［摘要］重金屬鎘（Cd）作為一種環(huán)境污染物，對(duì)人和動(dòng)物的健康有很大影響，是嚴(yán)重的環(huán)境醫(yī)學(xué)問題。Cd導(dǎo)致的骨質(zhì)疏松（OP）不僅會(huì)限制患者的日?；顒?dòng)，還會(huì)導(dǎo)致生活不能自理，甚至威脅生命。OP患者數(shù)量龐大，大多為老年人，基礎(chǔ)疾病以及影響因素多，研究單一因素所致OP有一定困難，如Cd誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松。因此制備理想化的Cd誘導(dǎo)的OP動(dòng)物模型至關(guān)重要。本文對(duì)Cd誘導(dǎo)的OP動(dòng)物的種類、模型制備方法、檢測(cè)指標(biāo)作一綜述，為以后制備Cd誘導(dǎo)的OP動(dòng)物模型及其治療藥物的研發(fā)提供參考。

［關(guān)鍵詞］鎘；骨質(zhì)疏松；動(dòng)物模型

doi：10.3969/j.issn.1674-7593.2023.06.024

ExploringProgressinAnimalModelsforInvestigatingCadmium-inducedOsteoporosis

ZhouYashuang，YuAoxue，CaoWenxuan，LiangJinling，LiPan，LengXiangyang，LiuJia**

ChangchunUniversityofChineseMedicine，Changchun130117

**Correspondingauthor：LiuJia，email：ccliujia1002@126.com

［Abstract］Theheavymetalcadmium（Cd）representsagraveenvironmentalpollutant，castingaformidableshadowoverbothhumanandanimalhealth，andposingasignificantchallengeinthefieldofenvironmentalmedicine.Cd-inducedosteoporosis（OP）standsasaparticularlypressingconcern，notonlyimpairingpatients'dailyactivitiesbutalsojeopardizingtheirself-sufficiencyand，inseverecases，theirverylives.ThevastnumbersofOPpatients，predominantlycomprisingelderlyindividualsbesetbyamultitudeofinfluencingfactorsandunderlyingmedicalconditions，makeitabundantlyclearthatOP，especiallythatstemmingfromasinglecausativefactorlikeCdexposure，warrantsmeticulousinvestigation.ThispaperendeavorstocomprehensivelycatalogthearrayofanimalmodelsemployedtosimulateCd-inducedOP，elucidatingthediversemethodologiesemployedformodelcreationandthepivotalassessmentindices.Bydoingso，itservesasavaluableresource，offeringcriticalinsightsintotheformulationofidealizedanimalmodelsforCd-inducedOPandfosteringadvancementsinthedevelopmentoftherapeuticinterventions.

［Keywords］Cadmium;Osteoporosis;Animalmodel

鎘（Cadmium，Cd）屬于重金屬類，因其良好的柔韌性和抗氧化性，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著重工業(yè)的迅速發(fā)展，Cd污染日益嚴(yán)重，主要通過食物鏈蓄積于機(jī)體內(nèi)部，并且不易分解，生物半衰期長(zhǎng)達(dá)10～30年［1］。因其有劇毒且嚴(yán)重污染環(huán)境，造成人和動(dòng)物組織器官毒性損傷［2］。Cd能夠直接或者間接導(dǎo)致骨質(zhì)疏松（Osteoporosis，OP），OP是一種骨吸收速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出骨形成速度，導(dǎo)致骨量降低、骨微結(jié)構(gòu)變化、骨折風(fēng)險(xiǎn)增高的全身性骨骼疾?。?］。老年人是主要發(fā)病人群，隨著社會(huì)老齡化程度的不斷加劇，未來10年內(nèi)OP患病率也將持續(xù)升高［4］。Cd誘導(dǎo)OP的發(fā)生發(fā)展機(jī)制十分復(fù)雜，因此借助于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物制備Cd誘導(dǎo)的OP動(dòng)物模型以間接研究OP至關(guān)重要，主要原因有：①通過實(shí)驗(yàn)倫理審查后正確對(duì)待動(dòng)物并且合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，符合國(guó)家實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理的法律、法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)定；②實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間容易控制，嚴(yán)格控制條件，排除各種影響因素，實(shí)驗(yàn)成功率高且重復(fù)性好；③簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，樣品采集全面，準(zhǔn)確復(fù)制更接近人類OP的Cd誘導(dǎo)的OP動(dòng)物模型，可更有效地研究OP的發(fā)生發(fā)展機(jī)制及防治措施。可制作OP模型的動(dòng)物種類繁多，制備方法多樣，選擇正確的、理想的Cd誘導(dǎo)的OP動(dòng)物模型可以盡可能地再現(xiàn)人類Cd誘導(dǎo)的OP的狀態(tài)，是開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵［5］。本文對(duì)Cd誘導(dǎo)的OP動(dòng)物類型、模型制備方法（給藥途徑、給藥劑量、造模持續(xù)時(shí)間）、檢測(cè)指標(biāo)等作一綜述，以期為后期制備Cd誘導(dǎo)的OP動(dòng)物模型，研究OP的機(jī)制及其藥物治療提供參考。

