综述：哮喘的生理学与免疫学方面：豚鼠（Cavia porcellus）作为过敏性哮喘模型

本综述系统阐述了以豚鼠（Cavia porcellus）为模型研究过敏性哮喘（Th2细胞介导）的优越性。文章详细描述了模型构建的免疫学（如IgE、IL-4、IL-5、IL-13等Th2细胞因子）与生理学（气道高反应性AHR、支气管收缩、气道重塑）基础，并比较了其相较于小鼠模型在模拟人类哮喘病理（如晚期支气管收缩反应、平滑肌生理及受体同源性）方面的独特优势，为深入研究疾病机制及药物评估提供了可靠平台。

　　

Background

哮喘是一种复杂的慢性异质性气道疾病，以气流受限和一系列呼吸道症状为特征。全球范围内，其患病率和死亡率居高不下，其中过敏性哮喘是最常见的表型，由Th2淋巴细胞介导的免疫炎症反应驱动。由于在人体中进行研究的伦理限制，开发动物模型成为了研究该疾病病理生理学的重要替代方案。在众多选择中，豚鼠（Cavia porcellus）因其在炎症、药理学和生理学反应上与人类气道极为相似，已成为最常用的物种之一。

The guinea pig (Cavia porcellus) as a model of allergic asthma

现有的过敏性哮喘动物模型旨在模拟疾病的不同特征，包括Th2炎症、气道阻塞、AHR以及气道重塑。尽管啮齿动物因其成本低和易于操作而成为主流选择，但小鼠模型存在一些生理局限性，例如缺乏晚期支气管收缩反应和对过敏原的慢性反应。相比之下，豚鼠模型在这些方面表现出显著优势。

豚鼠的呼吸道解剖结构与人类更为相似，其假复层上皮、直接神经支配、丰富的杯状细胞以及气道平滑肌的自主神经支配，都为其在研究中的应用提供了坚实基础。更重要的是，豚鼠气道平滑肌的生理学和受体表达与人类高度同源，其对收缩和舒张激动剂的反应在效力和效能上几乎与人类相同。在炎症反应方面，豚鼠能产生与人类相似的关键炎症介质，如IgE、IL-4、IL-5、IL-13、TNF-α等，并表现出嗜酸性粒细胞、中性粒细胞和肥大细胞的肺部浸润。此外，豚鼠模型还能很好地模拟半胱氨酰白三烯（CysLT）、血小板活化因子（PAF）和嗜酸细胞活化趋化因子等次级介质的产生，这些过程与人类观察到的过程类似。

Allergic sensitization

致敏是模型构建的初始步骤，涉及豚鼠首次暴露于过敏原（通常为卵清蛋白OVA，辅以氢氧化铝Al(OH)₃作为佐剂），以皮下或腹腔注射方式给药。此过程触发了Th2介导的过敏性炎症反应和抗原特异性IgE抗体的产生。

从免疫学角度看，树突状细胞（DCs）捕获并处理过敏原OVA后，迁移至淋巴结，通过其表面的MHC-II受体与初始Th0淋巴细胞上的TCR受体相互作用，将抗原呈递给Th0细胞。在共刺激分子（如CD40/CD40L、CD80/CD28）和微环境中IL-4增加的驱动下，Th0细胞分化为滤泡辅助T细胞（Tfh）和Th2细胞。随后，Tfh细胞促进B淋巴细胞分化为浆细胞，后者合成针对OVA的特异性抗体，主要是IgE，以及IgG1（在豚鼠中）。循环IgE与其高亲和力受体FcεRI结合，该受体位于肥大细胞和嗜碱性粒细胞膜上。IgE在这些细胞表面的固定过程称为“致敏”，标志着对抗原过敏反应的开始。

