跨物种特发性肺纤维化（IPF）模型的转化价值更新——基于比较病理学、影像学与组织病理学的整合洞见

《Biomolecules》：Updates on the Translational Value of Idiopathic Pulmonary Fibrosis Models Across Species: Deeper Insights Through Comparative Pathology

过去数十年间，比较病理学的进展增强了特发性肺纤维化（IPF）动物模型的潜在转化价值。将与人相关的诊断生物标志物整合入临床前研究，例如先进影像技术和标准化组织病理学方法，提高了实验发现与人类疾病的可比性。某些品种伴侣犬和猫中自然发生的纤维化肺病以及实验室啮齿动物中的诱导性疾病模型，与人类IPF表现出不同程度的相似性。它们是有价值的比较医学工具，可用于更好地理解疾病机制并测试新疗法，且各自具有优势和局限性。批判性评估其互补性，对于通过临床前动物研究获得对疾病过程的可靠认识以及开发有效治疗至关重要。本综合性综述旨在更新关于这些IPF动物模型的当前知识，重点关注比较病理学、影像学和组织学特征，并在“同一健康、同一医学、同一病理学（One Health, One Medicine, One Pathology）”的概念框架内评估其各自优势、局限性和转化相关性。通过利用跨物种趋同的病理生理过程，这一跨学科协作范式旨在促进模式生物在生物医学研究中的有效使用，并促进人类与动物的共同获益。

1. Introduction：IPF是最常见的慢性、进行性、不可逆性间质性肺病（ILD），主要累及肺泡上皮细胞、毛细血管内皮细胞及基底膜之间的肺间质。全球约300万人受累，男性和绝经后女性更常见，发病率随年龄增加。其病因仍不明确，主流假说认为反复轻度肺损伤触发炎症与纤维化过程的持续交互；吸烟、空气污染、职业暴露、细菌/病毒感染及胃食管反流、肺气肿、心血管病、自身免疫病等合并症被列为潜在危险因素，MUC5B rs35705950、TOLLIP、OBFC1及端粒维持和表面活性物质分泌相关罕见变异提示遗传易感。诊断依赖多学科整合临床、组织病理和影像资料，普通型间质性肺炎（UIP）为组织学标志但并非IPF特异；高分辨率计算机断层扫描（HRCT）可见牵拉性支气管扩张/细支气管扩张、网格影、磨玻璃影和蜂窝影。动物模型仍不可替代，但无单一模型完全复现人类疾病；老年小鼠最常用于机制和药物研究，犬猫自发模型可作为补充，并纳入“同一健康、同一医学、同一病理学”框架。
2. Materials and Methods：本综述为叙述性综述，研究方案于Open Science Framework预注册。检索Web of Science Core Collection中2005年1月至2025年8月英文文献，关键词涵盖IPF、肺纤维化、犬、西高地白梗、猫等，并更新至2026年4月。初检156篇，最终纳入40篇全文；补充灰色文献38篇及参考文献追溯3篇，共81篇（1999—2026年）。
2.1. Search Strategy：检索策略围绕IPF动物模型改进、犬猫IPF组织病理学及比较价值设计，采用语义与布尔检索结合，并通过Google补充灰色文献和更新证据。
2.2. Selection Criteria：纳入兽医临床研究（犬猫自发肺纤维化的临床、影像和/或组织学特征）、犬猫自发肺纤维化接受转化治疗的研究、啮齿动物实验性肺纤维化的比较影像/组织学或转化治疗研究以及跨物种比较病理报告；排除体外研究和非英文文献。
3. Comparative Interspecies Pathobiology of IPF: State-of-the-Art Experimental and Naturally Occurring Animal Models：本节比较实验性与自然发生IPF样纤维化肺病的病理生物学，强调跨物种比较对机制解析和治疗评估的价值。
3.1. Current Human Landscape of IPF：IPF发病涉及肺泡上皮II型细胞（AECs II）慢性损伤、环境因素、合并症和遗传易感。AECs II释放介质促进成纤维细胞迁移、增殖并分化为肌成纤维细胞，分泌细胞外基质（ECM）；上皮-间充质转化（EMT）可能参与。M2样巨噬细胞在IPF急性加重（AE-IPF）中释放TGF-β、PDGF和CCL18，促进异常修复。诊断强调多学科整合，HRCT为无创参考影像，必要时行经支气管冷冻肺活检；组织学表现为空间和时间异质性、成纤维细胞灶及胸膜下/间隔旁纤维化，衰老标志p16/p21、血管重塑和肺动脉高压（PH）亦受关注。Ashcroft评分和人工智能辅助数字病理、分形形态计量有助于定量。获批药物nintedanib、pirfenidone和nerandomilast主要延缓进展；hymecromone在博来霉素（BLM）小鼠及ILD相关PH试验中显示初步价值。
