近年來急性腎損傷（acute kidney injury, AKI）發病率迅速上升，其發病原因復雜多樣，目前缺乏有效治療策略。可靠穩定的動物模型及體外模型在 AKI 發生發展及防治研究中具有重要作用。該文從腎前性、腎性以及腎后性 3 個層面，聚焦嚙齒類動物模型及細胞模型，對缺血、腎毒性藥物以及尿路梗阻引發的 AKI 模型進行了綜述。
引用本文： 陳娟, 易香伶, 羅佳, 陳客宏, 陳佳, 何婭妮. 急性腎損傷動物模型及體外模型研究進展. 華西醫學, 2023, 38(5): 777-783. doi: 10.7507/1002-0179.202210185 復制
急性腎損傷（acute kidney injury, AKI）又稱急性腎功能衰竭，是一種由各種病因引起腎功能急速下降的非特異性臨床綜合征[1]。全球 AKI 的發病率和死亡率都很高，而且在逐年增加[2]。嚴重或反復發作的 AKI 會導致慢性腎臟病甚至尿毒癥的發生[3]。AKI 的誘因較多，腎前性 AKI 是腎臟血流灌注不足所致的腎損傷；腎性 AKI 主要由藥物引起，如腫瘤化療藥物、氨基糖苷類抗生素、中草藥等；腎后性 AKI 多由尿路梗阻導致。動物及細胞模型已被廣泛用于揭示 AKI 損傷機制及防治研究。考慮到可操作性、經濟性以及與人類 AKI 相似度等因素，嚙齒類模型（小鼠/大鼠）是最受歡迎的研究腎損傷的動物模型[4-5]。常用的體外模型主要有原代細胞、細胞系、腎臟類器官以及腎臟芯片[6]。本綜述從病理生理學的角度出發，旨在對目前常用的 AKI 模型進行比較，以期為構建真實可靠的 AKI 模型提供依據。
1 腎前性 AKI
1.1 體內模型
腎缺血再灌注損傷（renal ischemia-reperfusion injury, RIRI）模型是最常用的腎前性 AKI 模型，是指在缺血基礎上恢復血流后組織損傷加重而造成的腎功能損害[7]。RIRI 分為熱缺血和冷缺血[8]，其中冷缺血并不常見，本文主要描述熱缺血。目前常用的缺血再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury, IRI）模型有雙側 IRI（bilateral IRI, BIRI）、單側 IRI（unilateral IRI, UIRI）和對側腎切除的 UIRI（UIRI with contralateral nephrectomy, uIRIx）。BIRI 具有操作簡便、快速的優點，但容易引起腎臟淤血缺血，導致機體血壓大幅度波動，并發高血壓等病癥；UIRI 可以延長觀察時間，但鑒于對側腎臟的代償性功能，腎損傷的指標難以檢測。
根據各個實驗室條件的不同，實驗步驟會有些差異，有文獻詳細報道過 IRI 的實驗步驟[9-10]。缺血以及恢復工作完成后，腎臟顏色變回紅色表示建模成功。
IRI 模型構建受到多方面因素的影響。缺血及再灌注的時長會決定 RIRI 的嚴重程度（輕度/中度/重度）。影響 IRI 嚴重程度的因素還包括實驗動物的遺傳背景、性別、年齡、體重等，有研究表明 IRI-AKI 對不同性別物種造成的差異取決于腎交感神經系統[11]，雌性激素在 RIRI 中起保護作用[12]。除此之外，麻醉劑的選擇、缺血頻率[13]也會影響 IRI 的嚴重程度。表1 是不同條件下 RIRI 模型的構建及其腎損傷表現[3, 7, 13-18]。雙/單側腎蒂夾閉法操作簡單，是腎前性 AKI 最常用的建模方式。不同條件下 RIRI 的腎損傷表現不同，具體實驗需根據實驗目的來進行。
表1
不同條件下的 RIRI 模型及其腎損傷表現
1.2 體外模型