Antigen reinforcement

抗原强化是模型的第二阶段，豚鼠通过雾化方式再次暴露于致敏过敏原。此阶段的具体免疫过程尚不完全清楚，但它对于后续反应的连续性至关重要。研究表明，仅接受抗原强化的豚鼠在再次暴露于OVA后，并未表现出AHR水平和支气管收缩的显著变化。然而，在抗原强化之后再进行OVA雾化暴露，则可观察到支气管收缩反应、AHR以及支气管肺泡灌洗液（BAL）中炎症细胞的增加。这一阶段的目的是通过吸入过敏原直接将系统性的炎症反应引导至气道，让先前致敏的炎症细胞定居在气道上皮和平滑肌附近，为后续抗原攻击中的激活做好准备。

Antigenic challenges

抗原攻击模拟了人类过敏性哮喘患者在暴露于特定过敏原后的病情加剧。在此过程中，评估豚鼠再次暴露于OVA后产生的支气管阻塞反应。为防止可能致命的过敏反应，许多研究会在抗原再次暴露前使用H1-组胺受体拮抗剂（如美吡拉敏、氯苯那敏、苯海拉明）或地塞米松进行预处理。然而，不使用抗组胺药可以更精确地记录肺功能测试中对OVA的最大反应，避免了与过敏反应无关的外部因素的干扰，从而拓宽了实验模型的范围，便于评估炎症介质在免疫反应加剧、平滑肌收缩和气道重塑中的作用。

Pulmonary function tests in rodents

肺功能测试技术分为有创和无创两类。有创测试需要麻醉和外科手术（如气管造口术、气管内插管），可直接测量胸膜压、肺阻力及通过 pneumotachograph 评估呼吸流量来获取肺动力学参数，精度高，但麻醉剂可能干扰哮喘的相关信号机制（如黄嘌呤衍生物诱导肌肉松弛），且控制“自然”条件限制了动物表现出有意识的“正常”行为，可能影响与哮喘相关的生物反应。无创测试则通常在不使用麻醉的情况下，通过专门的体积描记法或气压描记法舱室进行，其中气压描记法最为常用。尽管其数据精度可能因动物的自发行为或应激反应而降低，但通过在评估阻塞反应前使动物适应描记舱室，以及设备中特定算法的开发，已能有效减少与此类反应相关的假阳性。

Antigen challenge response

在致敏豚鼠中，抗原攻击期间再次暴露于过敏原会引发双相免疫反应，包括速发相和迟发相。反应的强度取决于所给过敏原的剂量，低剂量通常诱导速发反应，而高剂量则倾向于引发迟发反应。

速发过敏反应的主要特征是气道阻塞，在抗原暴露后几分钟内发生。雾化OVA攻击会激活肥大细胞和嗜碱性粒细胞，导致其释放多种介质颗粒，包括组胺（强有力的气道平滑肌收缩刺激物）、类二十烷酸、PAF、类胰蛋白酶和糜酶等酶类以及多种细胞因子。这些介质通过多种方式作用于气道平滑肌和白细胞，共同导致血管通透性增加、炎症细胞（主要是嗜酸性粒细胞）的募集以及杯状细胞黏液分泌增加，从而增强支气管收缩。

在过敏原暴露数小时后，迟发相反应开始显现。此阶段会产生脂质介质，如CysLT、血栓素A₂（TxA₂）、PAF和前列腺素D₂（PGD₂）。PGD₂和TxA₂对气道平滑肌收缩有直接作用，PGD₂是强效支气管收缩剂，而TxA₂的作用则更为多变。这些介质的效应是协同的，例如PGD₂和CysLT诱导气道平滑肌 prolonged contraction，而TxA₂和PAF则促进炎症细胞（尤其是嗜酸性粒细胞）的浸润。

在经历多次抗原攻击的豚鼠模型中，除了上述介质，促炎细胞因子（如IL-1、IL-5、干扰素γ（IFN-γ）、TNF-α和嗜酸细胞活化趋化因子）的释放也会增加，这些都与气道组织损伤的加剧密切相关。迟发相中炎症成分的循环和持续释放促进了中性粒细胞和肥大细胞在气道中的浸润增强，使得在豚鼠哮喘模型中能够观察到慢性哮喘的若干特征。

Levels of chronicity

根据豚鼠暴露于抗原攻击的次数，可识别出急性和慢性两种不同的慢性化水平。急性模型通常在约20至35天的实验期内进行三次抗原攻击，而慢性模型则持续约125天，期间动物总共接受12次抗原攻击。

