《International Journal of Molecular Sciences》：Animal Models of Hyperoxaluria and Their Relevance for Fundamental Research and Clinical Practice
体内模型一直是理解高草酸尿症发病机制和开发新兴治疗策略的核心，但没有单一模型能完全再现人类疾病的复杂性。本叙述性综述批判性地评估了目前可用的高草酸尿症体内模型，并提供了一个根据所研究的具体表型、生物学或治疗问题进行选择、解释和整合的框架。研究人员在PubMed、Web of Science、Scopus和Google Scholar中进行了结构化的非系统性文献检索，重点关注同行评审的原始研究以及涉及实验模型、疾病机制和治疗干预的相关综述。研究人员从模型有效性、实验终点、病理生理学相关性和转化潜力方面，对化学诱导和饮食诱导模型、遗传模型、肠道和微生物模型以及大型动物模型进行了评估。本综述的一个核心特征是区分相关但不可互换的表型，包括高草酸尿症（hyperoxaluria）、结晶尿（crystalluria）、肾钙质沉着症（nephrocalcinosis）、草酸盐肾病（oxalate nephropathy）和肾结石病（nephrolithiasis）。这一区分为比较那些再现草酸盐暴露不同阶段或后果的模型提供了概念基础，而不是将所有与草酸钙相关的表型视为等同。化学诱导模型特别适用于研究高草酸尿症、草酸钙结晶以及急性或亚急性肾损伤，而遗传模型则再现了原发性高草酸尿症（primary hyperoxaluria）潜在的特定分子缺陷，并支持基于机制的治疗方法的开发。肠道和微生物模型关注肠道草酸盐处理和肠道-肾脏轴，对于研究肠道导向的治疗策略尤其重要。自然发生模型可能为慢性临床表型提供补充见解，而大型动物模型则可以促进特定的转化和实验密集型研究。综述的证据表明，没有哪个模型可以被认为是优越的。相反，模型的选择应基于所研究的特定机制、表型或治疗干预措施。因此，本综述提出了一种面向表型和问题驱动的模型选择与解释框架，同时考虑了有效性、可重复性、伦理方面以及转化外推的局限性。
1. 引言
草酸盐是人类体内的最终代谢产物，不再进行进一步的代谢或结合，主要通过肾脏排泄清除。其尿排泄反映了三个主要来源的平衡：来自乙醛酸盐和乙醇酸盐的内源性肝脏合成、膳食草酸盐的肠道吸收，以及在病理条件下，肾脏和肠道对草酸盐处理的改变。由于草酸盐是一种二价阴离子，对钙具有高亲和力，即使尿草酸盐浓度相对较小的增加也能显著提高草酸钙过饱和度，这使得高草酸尿症成为草酸钙结石形成的最强尿液决定因素之一。草酸钙结石约占肾结石的70-80%，持续性高草酸尿症会促进肾小管内晶体潴留、上皮损伤、间质性炎症和进行性肾单位丢失。因此，高草酸尿症的临床谱不仅包括肾结石病，还扩展到肾钙质沉着症、急性和慢性草酸盐肾病、慢性肾脏病，以及最严重形式的全身性草酸盐沉积症。肾结石病很常见，其患病率持续上升，在北美洲发生率为7-13%，欧洲为5-9%，亚洲为1-5%。因此，即使是常见的与饮食相关的高草酸尿症也代表着巨大且日益增长的公共卫生负担。
高草酸尿症传统上分为原发性和继发性两种形式。原发性高草酸尿症是乙醛酸盐代谢的常染色体隐性遗传病，由丙氨酸-乙醛酸氨基转移酶、乙醛酸/羟基丙酮酸还原酶或4-羟基-2-酮戊二酸醛缩酶的缺陷引起，导致肝脏草酸盐产生增加。继发性高草酸尿症包括肠源性高草酸尿症，其发生在减肥手术、炎症性肠病或短肠综合征后伴有脂肪吸收不良的情况下，以及饮食性高草酸尿症和与共生微生物群对肠道草酸盐降解减少相关的疾病。在没有单基因疾病的个体中，饮食因素是草酸盐负荷的重要可改变决定因素。膳食草酸盐的生物利用度不仅取决于总草酸盐摄入量，还取决于与肠道菌群、膳食钙、镁和纤维的相互作用。因此，低钙饮食可能会显著增加肠道可吸收的草酸盐比例。在原发性高草酸尿症中，基因型强烈影响疾病严重程度和预后；例如，不同AGXT变异体在PH1中达到肾衰竭的年龄差异很大，这突显了在解释实验模型结果时必须考虑的遗传异质性。
