综述：慢性阻塞性肺疾病动物模型研究进展

《International Journal of Chronic Obstructive Pulmonary Disease》：Research Progress on Animal Models of Chronic Obstructive Pulmonary Disease

　　

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种具有高发病率和死亡率的长期呼吸系统疾病。其病理生理学复杂，目前尚无有效的临床治疗方法能够完全逆转或阻止疾病进展。动物模型在阐明COPD的发病机制、动态病理过程以及评估潜在治疗策略方面发挥着重要作用，是推动该疾病深入研究的关键。然而，现有建模方法在准确模拟人类疾病的临床症状、病理生理特征和进展方面仍面临诸多局限性，且缺乏标准化指南和行业共识。本研究通过检索中国知网（CNKI）、PubMed和万方数据库过去十年发表的5071篇相关文献，系统综述了文献中报道的COPD动物模型构建方法。主要模型包括香烟烟雾暴露、蛋白酶诱导、基因修饰、有害物质暴露以及多种复合因素模型。研究人员对其构建原理、操作流程、病理特征、优缺点进行了全面综述和比较。本综述旨在为COPD研究人员和临床工作者在构建COPD动物模型时提供有价值的参考。

论文主体部分总结如下：

**慢性阻塞性肺疾病动物模型建立方法**

**香烟烟雾暴露**
香烟烟雾暴露建模方法通过长时间反复将动物暴露于香烟烟雾中，模拟类似人类COPD的核心发病机制，从而引发一系列病理生理变化。建模的主要机制依赖于烟雾中数千种化学物质（如活性氧、醛类、尼古丁和焦油）的联合作用，这些物质对气道和肺泡造成氧化应激损伤、持续性炎症反应以及蛋白酶活性增加。建模操作中的关键变量包括：动物选择涉及小鼠、豚鼠、雪貂、狗、果蝇等，性别偏向雄性，但未提供选择理由。李磊等人在对176项COPD动物模型研究的中国数据库分析中，79.55%使用了雄性动物。Martinez FJ等人也指出，通常选择雄性动物进行COPD动物模型构建，以避免雌性发情周期的干扰。香烟类型包括商业香烟或标准研究香烟（如肯塔基大学的3R4F），后者因成分标准化而更有利于实验室间结果比较。暴露系统通常采用全身暴露舱或鼻吸入系统，全身暴露操作简便但可能导致皮毛吸附污染物，鼻吸入更直接模拟人类吸入模式。暴露参数包括烟雾浓度、每日暴露频率、每周暴露天数及总暴露时长，共同影响模型的严重程度和表型特征。例如，小鼠模型周期为56天，可延长至420天，周期越长，肺气肿和肺功能下降通常越明显。模型评估指标的选择也各不相同。刘等人记录小鼠一般状况如体重和毛发光泽，对肺组织进行苏木精-伊红（H&E）染色检查病理变化，并分析肺泡灌洗液中的炎症因子表达。蒋宇涵等人和李等人的研究表明，虽然建模后小鼠的整体状况未纳入评估标准，但“肺功能”——临床诊断COPD的金标准——被纳入评估指标。Raju SV等人除选择雪貂作为实验动物外，还将评估标准扩展至体体积扫描和音视频同步记录以监测咳嗽，更好地确认了慢性支气管炎相关症状的存在。Chapman等人在选择比格犬作为模型动物时，还测量了心脏重量与体重比，以进一步评估COPD并发症的发生率。由于体型小等特征，Prange等人使用果蝇作为模型生物时，采用寿命和体脂率等评估指标来评估模型。
**适用性**：CS暴露是模拟人类COPD主要病因的主要建模方法。该模型与病因关联最强，能够模拟COPD的长期进行性特征，适用于研究COPD随时间演变、环境因素，以及测试延缓或阻止疾病进展的干预措施。
**局限性**：单纯香烟烟雾暴露模型能够模拟慢性疾病进展，但难以在短时间内诱导出严重、稳定的炎症和损伤。一些研究也指出，单纯香烟烟雾模型主要表现为肺泡过度扩张，炎症浸润程度可能不如复合模型显著。此外，建模周期长（通常需要数月），成本高，个体动物对烟雾暴露的反应存在差异。