急性过敏性哮喘模型便于研究过敏炎症，包括Th2淋巴细胞激活机制、其动态反应以及疾病急性期释放的炎症细胞和介质。此外，该模型还有助于研究抗原暴露后气道平滑肌支气管收缩的生理学以及AHR。慢性哮喘模型则以反复的抗原攻击和迟发相炎症事件的持续存在为特征，是研究疾病进展的宝贵工具。该模型允许全面分析炎症、气道平滑肌收缩和AHR，并评估组织损伤和气道重塑过程。在该模型中观察到的最显著结构改变包括杯状细胞增生、上皮损伤以及细胞外基质蛋白（包括I型胶原和上皮下层粘连蛋白）的积累。这些组织修改共同使慢性模型成为药效评估的重要工具，它能更准确地模拟哮喘的长期进展。

Evaluation of airway hyperreactivity in allergic asthma guinea pig model

AHR的评估是豚鼠哮喘模型中测量的最终特征。气道反应性指的是气道在暴露于收缩刺激（收缩激动剂）时正常收缩的能力，而高反应性则是指这种收缩能力的增强。

在豚鼠中，AHR的研究通过基于对收缩激动剂（如乙酰胆碱、甲胆碱或组胺）的反应进行的气道反应性测试来完成。组胺在豚鼠AHR中的作用机制与人类相似，通过组胺H1受体信号通路发生，该通路激活磷脂酶C（PLC）通路，导致1,4,5-三磷酸肌醇（IP₃）和1,2-二酰基甘油（DAG）的产生，从而引发气道平滑肌收缩。同样，乙酰胆碱和甲胆碱通过激活毒蕈碱M3受体诱导平滑肌收缩，该受体也通过PLC/IP₃/DAG通路发出信号。

在豚鼠中，收缩激动剂的暴露通常在抗原攻击（通常是OVA）之前或之后进行，这一点至关重要，因为豚鼠的AHR只有在涉及过敏炎症反应的介质和细胞释放后才会表现出来，而这些事件是由抗原攻击暴露触发的。

在此背景下，组胺（最常用的激动剂）可以在抗原攻击前后通过单次剂量给药，或通过抗原攻击前后使用浓度递增的组胺进行剂量反应曲线给药。使用单次高浓度组胺的方案能有效评估AHR的存在，但有充分理由支持使用剂量反应曲线作为更合适的方法。首先，组胺被认为是诱导全身性过敏反应的关键因素，高浓度给药在动物模型中可能是致命的。其次，研究表明豚鼠对组胺的反应在0.001-0.13 mg/mL的剂量范围内变化，使用单次剂量可能会掩盖真实反应。

将AHR的分析与免疫学和病理学过程的评估相结合，为潜在机制提供了更广阔的视角。这种方法不仅能够详细检查气道平滑肌（特别是收缩机构）的潜在修改，还能彻底分析气道重塑，并促进识别与其他呼吸结构（如上皮和血管）的潜在相互作用，这些相互作用可能在调节AHR中扮演关键角色。

Conclusions

过敏性哮喘是全球最流行的表型，这增加了人们理解该疾病新方面的兴趣。然而，直接在人类身上研究哮喘受到各种伦理和实践限制。在此背景下，豚鼠过敏性哮喘实验模型的开发不仅模拟了触发疾病的免疫学方面，还复制了在人类中观察到的许多病理生理特征，包括受影响个体间反应的变异性。该模型促进了对不同慢性化水平（急性和慢性）的分析，并使得能够实施包含多种方法策略的方案。尽管方法方案存在差异，豚鼠哮喘模型可靠地识别了疾病最相关的方面，例如Th2型炎症反应的存在、关键免疫球蛋白（如IgE）水平的升高、气道平滑肌收缩、支气管痉挛、高反应性和气道重塑。因此，豚鼠过敏性哮喘模型被确立为一个可靠模型，能准确模拟人类疾病，为各种科学研究提供必要信息，并有助于阐明与疾病发展相关的、人们了解甚少的细胞和分子过程。