对高草酸尿症发病机制的理解和新疗法的开发在很大程度上依赖于体内模型。动物系统能够在完整生物体的背景下实现对高草酸尿症的受控诱导、草酸钙晶体沉积的可重复评估以及饮食、药理学、微生物和遗传干预的系统评价，同时考虑肾脏结构、免疫反应和肠道-肾脏轴——这些特征无法在体外完全重现。然而，实验模型在它们所再现的人类疾病的各个方面存在显著差异，每个模型都有特定的优势、局限性和潜在混杂因素。本综述专门关注高草酸尿症的体内模型。首先，讨论了评估模型有效性的标准和相关的实验终点，随后概述了化学和饮食诱导模型、遗传模型、肠道和微生物模型以及大型动物模型。最后，研究了这些系统如何促进了当前和新兴治疗策略的开发，特别强调了基于草酸脱羧酶和其他肠道导向的方法。本综述的目的是为在高草酸尿症研究中选择、解释和整合体内模型提供一个关键框架。
2. 文献检索策略
本叙述性综述基于结构化的非系统性文献检索，并非旨在构成正式的系统性综述或荟萃分析。通过在PubMed、Web of Science、Scopus和Google Scholar中进行检索来确定文献，覆盖从数据库建立到2026年7月的出版物。代表性检索词包括与高草酸尿症和草酸盐相关肾病、实验模型和生物学机制以及治疗策略相关的术语。优先考虑描述高草酸尿症和草酸钙相关疾病体内模型的开发、表征或应用的同行评审原创研究文章。此外，还查阅了相关综述文章以提供历史和机制背景，并识别开创性出版物。手动筛选了检索到的文章的参考文献列表，并且只考虑了英文出版物。文献以叙述方式综合，特别强调模型诱导机制、再现的主要表型、实验终点以及单个模型的结构效度、表面效度和预测效度。不涉及体内实验模型的出版物通常仅在需要提供机制或转化背景时才予以考虑。
3. 高草酸尿症体内模型的有效性标准和终点
一个有用的高草酸尿症模型应从三个互补的有效性维度进行评估。结构效度是指模型是否再现了人类状况背后的因果机制——例如，原发性高草酸尿症中的肝脏草酸盐过量产生或吸收不良状态下的肠道草酸盐过度吸收。表面效度反映了所得表型在多大程度上类似于人类疾病，包括高草酸尿症的生化特征、晶体形成的模式、组织损伤和疾病进展。预测效度是指对该模型的干预所产生的治疗效果是否能转化为患者，这是临床前模型开发的最终理由。这些维度不一定重合：一个模型可能准确地再现了分子机制，但同时产生了非典型的表型，或者通过一条与人类疾病相关性有限的途径诱发了令人信服的结晶尿。
比较实验系统的一个核心前提是区分相关但不可互换的表型。高草酸尿症特指尿草酸盐排泄增加，并不一定意味着晶体形成或肾损伤。结晶尿描述了尿液中晶体的存在，与尿过饱和和结晶有关，但不能确定组织滞留或结石形成。肾钙质沉着症是指肾实质内的钙沉积，可能涉及肾小管内、间质和乳头状区域。草酸盐肾病是指与草酸盐晶体沉积相关的肾损伤，可能涉及肾小管损伤、炎症、间质纤维化和进行性肾功能丧失。最后，肾结石病是指在尿收集系统内形成离散的、肉眼可见的结石。在人类中，草酸钙结石通常通过长期机制发展而来，包括Randall斑块的过度生长、Bellini管的堵塞或自由溶液结晶。因此，不应仅从结晶尿或肾内晶体沉积推断出肾结石病。这些表型代表了草酸盐稳态紊乱的不同阶段或后果，可能共存，但不应互换使用。重要的是，许多化学诱导的啮齿动物模型再现了高草酸尿症、结晶尿和肾小管内草酸钙沉积，但没有再现人类草酸钙肾结石病特征的慢性乳头状病变或肉眼可见的结石形成。因此，在评估其表面效度和转化相关性时，应明确定义每个模型所再现的表型。