**香烟烟雾暴露联合脂多糖滴注**
联合使用香烟烟雾和细菌内毒素脂多糖（LPS）能快速增强炎症反应，模拟慢性阻塞性肺疾病急性加重（AECOPD）。LPS是革兰氏阴性菌细胞壁的组成成分，作为促炎因子在气道炎症发展中起关键作用。CS诱导的上皮损伤和屏障功能受损使得后续LPS滴注能够促进先天免疫细胞进入气道和肺泡并激活，产生“二次打击”效应，迅速引发强烈的中性粒细胞性炎症和组织损伤。LPS通常通过气管内滴注或滴鼻给药，在CS暴露的特定时间点（如第1天和第14天）进行单次或多次干预，常用动物为SD或Wistar大鼠。根据评估结果，CS+LPS模型显示肺功能下降更明显，炎症细胞浸润（特别是中性粒细胞）更密集，支气管肺泡灌洗液（BALF）中炎症介质升高更显著，并且在更短的周期内（如28-56天）出现更早的气道重塑迹象。
**适用性**：该模型表现出更严重的炎症和更明显的病理变化，适用于研究COPD急性加重的病理机制，如感染触发的炎症级联反应和黏液高分泌，以及评估旨在控制急性炎症的药物，如新型抗炎药和黏液调节剂。
**局限性**：难以确定各因素在疾病发展中的具体贡献。动物耐受性差，部分个体在多重刺激下容易出现严重应激甚至死亡。

**香烟烟雾暴露联合细菌/病毒感染**
COPD患者气道细菌定植增加，细菌和/或病毒感染是急性加重最常见的诱因。CS共病原体感染模型强调感染诱导的复杂性，更准确地反映了临床中感染与慢性气道疾病之间的复杂相互作用。常见病原体包括肺炎克雷伯菌（Kp）和流感病毒（如H3N2）。刘淑娟团队和王伟毅团队的方法均是在CS预处理基础上反复滴鼻滴注Kp菌液，诱导持久的细菌定植和慢性感染，导致更顽固的气道炎症、黏液高分泌和气道壁结构重塑。范正园等人也选择了CS+Kp方法，仅在Kp菌液浓度上与前者不同。李素云等人在采用相同建模方法时，选择了Wistar大鼠并逐渐增加烟雾暴露频率，在其他条件不变的情况下，建模周期为84天，比同类建模方法长28天。病毒模型可以展示病毒感染如何通过破坏先天免疫和造成免疫病理损伤来加重COPD。例如，Jang JH等人基于CS暴露，单次滴鼻滴注H3N2流感病毒建立猕猴和C57BL/6小鼠模型，周期均为42天。谢圆等人使用聚肌胞苷酸（Poly I:C）模拟病毒感染信号，在烟雾暴露的同时反复滴鼻滴注Poly I:C，为期56天，成功建立了BALB/c小鼠模型。香烟烟雾-细菌/病毒共感染模型为研究感染后持续性慢性炎症、肺组织异常修复以及对继发性细菌感染易感性增加的机制提供了独特的平台。
**适用性**：该模型不仅捕捉了AECOPD的特征，还准确反映了COPD患者常因感染而频繁急性加重的临床现实，同时模拟了感染后肺功能恢复不完全和疾病基线水平“阶梯式”下降的临床进展。因此，它是研究COPD与感染相互作用以及开发靶向感染或调节宿主反应的联合疗法的宝贵工具。
**局限性**：需要生物安全设施进行操作，并需严格控制感染剂量和时间。

**弹性蛋白酶（ELA）诱导**
蛋白酶/抗蛋白酶失衡是肺气肿发病机制的关键理论之一。将外源性蛋白酶（如猪胰弹性蛋白酶PPE或人白细胞弹性蛋白酶HLE）直接滴注到气道，会迅速破坏肺泡壁的弹性纤维网络，诱导显著的肺气肿，与COPD的典型临床表现一致。该模型绕过了慢性炎症过程，直接作用于肺实质结构。Chan等人单次气管内滴注HLE在28天内诱导新西兰白兔出现明显的肺泡腔扩大和肺功能改变（如静态顺应性增加）。Tonon J等人选择叙利亚金仓鼠单次静脉输注木瓜蛋白酶（PAP），在输注后40天即检测到肺泡结构的显著改变。在大型动物如绵羊中，Sabater和Abraham团队等人使用HNE气溶胶吸入研究包括黏液纤毛清除功能在内的生理变化，均选择绵羊作为建模对象，在单次雾化吸入HNE后14小时检测到典型的气道高反应性和明显的黏液纤毛功能障碍。杨志等人为了观察COPD引起的心脏病变，以小型猪为实验对象，通过交替多次滴注木瓜蛋白酶（PAP）和胰蛋白酶（TRY），在建模第五周出现典型的早期COPD症状。
**适用性**：该模型周期短、操作简单、表型稳定、一致性好，能高效产生显著的肺气肿病变。因此，它适用于研究肺气肿发生和发展的细胞和分子机制，特别适用于研究弹性纤维降解和修复。此外，该模型有效用于筛选和评估抗蛋白酶治疗或促进肺泡再生的疗法。
**局限性**：该模型本质上是一个“肺气肿模型”而非完整的“COPD模型”，缺乏COPD典型的慢性炎症过程和气道病变（如慢性支气管炎和小气道纤维化）。该模型通常作为复合模型的一部分（如下文讨论的LPS+PPE模型），并与其他方法结合以模拟更全面的病理。