1常見的適用于制備Cd誘導(dǎo)的OP動(dòng)物及模型的優(yōu)缺點(diǎn)

1.1鼠

1.1.1大鼠大鼠是最常見的用于構(gòu)建疾病模型的動(dòng)物，作為Cd誘導(dǎo)的OP動(dòng)物模型的優(yōu)點(diǎn)有：①骨骼代謝、骨松質(zhì)重建和分布近似人類；②骨轉(zhuǎn)換率高，較快形成新的骨平衡；③骨量隨年齡增長(zhǎng)而降低；④生殖力強(qiáng)、產(chǎn)仔多、飼養(yǎng)成本投入少，具有良好的實(shí)驗(yàn)重復(fù)性。缺點(diǎn)有：①不易產(chǎn)生骨折脆性；②缺乏哈弗斯重建系統(tǒng)，骨重建存在差異性［5-6］；③藥代動(dòng)力學(xué)與人類不同［7］；④生活規(guī)律差異大，動(dòng)情周期短［8］；⑤體積小，采血以及取骨等操作有難度。

1.1.2小鼠小鼠與大鼠在很多方面十分相似，但特別的是小鼠的基因組信息已經(jīng)確定，遺傳穩(wěn)定，是研究基因?qū)P影響的常用動(dòng)物［9］。其優(yōu)點(diǎn)有：①骨丟失隨年齡增長(zhǎng)而增加，易發(fā)生骨脆性骨折；②研究基因及遺傳有優(yōu)勢(shì)；③分布范圍廣、生殖能力強(qiáng)、養(yǎng)殖成本低廉，具有很強(qiáng)的操作適應(yīng)性。其缺點(diǎn)有：①骨松質(zhì)近似人類骨骼，骨皮質(zhì)存在差異性；②品系繁多，不同品系之間骨丟失不同；③體積更小，采血以及取骨等實(shí)驗(yàn)操作困難。

1.2斑馬魚

脊椎動(dòng)物斑馬魚的基因與哺乳動(dòng)物的基因具有很大的相似性，而且同小鼠一樣，在基因編輯的基礎(chǔ)上對(duì)研究疾病發(fā)揮了很大的作用［10］。其優(yōu)點(diǎn)有：①骨骼發(fā)育近似人類骨骼；②飼養(yǎng)方便且養(yǎng)殖成本低；③造模時(shí)間較短，給藥方法較為簡(jiǎn)單，效率高；④可操作性強(qiáng)。缺點(diǎn)有：①缺乏哈弗斯重建系統(tǒng)；②造模及給藥方式缺乏多樣性；③胚胎體積小，檢測(cè)方法少，尚未建立完善的骨骼系統(tǒng)［11］；④采血方式單一，缺乏連續(xù)性。

1.3犬

優(yōu)點(diǎn)有：①皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨構(gòu)成、骨組織及骨代謝與人類近似；②具有完整且豐富的哈弗斯重建系統(tǒng)；③大型犬取骨方便，也可長(zhǎng)期多次進(jìn)行操作［12］；④性格溫順，壽命較長(zhǎng)，易于操作；⑤消化系統(tǒng)與人類相似，可口服給藥。缺點(diǎn)有：犬是季節(jié)性周期動(dòng)物，體內(nèi)激素水平十分穩(wěn)定，與人類有很大差異。

1.4兔

兔在研究醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用較為廣泛。優(yōu)點(diǎn)：①飼養(yǎng)方便且養(yǎng)殖成本低；②大小適中，壽命長(zhǎng)，生殖能力強(qiáng)，性成熟期長(zhǎng)；③具有高骨骼成熟度，擁有近似人類骨骼的十分活躍的哈弗斯重建能力［13］；④骨轉(zhuǎn)換速度快且骨質(zhì)流失顯著；⑤采血方便，可長(zhǎng)期觀察。缺點(diǎn)：①造模時(shí)間長(zhǎng)；②骨松質(zhì)中骨含量少，不易測(cè)量骨密度（Bonemineraldensity，BMD）。

