harley等^[42]在ACC1/2基因敲除小鼠腹腔注射顺铂(20 mg/kg)后静脉注射造影剂成功建立基于糖尿病的CI-AKI动物模型。

基因敲除技术可用于研究CI-AKI相关基因，对于CI-AKI的防治措施及药物研究具有重要作用。但基因技术操作复杂，需要一定的实验设备和熟练的操作者，成本高，且仍需联合其他预处理。故通过基因敲除建立CI-AKI动物模型仍需进一步研究更简便及重复性较好的方法。

CI-AKI动物模型文献研究的关键热词见图1。各种动物模型构建方法的优缺点见表2。

图1.

CI-AKI动物模型文献研究关键热词

Figure 1 Key hot words in literature research on CI-AKI animal model

L-NAME：N-nitro-L arginine methyl ester.

表2.

不同CI-AKI预处理动物模型优缺点对比

Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of different CI-AKI pretreatment

动物模型	实验动物	模型构建方法	模型构建时间	优点	缺点	文献
肾血管收缩 药物模型	大鼠	吲哚美辛(10 mg/kg)注射后联合L-NAME(10 mg/kg)	吲哚美辛注射后15、20或30 min后注射L-NAME	简便、造模时间短、重复性好、成功率高	不能很好地模拟临床患者暴露于造影剂后的直接损伤，间隔给药时间难以统一	[18][19][20]
顺铂模型	大鼠	单次注射顺铂 (6~20 mg/kg)	72 h	简便、重复性好、形成肾脏病理与人类相似	肾毒性强、肾脏广泛损伤、不符合临床，目前应用较少	[21]
甘油模型	大鼠	注射10 mg/kg的25%甘油	72 h	简便、重复性好	肾毒性强、肾脏广泛损伤、不符合临床，目前应用较少	[22]
庆大霉素模型	大鼠	注射50~70 mg/kg 庆大霉素	72 h	简便、重复性好	肾毒性强、肾脏广泛损伤、不符合临床，目前应用较少	[23]
缺血-再灌注 模型	大鼠	用微动脉瘤夹夹住肾动脉和静脉	缺血时间：30~45 min；再灌注时间：24~48 h	可较好模拟临床肾脏缺血再灌注损伤	需要进行手术，操作复杂；缺血/再灌注时间难以统一	[24]
UUO模型	大鼠	结扎左侧输尿管	1~2周	易建立、成功率高、重复性好	需要进行手术，操作复杂	[25]
残余肾模型	大鼠/ 小鼠	5/6肾切除	6周	可较好模拟人类肾脏损失后渐进的肾衰竭	需要进行手术，操作复杂；术后病死率高	[26]
脱水模型	大鼠/ 小鼠	禁水或禁水联合 注射速尿	48~72 h	可较好模拟临床慢性失水状况	仅脱水伤害小，常需要联合其他预处理	[28][29][30][31]
高血压模型	大鼠	注射血管紧张素II	6周	能较好模拟临床患者高血压背景	准备周期过长	[32]
糖尿病模型	大鼠	注射溶解在柠檬酸钠缓冲液中的STZ	8周	能较好模拟临床患者糖尿病背景	准备周期过长	[34][35]
基因敲除模型	小鼠	基因敲除小鼠联合肾收缩药物等其他预处理	24~48 h	能精确研究CI-AKI的相关基因	操作复杂、成本高且仍需联合其他预处理	[39][40][41][42]

UUO：单侧输尿管梗阻；STZ：链脲佐菌素；L-NAME：N-硝基-L精氨酸甲酯；CI-AKI：造影剂诱导的急性肾损伤。

3. 结 语

CI-AKI可演变为严重肾功能损害和不良心血管结局，严重情况下还可导致患者死亡^[43]。动物模型在CI-AKI的发生机制及防治研究中起到了关键作用。但由于人类CI-AKI的复杂性，目前通过上述方法所建立的CI-AKI动物模型并不能完全模拟人类临床疾病情况，仍迫切需要寻找新的方法建立简便稳定、可重复性高、能对临床各种情况进行模拟的CI-AKI动物模型，从而探讨研究不同情况下CI-AKI的具体发生机制及防治。

基金资助

国家自然科学基金(81560133，82060814)。

This work was supported by the Natural Science Foundation of China (81560133, 82060814).

利益冲突声明

作者声称无任何利益冲突。

作者贡献

邓可 文献查阅和整理，论文撰写和修改；裴明欣 文献收集；陈燕玲 论文写作指导及修改。所有作者阅读并同意最终的文本。

原文网址

http://xbyxb.csu.edu.cn/xbwk/fileup/PDF/202304594.pdf