**基因敲除和转基因模型**
α-1抗胰蛋白酶（AAT）缺乏是COPD最明确的遗传风险因素。使用基因编辑技术产生的遗传模型为研究遗传背景在COPD中的作用提供了强大工具。Borel等人利用CRISPR/Cas9技术，一步敲除小鼠中所有五个功能性Serpina1基因（编码AAT），成功生成了血清中完全缺乏AAT的纯合小鼠。该模型即使在无外源性刺激（如吸烟）的情况下，也会随着年龄增长自发出现肺气肿，完美模拟了遗传性α-1抗胰蛋白酶缺乏症。另一类模型，如pIgR^?/?小鼠，其气道缺乏分泌型IgA（SIgA），导致黏膜免疫屏障缺陷。这些小鼠在常规条件下不易发病，但当暴露于香烟烟雾或特定细菌时，会表现出加剧的炎症和肺气肿，揭示了遗传易感性与环境暴露相互作用的重要性。
**适用性**：遗传模型可以阐明特定基因或通路在疾病发展中的因果作用，并允许在没有环境干扰的情况下研究疾病的自然史。它们对于发现新的易感基因、验证药物靶点和开发基因疗法至关重要。
**局限性**：基因编辑动物的饲养和维护成本高昂，某些基因敲除可能导致发育异常或其他并发症，需要精心设计对照组；单基因敲除可能无法完全复制人类COPD的复杂性；该过程耗时，需要多次回交以消除遗传背景干扰。

**二氧化硫（SO₂）暴露**
SO₂是一种刺激性气体。高浓度吸入可直接损伤气道黏膜上皮细胞，引发急性炎症反应、黏液分泌增加和杯状细胞增生。长期暴露可能导致气道壁增厚、纤维化和慢性支气管炎样改变，模拟COPD的气道病理特征。Wagner等人使用SD大鼠全天暴露于20 ppm SO₂，持续25天，成功建立了早期COPD模型。在评估中除观察肺组织病理变化外，还采用BrdU检测和AgNOR分析评估气道上皮细胞的增殖活性和功能状态。
**适用性**：适用于研究以慢性支气管炎、黏液高分泌和气道炎症为特征的COPD表型。模型建立周期相对较短（如25天），操作相对简单。
**局限性**：SO₂暴露主要模拟化学刺激物诱导的病理变化，与人类COPD主要病因（如吸烟）相关性较弱；可能诱导显著的急性损伤，不完全符合人类COPD的慢性进行性特征；模型可重复性易受SO₂浓度、暴露时间和个体动物差异的影响。

**细颗粒物（PM_2.5）诱导**
细颗粒物（PM_2.5）可通过呼吸道沉积在肺泡和细支气管中，引发氧化应激和持续性炎症反应，激活多种炎症细胞和细胞因子，导致肺组织损伤、纤维化和气道重塑。暴露于不同来源的PM_2.5可以模拟环境污染物暴露导致的COPD。何等人将SD大鼠分别暴露于燃烧雪松锯末和摩托车尾气造成的污染中，持续7个月。评估肺功能异常和肺纤维化、结构重塑以及炎症介质表达升高，表明建模成功。
**适用性**：这对于研究非吸烟相关COPD以及研究与环境空气污染相关的COPD发病机制具有重要意义。特别适用于探索氧化应激、免疫反应、炎症级联反应和肺纤维化过程。
**局限性**：建模周期长，通常需要数月才能建立稳定的病理学，成本相对较高。PM_2.5成分复杂，不同来源颗粒物的毒性效应存在差异，使得模型标准化具有挑战性。