腎血流量減少最終會導致器官供氧減少（腎缺氧）。體外模型可以直觀地觀察藥效及其作用靶點，可以排除體內模型中體液等因素的影響。缺氧/復氧（hypoxia/reoxygenation, H/R）模型是體外從細胞水平研究 RIRI 的理想模型。H/R 模型主要通過特定裝置造成細胞缺氧一段時間，再復氧培養。可對此過程中的細胞數量/折光性/細胞貼壁率、細胞存活率/細胞凋亡率/增殖能力、能量代謝、氧化應激水平等進行檢測。H/R 模型常用的細胞類型主要有：① 原代細胞[6, 19-20]；② 細胞系[6]。在細胞種類的選擇上，近端腎小管上皮細胞的應用最為廣泛，如腎小管上皮細胞、細胞系（RPTEC/hTERT、HK-2、Nki-2 和 CIHP-1）等。此外，實驗者在整個實驗過程中必須操作規范，避免細胞污染。H/R 模型中，缺氧和復氧的時長是最大的影響因素。我們需要通過預實驗設定不同的缺氧及復氧時間，損傷效果最明顯的即為最佳實驗點。表2 是不同條件的 H/R 模型[21-26]，可見不同的缺氧和復氧時間對細胞造成的損傷不同，應根據細胞類型以及測量指標決定時長；H/R 模型中 HK-2 細胞常用的缺氧時長為 6、12、24 h，復氧時長為 6、12 h。
表2
不同條件下的 H/R 模型及細胞損傷特征
2 腎性 AKI
腎臟具有從血液中過濾物質、代謝毒素和藥物的特殊作用，加上腎小管上皮的高代謝活性，使腎臟特別容易受到藥物誘導的損傷，從而導致腎臟功能和結構的改變[27]。藥物性腎毒性是 AKI 的主要因素[28-29]。藥物模型是研究急慢性腎損傷的常用方法，目前臨床上使用較為普遍的藥物主要包括氨基糖苷類抗生素（慶大霉素）[30]、三環糖肽類抗生素（萬古霉素）[31-32]、中草藥（馬兜鈴酸）[33]、腫瘤化療藥物（順鉑）[34]、維生素（葉酸）[35]等。這些藥物在臨床上多會引起急性腎小管壞死[33]、急性腎小管間質性腎炎[32]。
現有藥物模型暴露出來的問題有：① 細胞實驗中藥物劑量過高，小鼠死亡率高，僅能反映嚴重的 AKI；② 實驗小鼠一般為健康老鼠，不能反映患者的真實情況。
2.1 體內模型
藥物體內模型可以在一定程度上反映藥物在人體內的藥物動力學。實驗步驟及注意事項：建模前通過大量預實驗從多方面進行考量，包括注射劑量、頻率、次數、方式等，并對腎損傷結果（小鼠死亡率、腎功能）進行評估，從而確定合適的實驗方案。
藥物模型受到眾多因素的影響。藥物引起的腎損傷具有劑量-時間依賴效應，可能還會受到與其他藥物相互作用的影響；除此之外，還與臨床狀況（慢性疾病）、性別、體重、年齡等因素有關[36]。女性比男性對藥物更敏感[37-38]。激素（雌二醇）可能是性別影響 AKI 的原因[39]。注射方式引起的藥物腎毒性效應也不同[40]。表3 是不同條件下各藥物模型的腎損傷表現[30, 41-52]，可見，在腎性 AKI 模型中，順鉑是目前使用最為廣泛的藥物；分批給藥造成的腎損傷小于一次性給藥造成的腎損傷；藥物處理后，各測量指標出現的峰值和表達趨勢不一致，不同藥物的監測時間也不同，這與各種藥物在體內的藥物動力學相關。
表3
不同條件下各藥物模型的腎損傷表現
2.2 體外模型
近端腎小管上皮細胞最易發生藥物性腎損傷，隨著生物技術的不斷發展，除了常規使用的二維細胞模型，腎臟類器官和腎臟芯片等三維模型逐漸興起。由人類多能干細胞衍生而來的腎臟類器官，可以模擬研究發育過程和模擬致病途徑，其最大的優勢在于人源性、近生理性，可以在器官水平上解決傳統模型存在的問題[53]；腎臟芯片可在體外模擬人體不同組織器官的主要結構和功能特征，從而預測人體對藥物或外界不同刺激產生的反應[54-55]。此外，體外二維模型具有缺乏生理結構、不具備體內特征等缺陷，腎臟芯片可以改善這一問題，而且模擬效果與體內觀察結果較為相似[54]。