1.5其他動(dòng)物

羊、豬和非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物也可以建立相應(yīng)的疾病模型。羊多用于治療疾病所致骨折以及修復(fù)等研究，其優(yōu)點(diǎn)有：①近似人類骨骼結(jié)構(gòu)；②具有哈弗斯重建系統(tǒng)；③體積大，易于進(jìn)行采血及取骨等操作；④性格溫順，養(yǎng)殖方便。缺點(diǎn)有：①造模時(shí)間長(zhǎng)；②BMD受環(huán)境影響大。豬主要研究藥物效果，臨床療效等，其優(yōu)點(diǎn)有：①骨骼發(fā)育、形態(tài)結(jié)構(gòu)、骨骼重建以及重建速率與人類骨骼近似；②大骨骼便于采血及取骨等操作。缺點(diǎn)有：①養(yǎng)殖成本略高；②活潑好動(dòng)，難以控制，導(dǎo)致造模困難。非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物具有與人類極其相似的骨骼系統(tǒng)，存在骨皮質(zhì)重建系統(tǒng)，但種類稀缺且價(jià)格高，養(yǎng)殖成本高，飼養(yǎng)條件要求更高。

2Cd誘導(dǎo)的OP動(dòng)物模型制備方法

日常Cd的吸收和富集方式主要是通過食物鏈（攝入被Cd污染的食物、水等）被人體吸收并進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，其次是通過呼吸道，逐漸富集在腎臟、肝臟和骨骼中，影響身體各系統(tǒng)的功能。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飲用含氯化鎘（CdCl2）的水和CdCl2溶液灌胃與人體吸收Cd途徑一致。皮下注射和腹腔注射CdCl2后，溶液在腹膜毛細(xì)血管區(qū)域擴(kuò)散或?yàn)V過進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，與人體吸收Cd途徑趨近一致。各種大小體型的動(dòng)物均可以通過自由飲用不同濃度（5～50mg/L）的含CdCl2的水，給藥周期也在4周～16個(gè)月，從而達(dá)到理想造模效果［14-15］。缺點(diǎn)是無法控制每只動(dòng)物的攝入量。灌胃的給藥劑量和周期也與自由飲水相似，優(yōu)點(diǎn)是容易控制攝入量，缺點(diǎn)是不適合體型偏大的動(dòng)物。對(duì)中小型動(dòng)物可以進(jìn)行皮下注射或腹腔注射，皮下注射濃度0.1～1.5mg/kg，造模時(shí)間4周～3個(gè)月［16-17］。優(yōu)點(diǎn)是可以迅速達(dá)到藥效，適用于不能或不宜口服的情況，缺點(diǎn)在于給藥劑量少，多次抽吸藥液工作量大等。腹腔注射藥物濃度相較皮下注射更大，多為0.5～3.5mg/kg，造模周期4～18周［18-20］。優(yōu)點(diǎn)是腹膜吸收面積大且直接入血，速度快且吸收能力強(qiáng)，缺點(diǎn)在于大型動(dòng)物不易控制。飼喂純化飼糧和卵黃囊接種等其他方法也很有效，飼喂含0.25～50mg/kgCdCl2純化飼糧，持續(xù)18個(gè)月即可，鴨胚胎的卵黃囊接種1μMCdCl2溶液，待鴨胚去殼后即可［21-22］。

3Cd誘導(dǎo)的OP造模成功的檢測(cè)指標(biāo)

3.1骨相關(guān)參數(shù)檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的后肢骨和腰椎骨是于分析骨組織的部位，常用的檢測(cè)OP造模是否成功的指標(biāo)有骨表面積（Bonesurface，BS）、骨體積（Bonevolume，BV）、骨體積分?jǐn)?shù)（Bonevolume/Trabecularvolume，BV/TV）、骨表面積和組織體積的比值（Bonesurface/Trabecularvolume，BS/TV）、骨表面積和骨體積的比值（Bonesurface/Bonevolume，BS/BV）、骨小梁數(shù)量（Trabecularnumber，Tb.N）、骨小梁厚度（Trabecularthickness，Tb.Th）、骨小梁分離度（Trabecularseparation，Tb.Sp）、骨小梁模式因子（Trabecularbonepatternfactor，TBPf）、結(jié)構(gòu)模型指數(shù)（Structuremodelindex，SMI）、骨連接密度（Connectivitydensity，Conn.D.）、BMD、骨礦物質(zhì)含量（Bonemineralcontent，BMC）、骨各向異性（Degreeofanisotropy，DA）、骨髓腔面積和骨吸收陷窩等，其中BV/TV、Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp和BMD是關(guān)鍵指標(biāo)。模型成功后，骨小梁細(xì)而稀疏，BV/TV、Tb.N、Tb.Th和BMD降低，Tb.Sp增大［14］。骨骼重量、強(qiáng)度、位移、剛度、能量、極限應(yīng)力、極限應(yīng)變和韌性均降低但不顯著，膠原纖維的染色強(qiáng)度、生物力學(xué)指標(biāo)顯著降低，連接點(diǎn)明顯減少，骨骼中Cd濃度顯著增加，膠原纖維染色為紅色表明膠原纖維的結(jié)構(gòu)可能受損［18］。