许多实验性高草酸尿症模型的一个反复出现的局限性是疾病时间尺度的不匹配。大多数化学诱导的啮齿动物模型依赖于尿草酸盐的急性或亚急性增加，并在数天至数周内再现早期事件，如晶体成核、聚集、肾小管潴留和急性损伤。然而，它们没有再现人类慢性草酸钙结石病的长期自然史，包括Randall斑块的渐进性发展、乳头矿化或导管堵塞。在人类中，草酸钙结石通过几种途径产生，包括在暴露的间质磷灰石沉积物上过度生长、Bellini管堵塞和自由溶液结晶。这些机制在其与实验模型的相关性上有所不同，并影响一个给定系统代表人类疾病的忠实程度。因此，应根据所解决的生物学问题来选择实验模型——例如急性晶体-细胞相互作用、慢性肾钙质沉着症和CKD进展、肠道草酸盐处理或遗传决定的草酸盐过量产生——而不是期望单个模型能够再现高草酸尿症及其相关肾脏后果的所有方面。
研究之间的有意义比较需要一致和标准化的结局指标。核心生化终点包括24小时尿草酸盐排泄量，在点尿样本中通常标准化为尿肌酐，尿乙醇酸盐以及在PH3模型中，羟基酮戊二酸相关的代谢物。在晚期疾病状态下，血浆草酸盐浓度可提供全身草酸盐负荷的额外指标。晶体相关终点包括通过偏振光显微镜评估的结晶尿，可以区分一水草酸钙和二水草酸钙晶体，以及组织晶体沉积的定量评估。对于后者，Pizzolato和Yasue金属替代组织化学技术比常规苏木精-伊红染色法对草酸钙鉴定具有更高的特异性。肾脏结局包括肾小管损伤和纤维化的组织病理学评估、炎症和氧化应激标志物以及功能参数，如肌酐清除率、胱抑素C和血尿素氮。一致报告实验变量——包括诱导方法和剂量、暴露持续时间、饮食组成、动物品系、性别和年龄——至关重要，因为每一个都可能显著影响疾病表现和治疗反应。
4. 获得性高草酸尿症模型：化学、饮食和代谢方法
4.1. 乙二醇
乙二醇诱导的大鼠模型是研究草酸钙肾结石病最广泛使用和特征最明确的实验系统之一。EG通常以0.5-1.0%的浓度在饮用水中给药，并通过肝脏代谢经过乙醇醛、乙醇酸盐和乙醛酸盐生成草酸盐，导致稳健且可重复的高草酸尿症状态。这在数天至数周内伴随着肾小管内草酸钙沉积、肾小管扩张、上皮损伤、氧化应激和炎症反应。氯化铵经常联合给药以诱导轻度代谢性酸中毒并降低尿pH值，从而促进草酸钙结晶。目前对肾小管内晶体潴留的大部分理解，包括“固定颗粒”机制，即晶体粘附在受损的肾小管上皮上形成病灶而非随尿液排出，均来源于EG基和急性草酸盐模型。
EG模型的主要优点是简单、可重复、成本相对较低，以及适用于筛选潜在的抗结石干预措施。然而，其解释受到以下事实的限制：EG和几种代谢中间体可以直接产生肾毒性作用。此外，EG毒性会影响其他器官，并且有发生代谢性酸中毒的风险，这限制了它的使用。在较高剂量或长时间暴露下，可能会出现肾小管坏死和全身毒性，使区分草酸盐介导的损伤与非特异性毒性效应变得复杂。此外，常用的0.75% EG浓度在不同研究中不能一致地再现相同的代谢紊乱，并且实验结果受动物品系和性别的强烈影响。EG基模型的另一个局限性与其诱导高草酸尿症的机制有关。尽管口服给药部分模拟了自然暴露途径，但EG主要作为草酸盐的代谢前体，而非肠道草酸盐的来源。它在肝脏转化为乙醇酸盐、乙醛酸盐和草酸盐后，增加了内源性草酸盐的产生，而不是再现人类中观察到的膳食草酸盐摄入、肠道吸收、微生物降解和肾脏排泄之间的复杂相互作用。因此，EG基模型在研究肠道微生物组对草酸盐稳态的贡献方面的适用性有限。EG的给药本身可能改变肠道环境和微生物组成，创造了一个化学修饰的系统，其中微生物组变化可能反映化合物特异性效应而非草酸盐驱动的机制。这在评估针对肠道草酸盐降解的疗法时是一个重要的转化限制。
4.2. 羟基-L-脯氨酸
羟基-L-脯氨酸是一种在胶原蛋白转换过程中产生的天然氨基酸衍生物，被代谢为乙醛酸盐，进而转化为草酸盐，从而在不给予合成异源物质的情况下增加内源性草酸盐的产生。膳食HP补充，通常在3-10%的浓度下，会产生剂量依赖性的高草酸尿症和草酸钙晶体形成。优化后的方案可以产生持续的高草酸尿症，同时具有相对有限的直接肾毒性，这使得HP模型对于研究晶体-上皮相互作用以及高草酸盐暴露的长期后果特别有价值。该模型的主要局限性在于，HP代谢会产生几种中间体，包括乙醛酸盐相关的代谢物，肾脏效应不能总是唯一归因于草酸盐本身。与EG类似，HP通过肝脏代谢转化为乙醛酸盐进而转化为草酸盐来诱导高草酸尿症，而不是通过增加肠道草酸盐暴露。因此，尽管HP代表了比合成化合物更生理性的内源性前体，但它并不能完全再现膳食草酸盐驱动的高草酸尿症或肠道草酸盐处理和微生物群介导的草酸盐降解对疾病发展的贡献。