體外模型主要受到藥物類型、濃度、處理時長、細胞類型的影響。不同細胞類型的耐藥力也不同。表4 為不同藥物類型的體外模型及腎毒性影響[45, 47, 51, 54, 56-60]，可見，在藥物誘導的 AKI 體外模型中，細胞類型上多選擇 HK-2，各個藥物處理時長多為 24 h；細胞毒性的評價指標主要包括細胞活力、細胞數量、細胞凋亡、腎毒性損傷標志、線粒體功能等。
表4
不同類型藥物的體外模型
3 腎后性 AKI
單側輸尿管梗阻（unilateral ureteral obstruction, UUO）是研究腎后性 AKI 最常見的模型，具體指結扎單側輸尿管引起腎臟引流系統的堵塞[61]。UUO 模型具有制作簡單、可重復性強等優點，可以模擬急性、可逆性腎損傷演變為慢性、不可逆腎損傷的病理機制[61]，多被用來研究腎纖維化。
UUO 的具體實驗步驟[15]與 IRI 相似，需要在無菌條件下進行。UUO 也受到遺傳背景、性別、體重等因素的影響。因小鼠體型較小，不容易操作，UUO 模型多選擇大鼠進行建模。表5 是不同條件下 UUO 模型及其腎毒性表現[28, 62-65]，可見 UUO 模型在處理方式上多采用“左側輸尿管結扎，結扎點間被切斷”的方式；UUO 引起的炎癥、氧化應激、腎間質纖維化較為明顯。
表5
不同條件下的 UUO 模型及其腎毒性表現
4 結語
可靠穩定的 AKI 模型對研究 AKI 發生機制及臨床防治具有重要的指導意義，AKI 動物及細胞模型的建立需要與臨床緊密結合。本文從腎前性、腎性、腎后性分別對 AKI 動物及細胞模型進行了詳細綜述，IRI 模型和 UUO 模型可模擬臨床 AKI 患者疾病進程，具有操作簡單、可重復性高等優勢，但易受操作流程、環境等因素影響；腎性 AKI 模型可以模擬臨床上藥物誘導的 AKI，建模速度快，可行性高，但在體內的藥物動力學更為復雜，在實驗過程中的不可控性較大。腎臟類器官和腎臟芯片可對腎單位結構和功能進行模擬，以及在此基礎上的腎臟疾病病理微環境模擬和疾病機制的研究。腎臟芯片可快速評估候選新藥的潛在腎毒性，所以在一定程度上可以降低成本，避免動物實驗，具有廣闊的應用前景。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
急性腎損傷（acute kidney injury, AKI）又稱急性腎功能衰竭，是一種由各種病因引起腎功能急速下降的非特異性臨床綜合征[1]。全球 AKI 的發病率和死亡率都很高，而且在逐年增加[2]。嚴重或反復發作的 AKI 會導致慢性腎臟病甚至尿毒癥的發生[3]。AKI 的誘因較多，腎前性 AKI 是腎臟血流灌注不足所致的腎損傷；腎性 AKI 主要由藥物引起，如腫瘤化療藥物、氨基糖苷類抗生素、中草藥等；腎后性 AKI 多由尿路梗阻導致。動物及細胞模型已被廣泛用于揭示 AKI 損傷機制及防治研究。考慮到可操作性、經濟性以及與人類 AKI 相似度等因素，嚙齒類模型（小鼠/大鼠）是最受歡迎的研究腎損傷的動物模型[4-5]。常用的體外模型主要有原代細胞、細胞系、腎臟類器官以及腎臟芯片[6]。本綜述從病理生理學的角度出發，旨在對目前常用的 AKI 模型進行比較，以期為構建真實可靠的 AKI 模型提供依據。
1 腎前性 AKI
1.1 體內模型
腎缺血再灌注損傷（renal ischemia-reperfusion injury, RIRI）模型是最常用的腎前性 AKI 模型，是指在缺血基礎上恢復血流后組織損傷加重而造成的腎功能損害[7]。RIRI 分為熱缺血和冷缺血[8]，其中冷缺血并不常見，本文主要描述熱缺血。目前常用的缺血再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury, IRI）模型有雙側 IRI（bilateral IRI, BIRI）、單側 IRI（unilateral IRI, UIRI）和對側腎切除的 UIRI（UIRI with contralateral nephrectomy, uIRIx）。BIRI 具有操作簡便、快速的優點，但容易引起腎臟淤血缺血，導致機體血壓大幅度波動，并發高血壓等病癥；UIRI 可以延長觀察時間，但鑒于對側腎臟的代償性功能，腎損傷的指標難以檢測。