3.2. Overview of IPF Research Using Animal Models: Bridging Induced Rodent Models and Spontaneous Canine and Feline Models：现有模型均不能完全复现IPF的复杂性、异质性和进行性。羊和猪BLM模型可用于肺力学、器械和影像系统评价，但饲养成本、遗传操作和伦理限制明显。小鼠因可遗传操作、可重复、成本低和周期短而最适合临床前转化研究，但难以复现慢性病程和暴露组作用。犬猫缺乏气管支气管、脏层胸膜较薄、缺乏明显小叶间隔并具有呼吸性细支气管，且可自然发生IPF样ILD，因而在解剖和临床可及性上具有补充价值；其较长寿命、与人类共享环境暴露、遗传背景较均一，并可在兽医临床接受HRCT、超声心动图和活检，有利于纵向监测和药物试验，亦符合3Rs原则。
3.3. Exploring the Potential of Naturally Occurring Veterinary Models of IPF：随着小动物兽医进步，犬猫IPF样纤维化肺病的识别日益准确。西高地白梗（WHWT）是研究最充分的自发模型，与人类IPF共享多项临床、组织学和病理生理特征，并可通过先进影像进行转化监测；猫与人类远端气道解剖相似，组织学可见蜂窝结构和成纤维细胞灶，并涉及AECs II和表面活性物质异常。伴侣动物病程可呈慢性，较传统啮齿模型更接近人类进展。
3.3.1. Updates on Canine Models of IPF：犬IPF多见于中老年，表现干咳、吸气爆裂音、运动不耐受、呼吸急促/困难和发绀，平均生存约18个月。WHWT及部分梗犬可能存在遗传易感，CPSF7和SDHAF2变异被报道；肺组织CCL2、CCL7、CXCL8、CXCL14、IL8和成纤维细胞活化蛋白（FAP）表达升高，血清TGF-β1较高，真菌暴露可能参与。组织学呈弥漫性间质纤维化、AECs II增生、炎症、平滑肌增生、支气管化生和局灶蜂窝样改变，但典型成纤维细胞灶较少，整体更接近非特异性间质性肺炎（NSIP），局灶胸膜下纤维化和偶见蜂窝可似UIP；LTBP-1/fibrillin-2及activin B/A差异提示种间差异。支气管肺泡灌洗液（BALF）单细胞RNA测序（scRNA-seq）发现促纤维化巨噬细胞/单核细胞及骨桥蛋白（SPP1）过表达。HRCT以磨玻璃影、马赛克灌注和网格影为主，蜂窝和细支气管扩张较少，影像异常程度与严重度和生存相关；清醒HRCT、超声及¹⁸F-FAPI-74 PET/HRCT探索支持比较影像学应用。
3.3.2. Updates on Feline Models of IPF：猫IPF样肺纤维化早期报告可见间质纤维化、成纤维/肌成纤维细胞灶、肺泡上皮和平滑肌化生及蜂窝样改变，并伴表面活性物质产生受损。临床多见于中老年猫，无明确品种或性别倾向，表现咳嗽、呼吸模式改变、嗜睡和厌食；影像可见斑片或弥漫性间质、支气管和肺泡异常，主要位于尾侧肺叶。HRCT可见弥漫网格影、斑片磨玻璃影、胸膜和支气管增厚、牵拉性支气管扩张及多灶实变，超声心动图可显示PH。病例报告提示需排除可治病因；因猫常隐匿症状、晚期麻醉风险高且研究数量少，其作为比较模型需谨慎解释，并应推动兽医诊断流程标准化。
3.4. Current Experimental Rodent Models of IPF：当前啮齿模型包括BLM、硅尘、荧光素异硫氰酸酯（FITC）、电离辐射诱导模型以及遗传修饰和衰老模型，部分联合外源触发或人源细胞移植。BLM模型最常用，但部分模型纤维化可自行消退、难以区分治疗效应与自然恢复，且不能完全复现人类IPF临床、影像和组织病理特征。“自发”术语在临床前文献中存在争议，因为多数小鼠仍经过实验性遗传操作或外源干预。老年C57BL/6、NOD/SCID、RAGE或relaxin敲除、表面活性蛋白基因突变及He?mansky–Pudlák病模型可表现更重纤维化，但常不能完全复现UIP和慢性进展，且受控环境难以反映遗传-环境交互。硅尘、FITC和辐射模型可补充特定机制研究，但纤维化反应变异大、诱导时间长。
3.4.1. Bleomycin-Induced Rodent Models of IPF: Rationale, Advantages, and Limitations：BLM曾为抗肿瘤药，其肺上皮毒性及肺内水解酶水平较低为实验性诱导肺纤维化提供了依据。BLM可复现上皮损伤、成纤维/肌成纤维细胞活化和胶原沉积，模型相对简单、经济、通用，并可结合衰老和遗传操作形成多击模型。性别作用仍有争议，近期研究提示17-β-雌二醇经ERα上调NR4A1并抑制TGF-β诱导的肺纤维化。BLM模型多在三周内出现可预测的急性和慢性改变，但存在炎症明显、纤维化部分可逆和肺顺应性变化不一致等局限；微创重复给药、μCT、数字病理、人工智能和MALDI-MSI等提高了与人类UIP样特征及分子通路的可比性，但批次、剂量、途径、遗传背景和肠道菌群仍影响重复性。