4.3. 可溶性草酸盐盐
直接给予可溶性草酸盐盐提供了一种增加草酸盐暴露的方法，同时绕过了内源性肝脏草酸盐合成途径，允许更精确地控制草酸盐刺激。急性给予草酸钠，特别是通过腹腔注射，会导致尿草酸盐排泄迅速增加，并几乎立即在近端肾小管腔内形成草酸钙晶体。随后的晶体沉积主要发生在皮髓交界处和乳头区域，晶体的数量、大小和分布根据剂量和暴露条件而变化。这些模型有助于定义肾小管晶体粘附、潴留和损伤的早期机制。然而，基于注射的可溶性草酸盐盐给药，特别是腹腔注射草酸钠，绕过了胃肠道，因此不考虑肠道草酸盐吸收、膳食草酸盐处理或微生物群介导的草酸盐降解。此外，这些模型通常代表急性草酸盐超负荷而非慢性暴露，晶体形成是由全身草酸盐浓度的快速升高驱动的。因此，尽管对于研究早期晶体-上皮相互作用和急性肾损伤机制非常有价值，但它们在模拟人类草酸钙肾结石病的慢性和多因素发病机制方面的适用性有限。
更慢性的膳食草酸盐模型将这种方法扩展到临床上相关的草酸盐肾病。膳食草酸盐补充以一种可控的方式增加尿草酸盐，并避免了与EG和HP代谢相关的一些混杂效应，使得这些方法对于研究对草酸盐诱导的肾损伤易感性的遗传和机制研究特别有用。在小鼠中，可溶性草酸盐丰富且缺钙的饮食可以诱导进行性肾钙质沉着症，伴随肾小管损伤、间质炎症、纤维化和CKD的全身表现。NLRP3炎症小体和IL-1β依赖性炎症信号通路的激活是将晶体沉积与肾脏炎症和疾病进展联系起来的关键机制。类似的草酸盐饮食方法在Dahl盐敏感大鼠中进一步将这些观察扩展到包含高血压肾病的模型。总之，这些系统在急性晶体诱导的损伤和慢性草酸盐相关性肾病之间提供了一个连续体。
4.4. 乙醛酸盐诱导的高草酸尿症和草酸盐损伤的实验性调节剂
直接给予乙醛酸盐，通常通过对小鼠进行重复腹腔注射，代表了一种广泛使用的急性草酸钙晶体肾病模型。乙醛酸盐迅速转化为草酸盐，在数小时内增加内源性草酸盐产生并诱导肾小管线粒体损伤和氧化应激，随后在几天内形成肾小管内草酸钙晶体。这使得该模型特别适合研究早期晶体-细胞相互作用、氧化途径和晶体诱导炎症的机制。基于乙醛酸盐的模型极大地有助于定义连接肾小管上皮损伤、活性氧生成、晶体成核和潴留的顺序，并已被用于评估抗氧化和抗炎策略。尽管如此，腹腔内乙醛酸盐给药的常见用法代表了一个重要的转化限制。与其他胃肠外草酸盐生成方法一样，该模型不适合研究肠道草酸盐处理机制或微生物群介导的草酸盐降解。此外，重复给予高剂量乙醛酸盐可能更倾向于模拟急性晶体诱导的损伤，而不是草酸钙肾结石病的慢性和多因素发展。
除了主要的草酸盐生成刺激外，一些饮食干预常用于改变疾病严重程度。镁缺乏加速结晶尿和草酸钙沉积，而镁补充可以减轻这些效应。维生素B6缺乏损害乙醛酸盐代谢并增加草酸盐产生，而膳食钙的可利用性直接影响肠道草酸盐吸收和尿草酸盐排泄。这些调节因子提供了有价值的实验工具来剖析易感性机制；然而，它们也引入了可能降低与自发性人类疾病相似性的额外变量，因此应明确报告。
4.5. 物种、品系和性别作为实验结果的決定因素
实验性高草酸尿症方案产生的表型强烈受动物遗传和生理背景的影响。因此，诱导方法本身并不能定义模型，在比较不同研究的结果时应考虑物种、品系、性别、年龄和肾脏成熟度。品系依赖性差异在化学诱导的啮齿动物模型中尤为明显。例如，Wistar大鼠在EG给药后比Fischer 344大鼠积累更多的肾脏草酸钙，这反映了更高的血浆草酸盐、更大的尿草酸钙过饱和度以及影响晶体成核和潴留的尿大分子和蛋白质组成的差异。这种区别不能仅归因于草酸盐负荷：修饰或去除尿蛋白组分缩小了两个品系之间的差异，表明品系特异性的抑制剂能力决定了给定程度的过饱和度是否会发展为晶体潴留。类似的差异也发生在大鼠和小鼠身上，其对乙醛酸盐和草酸盐诱导的肾脏草酸钙沉积的易感性在常用的近交系小鼠之间存在显著差异。这对遗传模型有直接影响，因为在易感背景下的相当一部分Agxt缺陷雄性会发展成尿路结石病，但与其他相比表现出更温和的表型，因此相同靶向等位基因可以根据背景品系和回交程度产生不同的晶体负荷。因此，应将品系视为一个实验变量，并且在具有不同背景的品系上进行的研究之间的比较应谨慎进行。