根據各個實驗室條件的不同，實驗步驟會有些差異，有文獻詳細報道過 IRI 的實驗步驟[9-10]。缺血以及恢復工作完成后，腎臟顏色變回紅色表示建模成功。
IRI 模型構建受到多方面因素的影響。缺血及再灌注的時長會決定 RIRI 的嚴重程度（輕度/中度/重度）。影響 IRI 嚴重程度的因素還包括實驗動物的遺傳背景、性別、年齡、體重等，有研究表明 IRI-AKI 對不同性別物種造成的差異取決于腎交感神經系統[11]，雌性激素在 RIRI 中起保護作用[12]。除此之外，麻醉劑的選擇、缺血頻率[13]也會影響 IRI 的嚴重程度。表1 是不同條件下 RIRI 模型的構建及其腎損傷表現[3, 7, 13-18]。雙/單側腎蒂夾閉法操作簡單，是腎前性 AKI 最常用的建模方式。不同條件下 RIRI 的腎損傷表現不同，具體實驗需根據實驗目的來進行。
表1
不同條件下的 RIRI 模型及其腎損傷表現
1.2 體外模型
腎血流量減少最終會導致器官供氧減少（腎缺氧）。體外模型可以直觀地觀察藥效及其作用靶點，可以排除體內模型中體液等因素的影響。缺氧/復氧（hypoxia/reoxygenation, H/R）模型是體外從細胞水平研究 RIRI 的理想模型。H/R 模型主要通過特定裝置造成細胞缺氧一段時間，再復氧培養。可對此過程中的細胞數量/折光性/細胞貼壁率、細胞存活率/細胞凋亡率/增殖能力、能量代謝、氧化應激水平等進行檢測。H/R 模型常用的細胞類型主要有：① 原代細胞[6, 19-20]；② 細胞系[6]。在細胞種類的選擇上，近端腎小管上皮細胞的應用最為廣泛，如腎小管上皮細胞、細胞系（RPTEC/hTERT、HK-2、Nki-2 和 CIHP-1）等。此外，實驗者在整個實驗過程中必須操作規范，避免細胞污染。H/R 模型中，缺氧和復氧的時長是最大的影響因素。我們需要通過預實驗設定不同的缺氧及復氧時間，損傷效果最明顯的即為最佳實驗點。表2 是不同條件的 H/R 模型[21-26]，可見不同的缺氧和復氧時間對細胞造成的損傷不同，應根據細胞類型以及測量指標決定時長；H/R 模型中 HK-2 細胞常用的缺氧時長為 6、12、24 h，復氧時長為 6、12 h。
表2
不同條件下的 H/R 模型及細胞損傷特征
2 腎性 AKI
腎臟具有從血液中過濾物質、代謝毒素和藥物的特殊作用，加上腎小管上皮的高代謝活性，使腎臟特別容易受到藥物誘導的損傷，從而導致腎臟功能和結構的改變[27]。藥物性腎毒性是 AKI 的主要因素[28-29]。藥物模型是研究急慢性腎損傷的常用方法，目前臨床上使用較為普遍的藥物主要包括氨基糖苷類抗生素（慶大霉素）[30]、三環糖肽類抗生素（萬古霉素）[31-32]、中草藥（馬兜鈴酸）[33]、腫瘤化療藥物（順鉑）[34]、維生素（葉酸）[35]等。這些藥物在臨床上多會引起急性腎小管壞死[33]、急性腎小管間質性腎炎[32]。
現有藥物模型暴露出來的問題有：① 細胞實驗中藥物劑量過高，小鼠死亡率高，僅能反映嚴重的 AKI；② 實驗小鼠一般為健康老鼠，不能反映患者的真實情況。
2.1 體內模型
藥物體內模型可以在一定程度上反映藥物在人體內的藥物動力學。實驗步驟及注意事項：建模前通過大量預實驗從多方面進行考量，包括注射劑量、頻率、次數、方式等，并對腎損傷結果（小鼠死亡率、腎功能）進行評估，從而確定合適的實驗方案。