3.4.2. Bleomycin-Induced Rodent Models of IPF: Updated Methods for IPF Induction and Key Histopathological and Imaging Features：气管内（IT）单次BLM后纤维化约2—3周达峰、6—8周渐退；急性炎症期约1—7天，随后成纤维细胞增殖，21—28天进入晚期纤维化。口咽吸入（OA）因微创、无需气管切开而推荐，1 mg/kg两次或0.8 U/kg可改善病变分布和重复性。纵向μCT密度与组织学和羟脯氨酸（HYP）相关；9月龄雄性C57BL/6小鼠多次IT BLM可形成持续24周的纤维化，伴蜂窝样囊腔、牵拉性支气管扩张和胸膜下纤维化。比较IT、腹腔和静脉给药发现，静脉BLM更呈弥漫胸膜下和间质纤维化，IT更呈支气管周围增厚；¹⁸F-FDG PET/CT、肺功能和组织学可互补。序贯BLM可构建AE-IPF模型，表现更重低氧、顺应性下降、胶原增加和死亡率升高，并伴TNF-α、IL1β、IL6、HIF1α升高；菌群失调亦影响易感性。超短回波时间MRI、μCT和⁶⁸Ga-FAPI-04 PET/CT可用于纵向监测，后者在第四周达峰，抗纤维化治疗后标准化摄取值比下降。
3.4.3. Bleomycin-Induced Rodent Models of IPF: Current Research on Pathogenetic Mechanisms and Emerging Therapeutic Strategies：BLM模型可复现上皮损伤、炎症、成纤维细胞活化、ECM重塑和纤维化，用于机制和药物评价。EMT是重要机制，TGF-β1/Smad2/3通路、miR-18a-5p、诱导多能干细胞及AEC II样细胞治疗受到关注。AF-1/CCSP、CSP7肽、小鼠远端气道干/祖细胞、AECs II移植和PDE4B抑制剂nerandomilast在BLM模型中显示抗炎或抗纤维化作用。当前挑战包括疗效评价方法有限，建议结合FVC、DLCO、MMP-7等临床相关终点及人工智能影像和组织定量以提高转化性。
3.4.4. Aging- and/or Genetically Driven Rodent Models of IPF：衰老和遗传驱动模型可补充BLM模型对慢性、不可逆纤维化研究的不足。老年小鼠BLM后纤维化消退延迟，驻留间充质细胞支持AECs II的干细胞活性受损，Cthrc1⁺活化肌成纤维细胞增多。D1CC^+/+×D1BC^+/+模型可自NSIP样急性期进展为UIP样慢性期并持续14周。人源化免疫缺陷小鼠经静脉注射IPF患者来源细胞可诱导持续肺重塑，用于评价IL-13-PE和AMD3100等，但移植物抗宿主病限制研究时程；经肝内注射人造血干细胞构建的NOG人源化模型在BLM诱导后无GvHD达11周，并受nintedanib抑制。可诱导Sftpc^C121G模型因AECs II功能障碍发生进行性纤维化，且老年诱导更重；Ifngr1^?/?Rag2^?/?小鼠随年龄发生不可逆纤维化，ILC2s及IL-5、IL-13、IL1RL1升高，提示其转化价值。
4. Comparative Considerations and Translational Perspective: Complementary Applications of Available IPF Models：鉴于IPF的特发性和多因素发病，无模型能完全复现疾病，应根据研究问题选择模型并明确其可复现的病理特征与局限。实验小鼠适合机制研究且可重复、设计灵活，但不能完全反映慢性、进行性和异质性；犬猫自发模型共享长期环境暴露，病理和影像相似，但受成本、兽医-临床协作、标准治疗差异和诊断挑战限制。BLM免疫健全啮齿模型经济且常用，但预测新疗法疗效的能力受质疑；衰老、遗传修饰和人源化小鼠可补充特定机制，但单基因突变模型常不能复现完整表型，且小鼠来源肺实质细胞仍带来种间偏差。未来可通过患者来源气道/肺泡类器官共移植、表达人代谢通路的转基因小鼠及肺芯片等改进，并应协调组织病理和影像终点。整合小鼠机制、犬猫自发疾病及2D/3D体外系统，有望更全面理解IPF并评估新疗法。
5. Concluding Remarks：IPF仍为致命肺病，发病机制未完全阐明，获批药物nintedanib、pirfenidone和nerandomilast仅延缓进展，肺移植是唯一潜在治愈手段。新疗法开发的主要障碍是缺乏充分复现人类IPF关键特征的实验模型，且尚无最适动物模型的共识。需推动模型选择范式转变，以可行性、预测效度和互补性而非既有习惯或可获得性为依据；这要求人类与兽医临床、影像、病理及基础转化研究人员紧密合作，并建立开放数据库和开放科学框架。伴侣动物临床试验可桥接实验动物研究与人类医学，并使动物获得先进兽医照护；One Health资助策略可支持多中心兽医试验、标准化方法和跨物种生物标志物发现。整合自然发生伴侣动物模型与常规实验方法还可支持3Rs原则，包括识别“未被认识的3Rs”，最终提高动物福利及数据的可重复性和转化可靠性。