性别也显著改变了疾病表现。实验证据表明雄激素促进而雌激素减弱草酸钙晶体沉积。因此，在可比的高草酸尿症条件下，完整的雄性啮齿动物通常比雌性或阉割的雄性发展出更广泛的晶体沉积和肾损伤。因此，研究应明确报告性别，并避免在没有支持证据的情况下将在一种性别中获得的结果推广到两种性别。年龄是另一个变异来源。肾功能、肾小球滤过率、尿液成分和草酸盐处理在发育过程中会发生变化。这个问题在快速生长的动物中尤其相关，在这些动物中，肾脏成熟的变化可能使尿草酸盐排泄的纵向解释复杂化。因此，在适当的情况下，应使用适当的归一化方法来解释草酸盐排泄，例如尿草酸盐与肌酐的比值，并结合肾功能标志物。这些生物学变量不应仅仅被视为方法论细节。它们可能影响给定的实验方案是产生孤立的高草酸尿症、结晶尿、肾钙质沉着症还是临床上相关的肾损伤。因此，它们的系统报告和纳入比较分析对于提高跨实验系统的可重复性和解释至关重要。
5. 原发性高草酸尿症的遗传模型
基因工程小鼠模型为原发性高草酸尿症提供了最高水平的结构效度，因为它们再现了负责内源性肝脏草酸盐过量生产的潜在酶缺陷。因此，这些模型已成为研究疾病机制以及对底物减少、基因替换和基因编辑疗法进行临床前评估不可或缺的工具。针对肠道草酸盐转运蛋白和内源性晶体形成抑制剂的互补敲除模型进一步剖析了在草酸盐产生后控制草酸盐稳态、晶体潴留和肾损伤的通路。
5.1. PH1：Agxt缺陷小鼠
对Agxt的靶向破坏会产生发育正常的小鼠，但其表现出升高的血浆和尿乙醇酸盐、增加的尿草酸盐排泄、结晶尿，并且在易感的遗传背景下，相当比例的雄性动物会出现草酸钙尿路结石病。虽然自发性肾钙质沉着症通常较轻并随着年龄增长逐渐发展，但额外的草酸盐负荷，最常见的是使用EG，会诱发严重的肾钙质沉着症、进行性肾损伤和肾功能障碍，从而创建一个灵活的疾病进展“二次打击”模型。Agxt缺陷小鼠已成为PH1治疗开发的主要临床前平台。通过腺病毒和腺相关病毒载体恢复肝脏AGT表达可纠正生化表型，而同一模型也为基于RNA干扰的底物减少和口服草酸脱羧酶疗法提供了概念验证。其主要局限性是相对温和的自发性肾脏表型，这意味着通常需要额外的草酸盐挑战才能再现进行性肾钙质沉着症和肾损伤。
5.2. PH2：Grhpr缺陷小鼠
Grhpr敲除小鼠再现了PH2的生化异常，并发展为伴有草酸钙晶体形成的显著高草酸尿症。在HP挑战后，这些动物表现出严重且高度可重复的表型，其特征是大范围的肾钙质沉着症、肾功能进行性恶化以及数周内血浆胱抑素C浓度升高。与Agxt缺陷小鼠相比，疾病进展更为一致且严重得多。该模型对于治疗评估特别有价值。使用N-炔丙基甘氨酸对羟脯氨酸脱氢酶的药理学抑制可显著改善存活率，同时预防结石形成、肾小管损伤和肾功能障碍。然而，与PH1一样，加速的疾病进展很大程度上依赖于膳食HP负荷，这在模拟自发性人类疾病时是一个重要的局限性。
5.3. PH3：Hoga1缺陷小鼠
Hoga1敲除小鼠再现了PH3的特征性生化改变，包括血浆和尿中4-羟基-2-酮戊二酸和2,4-二羟基戊二酸浓度升高，以及羟脯氨酸代谢改变。然而，与PH3患者相反，当这些动物维持在无羟脯氨酸的饮食上时，未能发展出自发性高草酸尿症。这种差异被认为是由乙醛酸盐代谢的物种特异性差异造成的，特别是小鼠中线粒体AGT活性的持续存在，而人类AGT仅限于过氧化物酶体。因此，目前的PH3小鼠模型表现出优异的结构效度但有限的表面效度。这说明了转化建模的一个重要原则：因果突变的重现并不能保证临床表型的再现，特别是在代谢途径在物种间存在差异的情况下。因此，现有PH3模型用于治疗疗效研究的效用仍然有限。