**脂多糖（LPS）滴注**
气管内或鼻腔滴注LPS可直接诱导强烈的中性粒细胞炎症反应，导致气道黏膜损伤、杯状细胞增生、黏液分泌增加和部分肺气肿样改变。其机制在于模拟并放大COPD的急性加重和慢性炎症状态。王珊珊等人使用Wistar大鼠，通过两次静脉注射LPS，在28天内成功建立模型；刘俊波等人选择SD大鼠，通过气管滴注反复给予LPS，每周一次，在56天内成功建立模型；类似地，Pera T等人选择豚鼠作为实验对象，每周两次鼻内滴注LPS，持续84天。除了常规的肺功能评估和肺组织病理学观察，王珊珊等人通过检测肺上皮细胞MRP1转运体功能来评估肺组织的氧化应激水平；Pera T等人通过测量平均肺泡间距评估肺气肿严重程度，并通过测量肺动脉/小动脉壁厚度评估COPD相关肺血管重塑和肺动脉高压的严重程度。
**适用性**：适用于模拟细菌感染或内毒素触发的COPD急性加重，研究气道炎症细胞浸润、黏液过度分泌和免疫反应机制。操作简单，重复性好。
**局限性**：病理主要涉及急性炎症，不同于COPD的慢性持续性特征。单次或多次LPS刺激难以完全复制肺气肿和进行性气流受限，因此通常与其他方法联合使用，如CS+LPS模型或LPS+PPE模型。

**香烟烟雾暴露（CS）联合细颗粒物（PM_2.5）诱导**
CS+PM_2.5模型结合了烟草相关有害物质和环境颗粒物的双重损伤效应，协同导致更严重的炎症、氧化应激和组织重塑。该方法更准确地反映了现实世界中观察到的COPD多因素发病机制。Hisata等人将C57/BL6小鼠暴露于香烟烟雾和浓度为150 mg/m³的颗粒物中，每天2小时，每周5天，并在8个月时评估肺功能。用吉姆萨染色的肺组织切片显示符合COPD的病理变化。
**适用性**：理想用于研究多因素相互作用在COPD发生和发展中的作用，特别是评估联合暴露下的肺功能下降和病理变化。
**局限性**：模型建立复杂，需要对两种暴露条件进行严格控制；过程耗时，需要大量资源。

**强迫游泳 + 香烟烟雾暴露（CS）+ 缺氧**
长期缺氧可加重肺血管重塑、肺动脉高压和右心室肥厚。将慢性缺氧与香烟烟雾暴露相结合，有效模拟了COPD患者常见的缺氧状态。强迫游泳引发全身应激反应，显著增加机体耗氧量，与COPD中观察到的“缺氧-炎症”恶性循环密切相关，使其适用于研究COPD合并肺心病或低氧血症相关并发症。栾X等人对大鼠每天进行强迫游泳（30分钟）、暴露于Lion牌香烟烟雾（20支/小时）和缺氧暴露（10% O₂，7小时），每周六天，持续四周。结果显示模型大鼠出现肺功能显著下降和慢性气道炎症等特征性指标，表明该模型可以系统模拟COPD的病理生理学和分子特征。
**适用性**：适用于研究COPD的全身效应，特别是心血管并发症以及缺氧诱导的炎症和重塑过程。
**局限性**：模型操作困难，需要专用设备维持稳定的缺氧环境；可能反映晚期COPD并发症而非早期病理。

**脂多糖（LPS）联合猪胰弹性蛋白酶（PPE）滴注**
联合滴注脂多糖（LPS）和猪胰弹性蛋白酶（PPE）通过LPS介导气道炎症，同时PPE直接降解肺弹性纤维，共同导致显著的肺气肿样改变、炎症细胞浸润和纤维化，能够模拟COPD中蛋白酶-抗蛋白酶失衡的核心机制。Collie DDS团队使用绵羊作为实验动物，在70天内通过联合滴注依次向同一目标肺叶给予PPE和LPS，以模拟COPD的复杂病理。结果显示肺泡结构破坏，出现典型的COPD肺气肿特征，而慢性LPS刺激复制了持续性气道炎症、黏液高分泌和纤维化重塑。
**适用性**：特别适用于模拟以肺气肿为特征的COPD表型，研究弹性蛋白降解、肺泡损伤以及炎症与蛋白酶之间的相互作用。例如，绵羊模型能更好地模拟人类肺解剖和生理学，是测试介入设备或手术技术的理想选择。
**局限性**：技术要求高；PPE相关的损伤可能过于严重，与人类COPD的缓慢进展不符。