3.2骨形態(tài)學(xué)及病理學(xué)檢測(cè)

造模成功后，骨形態(tài)學(xué)和病理學(xué)檢測(cè)可見：骨髓中含有大量造血細(xì)胞和更多的多核巨細(xì)胞，成骨細(xì)胞數(shù)量顯著減少，破骨細(xì)胞數(shù)量顯著增加，大量成骨細(xì)胞已被軟骨組織所取代，無骨小梁結(jié)構(gòu)，骨組織結(jié)構(gòu)被破壞［14］。骨組織受到損傷后，骨骼重量顯著降低，脛骨、頸椎和股骨組織出現(xiàn)壞死和嚴(yán)重肥大的骨細(xì)胞［23］。大量脂肪細(xì)胞出現(xiàn)取代骨細(xì)胞［22］。脛骨重量、長(zhǎng)度、形態(tài)計(jì)量學(xué)雖無明顯差異，但軟骨下骨體積減小，脛骨中黃色骨髓百分比增加［15］。

3.3骨相關(guān)蛋白檢測(cè)

與成骨有關(guān)的蛋白有Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runt-relatedtranscriptionfactor2，RUNX2）、骨保護(hù)素（Osteoprotegerin，OPG）、骨鈣素（Osteocalcin/Bonegla-protein，OCN/BGP）、骨橋蛋白（Osteopontin，OPN）等。造模成功后，OPG、OPN、OCN、RUNX2表達(dá)顯著降低［19］。

與破骨有關(guān)的蛋白有核因子κB受體活化因子（Receptoractivatorofnuclearfactor-kappaB，RANK）、核因子κB受體活化因子配體（Receptoractivatorofnuclearfactor-kappaBligand，RANKL）、抗酒石酸酸性磷酸酶（Tartrateresistantacidphosphatase，TRAP）、基質(zhì)金屬蛋白酶（Matrixmetalloproteinases，MMPs）、降鈣素受體（Calcitoninreceptor，CTR）、玻連蛋白受體（Vitronectinreceptor，VR）、組織蛋白酶K（CathepsinK，CK）、Ⅱ型碳酸酐酶（CarbonicanhydraseⅡ，CAⅡ）［24］。造模成功后，RANK、RANKL、MMP-9、CAⅡ、CK、TRAP等蛋白表達(dá)量呈劑量依賴性顯著升高［15］。TRAP陽性破骨細(xì)胞的數(shù)量、大小、骨吸收面積增加，破骨細(xì)胞黏附結(jié)構(gòu)（足小體）帶非常明顯，增加了晚期破骨細(xì)胞分化和黏附功能，從而增加了骨吸收活性［14］。

4小結(jié)

綜上所述，制備正確、理想化、有效的Cd誘導(dǎo)的OP動(dòng)物模型，準(zhǔn)確再現(xiàn)人類OP模型對(duì)研究Cd誘導(dǎo)的OP至關(guān)重要?？梢杂糜谠炷５膭?dòng)物有鼠、斑馬魚、犬、兔等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。與此同時(shí)，模型制備方法可選擇性也比較多，如自由飲水、灌胃、腹腔注射、皮下注射。同時(shí)，驗(yàn)證模型是否成功的方法選擇也比較多，如通過檢測(cè)骨相關(guān)參數(shù)來判斷，其中BV/TV、Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp和BMD是關(guān)鍵指標(biāo)，還可以通過檢測(cè)骨形態(tài)學(xué)及病理學(xué)來判斷，其中成骨細(xì)胞減少以及破骨細(xì)胞增加是關(guān)鍵指標(biāo)，或者通過檢測(cè)骨相關(guān)蛋白來判斷，其中OPG、OPN、OCN、RUNX2等成骨相關(guān)蛋白，RANKL、MMP-9、CAII、CK、TRAP等破骨相關(guān)蛋白是關(guān)鍵指標(biāo)。

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（2023-04-07收稿）