5.4. 快速工程化和人源相关遗传模型
体细胞基因组工程的近期进展显著加速了实验性高草酸尿症模型的开发。脂质纳米颗粒介导的CRISPR-Cas9递送已被用于在同一个实验平台内生成PH1模型和评估治疗性基因组编辑。单次静脉注射靶向肝脏Hao1的LNP递送的CRISPR-Cas9在整个12个月的随访期内产生了持续的治疗效果，没有检测到显著的脱靶效应、肝毒性或明显的免疫反应，而LNP介导的对Hao1的碱基编辑在PH1大鼠中实现了持久的代谢纠正，尿草酸盐正常化维持了至少6个月。两个安全问题主导着这些方法的转化，也是临床前动物模型仍然必要的重要原因。第一个是编辑特异性。基于核酸酶的编辑通过双链断裂起作用，并可能在编辑过的肝细胞中产生脱靶的插入和缺失、大的靶向缺失、染色体重排和p53依赖性反应。碱基编辑器避免了双链断裂，但引入了不同的风险，包括编辑窗口内的旁观者编辑以及引导非依赖性的DNA或RNA脱氨。在上述靶向Hao1的研究中，脱靶编辑率很低，但肝细胞编辑是永久性的，如果出现迟发性不良反应则无法撤回。因此，全基因组无偏脱靶评估和长期随访仍然至关重要。针对HAO1的一个具体考虑是，该策略有意制造了一种类似于乙醇酸氧化酶缺乏的状态；尽管在有限的可用人类证据中，终身丧失HAO1功能似乎耐受良好，但终生完全酶消融的后果仍未完全确定。第二个问题是递送。全身给药的LNP显示出强烈的肝脏趋向性并且有临床先例，但它们的使用可能与输注相关反应、补体激活和一过性转氨酶升高有关。它们的短暂暴露也可能需要重新给药，对此抗PEG免疫是一个潜在的限制。AAV载体提供持久的表达，但受到预先存在的和治疗诱导的中和抗体、剂量依赖性肝毒性和与持续载体基因组相关的潜在长期安全性问题的限制。报告代谢纠正的临床前研究不仅应评估治疗效果，还应评估脱靶编辑、肝脏组织病理学、免疫原性和持久性。这些参数对于确定基因组编辑方法治疗高草酸尿症的临床可行性至关重要。这些方法显著缩短了模型生成和治疗验证所需的时间，从而加速了目前正朝着临床应用发展的基因编辑策略的临床前开发。尽管如此，体细胞基因组编辑无法完全再现种系酶缺陷的发育和终身后果。因此，种系敲除模型仍然是研究疾病发病机制和自然史的重要参考系统。
5.5. 转运蛋白和晶体潴留敲除模型
一组互补的基因修饰模型已被用于研究草酸盐处理而非草酸盐产生。缺乏顶端氯离子/草酸盐交换器Slc26a6的小鼠发展为肠源性高草酸尿症、高草酸血症和高发生率的草酸钙尿路结石病，因为肠道草酸盐分泌受损会增加净草酸盐吸收。限制膳食草酸盐可显著减轻此表型，证实了肠道运输在全身草酸盐稳态中的核心作用。除了肠道吸收之外，Slc26a6还在肾功能下降期间有助于保护性肠道草酸盐分泌，从而将肠道运输与CKD中的全身草酸盐平衡联系起来。在人类中鉴定出一个导致遗传性肠源性高草酸尿症的显性负性SLC26A6变体，为小鼠遗传学和人类疾病之间提供了直接的对应关系。因此，这些模型已经确立了肠道作为草酸盐稳态的一个活跃且可通过治疗干预的调节器的地位，为靶向转运蛋白和肠道导向的干预措施提供了理论基础。
第二组敲除模型侧重于内源性晶体形成抑制剂。缺乏骨桥蛋白或Tamm-Horsfall蛋白的小鼠单独表现出有限的自发性肾脏钙化；然而，两者的联合缺乏在经历高草酸尿症挑战后导致了广泛的肾小管内草酸钙结晶和结石形成，而单个敲除在很大程度上仍受到保护。这些发现表明，尿大分子作为部分冗余的生理性抑制剂，作用于晶体成核、聚集和潴留。总的来说，转运蛋白和晶体潴留模型通过剖析决定草酸盐负荷是否最终进展为临床上显著的晶体沉积和肾损伤的序列生物学过程，补充了上述肝脏过量产生模型。
6. 继发性和肠源性高草酸尿症——模拟肠道-肾脏轴
肠源性高草酸尿症在临床上定义为在伴有脂肪吸收不良的胃肠道疾病背景下尿草酸盐高于约40 mg/24 h，历史上相对于其临床重要性而言，其建模不足，但最近的系统现在捕捉到了其机制。如果不进行治疗，它是草酸盐肾病和不可逆肾衰竭的一个公认原因，尤其是在Roux-en-Y胃旁路术后。