**总结与讨论**
目前，COPD动物模型的建立已形成了以单因素诱导和多因素复合刺激为主的技术体系。全病程模型的主要构建方法包括香烟烟雾（CS）暴露、CS+PM_2.5暴露、CS+脂多糖（LPS）以及CS+细菌/病毒感染。这些全病程模型旨在尽可能模拟人类COPD的核心表现，包括肺气肿、慢性气道炎症/黏液高分泌，并伴有进行性气流受限。表型特异性COPD模型通过不同方法建立：弹性蛋白酶诱导用于优势肺气肿表型，SO₂暴露或LPS滴注用于显著气道损伤，PM_2.5诱导用于广泛呼吸系统损伤。这些模型旨在重现特定的临床表型或由特定病因驱动的病理改变。COPD的急性加重模型主要通过CS+LPS、CS+细菌/病毒感染或LPS滴注建立。该模型的常规操作是先建立慢性疾病背景，然后叠加刺激以诱导急性炎症反应。单独LPS滴注缺乏慢性背景，仅代表急性肺损伤。急性加重模型在慢性基础病变上叠加了急性严重炎症反应。此外，还有机制研究模型。主要建立方法包括基因敲除/转基因方法研究COPD的遗传发病机制，单次LPS滴注探索急性炎症机制，单独PM_2.5暴露研究颗粒物的毒理学机制，以及一种更特殊的联合方法——强迫游泳、CS暴露和缺氧，以模拟神经-免疫-代谢串扰机制。此外，动物模型的构建参数，如动物品系选择、性别、香烟类型、暴露系统、建模周期设置和干预途径，尚未形成统一标准，这在一定程度上也影响了研究结果的可比性和临床转化潜力。同时，模型评估标准仍存在多样性。通常以研究目的作为检测指标来判断模型是否成功，这并不完全符合人类COPD的诊断标准。
不同的建模方法根据研究的具体目标进行选择。为了模拟COPD的自然病程、长期干预或肺气肿重塑的逆转，CS暴露是首选，目前被认为是COPD动物模型的金标准。在此基础上，如果需要更短的建模周期，也可以选择CS+LPS或CS+PM_2.5暴露等替代方法。为了模拟COPD急性加重或研究抗炎药物机制，CS+LPS或CS+细菌/病毒感染是合适的方法，其基本原理是先建立慢性疾病背景，然后叠加额外刺激以触发急性炎症反应。为了研究纯肺气肿表型，弹性蛋白酶诱导方法是合适的选择。为了研究黏液高分泌或慢性支气管炎，推荐使用SO₂暴露或反复LPS滴注。为了研究暴露于空气颗粒物的致病机制，单独PM_2.5暴露是合适的方法。为了从遗传学角度研究特定基因对该疾病的影响，可以选择基因敲除或转基因模型。为了研究COPD合并症，需要特殊模型。例如，为了研究COPD中抑郁、焦虑或睡眠呼吸暂停等合并症的机制，可以选择强迫游泳、CS暴露和缺氧的联合方法。
即使选择了相同的建模方法（如经典的单纯香烟烟雾暴露方案），不同研究在物种、性别、香烟类型、暴露系统和建模时长等核心参数上仍存在差异，且未进一步解释。目前，用于建模的动物性别主要为雄性。然而，COPD的流行病学研究表明，女性患该病的风险显著高于男性。这一发现是否应在未来动物模型制备中予以考虑，将雌性动物作为首选？作为选择雄性动物的主要理由，雌性激素的周期性变化是否正是影响COPD发病机制的因素？在模型评估体系中，也需要整合多维评估方法，包括肺功能测试、组织形态学分析、影像学评估以及炎症细胞和相关介质的定量检测，以在功能、结构和分子水平上系统验证模型的可靠性和可重复性。这些问题将成为进一步深入研究COPD动物模型的关键方向，旨在推动建立更贴近疾病自然史并整合多系统病理特征的动物模型。
尽管本文为COPD研究人员在选择动物建模方法方面提供了一些参考，但由于物种间在生理结构、免疫反应和修复机制方面存在固有差异，构建一个高度模拟人类COPD整个病理进程的动物模型仍然是一个重大挑战。