藥物模型受到眾多因素的影響。藥物引起的腎損傷具有劑量-時間依賴效應，可能還會受到與其他藥物相互作用的影響；除此之外，還與臨床狀況（慢性疾病）、性別、體重、年齡等因素有關[36]。女性比男性對藥物更敏感[37-38]。激素（雌二醇）可能是性別影響 AKI 的原因[39]。注射方式引起的藥物腎毒性效應也不同[40]。表3 是不同條件下各藥物模型的腎損傷表現[30, 41-52]，可見，在腎性 AKI 模型中，順鉑是目前使用最為廣泛的藥物；分批給藥造成的腎損傷小于一次性給藥造成的腎損傷；藥物處理后，各測量指標出現的峰值和表達趨勢不一致，不同藥物的監測時間也不同，這與各種藥物在體內的藥物動力學相關。
表3
不同條件下各藥物模型的腎損傷表現
2.2 體外模型
近端腎小管上皮細胞最易發生藥物性腎損傷，隨著生物技術的不斷發展，除了常規使用的二維細胞模型，腎臟類器官和腎臟芯片等三維模型逐漸興起。由人類多能干細胞衍生而來的腎臟類器官，可以模擬研究發育過程和模擬致病途徑，其最大的優勢在于人源性、近生理性，可以在器官水平上解決傳統模型存在的問題[53]；腎臟芯片可在體外模擬人體不同組織器官的主要結構和功能特征，從而預測人體對藥物或外界不同刺激產生的反應[54-55]。此外，體外二維模型具有缺乏生理結構、不具備體內特征等缺陷，腎臟芯片可以改善這一問題，而且模擬效果與體內觀察結果較為相似[54]。
體外模型主要受到藥物類型、濃度、處理時長、細胞類型的影響。不同細胞類型的耐藥力也不同。表4 為不同藥物類型的體外模型及腎毒性影響[45, 47, 51, 54, 56-60]，可見，在藥物誘導的 AKI 體外模型中，細胞類型上多選擇 HK-2，各個藥物處理時長多為 24 h；細胞毒性的評價指標主要包括細胞活力、細胞數量、細胞凋亡、腎毒性損傷標志、線粒體功能等。
表4
不同類型藥物的體外模型
3 腎后性 AKI
單側輸尿管梗阻（unilateral ureteral obstruction, UUO）是研究腎后性 AKI 最常見的模型，具體指結扎單側輸尿管引起腎臟引流系統的堵塞[61]。UUO 模型具有制作簡單、可重復性強等優點，可以模擬急性、可逆性腎損傷演變為慢性、不可逆腎損傷的病理機制[61]，多被用來研究腎纖維化。
UUO 的具體實驗步驟[15]與 IRI 相似，需要在無菌條件下進行。UUO 也受到遺傳背景、性別、體重等因素的影響。因小鼠體型較小，不容易操作，UUO 模型多選擇大鼠進行建模。表5 是不同條件下 UUO 模型及其腎毒性表現[28, 62-65]，可見 UUO 模型在處理方式上多采用“左側輸尿管結扎，結扎點間被切斷”的方式；UUO 引起的炎癥、氧化應激、腎間質纖維化較為明顯。
表5
不同條件下的 UUO 模型及其腎毒性表現
4 結語
可靠穩定的 AKI 模型對研究 AKI 發生機制及臨床防治具有重要的指導意義，AKI 動物及細胞模型的建立需要與臨床緊密結合。本文從腎前性、腎性、腎后性分別對 AKI 動物及細胞模型進行了詳細綜述，IRI 模型和 UUO 模型可模擬臨床 AKI 患者疾病進程，具有操作簡單、可重復性高等優勢，但易受操作流程、環境等因素影響；腎性 AKI 模型可以模擬臨床上藥物誘導的 AKI，建模速度快，可行性高，但在體內的藥物動力學更為復雜，在實驗過程中的不可控性較大。腎臟類器官和腎臟芯片可對腎單位結構和功能進行模擬，以及在此基礎上的腎臟疾病病理微環境模擬和疾病機制的研究。腎臟芯片可快速評估候選新藥的潛在腎毒性，所以在一定程度上可以降低成本，避免動物實驗，具有廣闊的應用前景。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