6.1. 吸收不良和炎症性肠病模型
两个互补的小鼠模型能够再现肠源性高草酸尿症的主要临床驱动因素。在外科模型中，饮食诱导的肥胖小鼠接受Roux-en-Y胃旁路术，然后维持在高脂肪、草酸盐富集的饮食上，导致脂肪吸收不良和高草酸尿症的发展，这与减肥术后的肠源性高草酸尿症相似。在炎症模型中，易患回肠炎的SAMP1/YitFc小鼠在接受高脂肪、草酸盐补充饮食后，会发展出类似于克罗恩病的吸收不良性高草酸尿症。两者都再现了粪便脂肪增加和尿草酸盐升高，并允许研究胆汁酸、肠腔游离脂肪酸和粘膜通透性如何促进草酸盐吸收。这些模型技术要求高且表型多变，但提供了单独的饮食负荷无法提供的结构效度。
6.2. 无菌、人源微生物群相关和粪便移植模型
无菌和限菌动物、选择性定植和粪菌移植已经证实，肠道微生物组是草酸盐稳态的真正调节者，而不是被动的旁观者。临床和转化研究强化了这一点，并且已证明结石患者的粪便微生物组携带独特的特征，相对于非结石患者，其降解草酸盐的功能能力降低，肾结石病中的肠道-肾脏轴远远超出了草酸杆菌属。将粪便微生物群移植到高草酸尿症大鼠体内，通过恢复有益的微生物群分类群和肠道屏障功能，显著减少了草酸钙结石形成和肾损伤，证明了因果性和可转移的微生物效应。此类模型对于剖析哪些微生物功能介导保护作用是必不可少的，并为微生物和酶疗法提供了理论依据。相反，细菌生物膜可以为晶体成核和聚集提供支架，这提醒我们微生物组对结石疾病的影响是双向的。
6.3. 产草酸杆菌定植模型
产草酸杆菌是一种专性厌氧菌，以草酸盐作为其唯一的碳源和能源，在细菌定植模型中占有特殊地位。其在肠道中的缺失与人类的草酸钙结石病相关，而在啮齿动物中，产草酸杆菌定植通过两种机制降低尿草酸盐：肠腔内的草酸盐降解，以及独特地，诱导净肠道（结肠）草酸盐分泌，从而降低全身草酸盐负荷。这种分泌效应不需要顶端转运蛋白Slc26a3或Slc26a6，表明存在微生物-宿主草酸盐交换的其他途径。在胃旁路大鼠模型中，产草酸杆菌定植将尿草酸盐降低了高达约74%。这些发现使该生物体既成为肠道-肾脏轴的机制探针——现在是一个连接微生物组、宿主草酸盐转运蛋白和肾功能的完善的概念框架——又成为一种候选疗法。
7. 膳食性高草酸尿症和现实世界草酸盐暴露模型
膳食性高草酸尿症在原发性和肠源性高草酸尿症之间占据着一个独特且临床上重要的位置，并且是与大量特发性钙结石患者最相关的变体。在乙醛酸盐代谢正常且肠道功能完好的人群中，大约一半的尿草酸盐来自饮食，一半来自内源性合成，这使得饮食成为尿草酸盐最大的可改变决定因素。至关重要的是，这种贡献不是固定的：摄入的草酸盐到达尿液的比例随着食用餐食的成分而发生数倍的变化。这正是为什么饮食模型不能简化为一定剂量的可溶性草酸盐盐的原因。三个因素主导着草酸盐的生物利用度。第一，化学形式：可溶性草酸盐，如生菠菜或大黄中的，远比主要存在于黑豆等食物中的不溶性草酸钙更具生物利用度，因此总草酸盐含量是衡量可吸收草酸盐的不良指标。第二，共摄入的钙是主要的调节剂——Ca2+在肠腔内结合草酸盐形成不溶性复合物并通过粪便排出，将钙摄入量从大约1000毫克/天减少到400毫克/天会使摄入的草酸盐出现在尿液中的比例从20-40%增加到约50%。镁、植酸盐和膳食纤维的作用类似，但其效果似乎不如Ca2+强。第三，膳食草酸盐前体对任何仅基于食物草酸盐的测量都有贡献：包括来自胶原蛋白的羟脯氨酸、乙醇酸盐和抗坏血酸，它们会非酶促降解为草酸盐。这解释了为什么相同的草酸盐摄入量在不同个体和不同实验饮食之间可能产生显著不同的尿液反应。这些相互作用的生理学后果已在人类中得到直接证明：一顿富含草酸盐的餐食会在数小时内提高尿草酸盐，并诱导尿草酸钙纳米晶体的可测量增加，这表明普通的饮食暴露——不仅仅是极端负荷——可以瞬时地将尿液推向结晶状态。慢性的、低度的膳食草酸盐暴露越来越被认为与超越结石形成的肾功能下降以及草酸盐积累的全身性后果有关。这对高草酸尿症模型的设计有直接影响。给予可溶性钾或草酸钠提供了确定的、高度可重复的负荷，但剥离了决定真实人类暴露的食物基质、钙-草酸盐相互作用和消化过程；因此，这类模型结合了高内部效度和低饮食真实性。全食物的、“人性化”的高草酸盐饮食——由大黄、菠菜、番茄汁和土豆等食物构建——恢复了这种真实性，但代价是可重复性，因为植物材料的草酸盐含量随品种、季节、土壤和加工方式而变化，煮沸可以将大黄的可溶性草酸盐大致减半。因此，使用此类饮食的研究应测量而非估计最终饲料的可溶性草酸盐含量，并应明确报告膳食钙，因为钙与草酸盐的比率可能像草酸盐剂量本身一样影响尿草酸盐。
自然发生的草酸钙结石病动物模型
狗和猫会自发地发展出草酸钙尿路结石病，因此与实验诱导的模型相比，提供了一种概念上不同类型的转化证据。它们的疾病发生在暴露于异质性遗传、饮食、环境和代谢影响的远交种群中，并且可能随时间复发，为研究自然发生条件下的结石形成提供了机会。草酸钙在两种物种中仍然是主要的尿路结石类型之一，尽管其相对频率随时间变化并在不同种群中存在差异。较早的流行病学研究记录了含草酸钙结石比例的增加伴随着含鸟粪石结石比例的下降，而最近来自北美尿路结石数据库的大规模分析报告称，狗和猫中含草酸钙结石的比例随后有所下降。因此，尿路结石成分的时间趋势并不统一，可能反映饮食、管理、品种分布和其他环境因素的变化，而不是单一的因果机制。
狗和猫草酸钙尿路结石病的几个危险因素与人类中认识到的重叠，尽管它们的相对重要性在不同物种之间存在差异。在狗中，年龄增长、雄性、绝育状态、超重或肥胖、品种以及增加尿钙排泄的异常与草酸钙尿路结石病相关。充分描述的品种易感性包括迷你雪纳瑞犬、拉萨阿普索犬、约克夏梗犬、比熊犬、西施犬和迷你贵宾犬。在猫中，已有多个品种报告风险增加，包括波斯猫、喜马拉雅猫、缅甸猫、英国短毛猫、布偶猫和其他品种群体，尽管这些关联的大小和一致性在不同人群中存在差异。这些与品种相关的差异支持了对易感性的遗传贡献，并提供了研究遗传背景与环境或代谢因素之间相互作用的机会。
代谢和尿液因素与伴侣动物的草酸钙形成尤其相关。高钙尿症是狗和猫的一个重要风险因素，而高钙血症可能增加尿钙排泄并易患草酸钙尿路结石形成。在患有自然发生的草酸钙尿路结石病的猫中，高钙血症，包括特发性高钙血症，已被相对频繁地报道。在狗中，与尿钙排泄增加相关的疾病，包括高钙血症和肾上腺皮质功能亢进，被认为是草酸钙尿路结石病的公认风险因素。饮食成分还可能影响尿钙和草酸盐浓度、尿量和草酸钙过饱和度。然而，尽管膳食草酸盐可以增加尿草酸盐的可利用性，但尿草酸盐似乎在猫和狗的自然发生草酸钙尿路结石病中的作用不如在人类中突出，而尿钙似乎相对更重要。
重要的是，伴侣动物的自发性草酸钙尿路结石病不应等同于高草酸尿症。大多数成年猫和狗的自然发生草酸钙尿路结石病不具有原发性高草酸尿症典型的显著高草酸尿症特征，并且草酸钙结石形成可能发生在尿草酸盐排泄相对适中的情况下。因此，伴侣动物可能特别有助于研究特发性草酸钙结石形成以及尿钙、草酸盐、结晶抑制剂、饮食和其他代谢因素之间的相互作用，而不是主要作为全身草酸盐过量产生的模型。一个重要的例外是在猫中描述的自然发生的原发性高草酸尿症形式。据报道，受影响的亲属猫会发展出高草酸尿症和肾脏草酸钙沉积，并且该疾病后来被证明是由猫GRHPR基因突变引起的。这种情况对应于原发性高草酸尿症2型，其在人类中是由乙醛酸还原酶/羟基丙酮酸还原酶缺乏引起的。因此，猫GRHPR突变代表了一个专门与PH2相关的自然发生的遗传模型，而不是整个原发性高草酸尿症。
常见的犬和猫草酸钙尿路结石病在多大程度上再现了人类特发性草酸钙肾结石病的肾脏病理学尚未完全阐明。在人类中，特发性草酸钙肾结石病与Randall斑块密切相关，在某些患者中还与导管堵塞有关。狗和猫可以发展出肾脏矿化和草酸钙尿路结石，并且已记录到复发性疾病，但与人类乳头状结石形成途径相似的病变的发生、分布、时间发展和病理学意义尚未得到充分表征以建立完全的机制等效性。因此，现有的比较文献将伴侣动物确定为有前途的自然发生系统，同时也强调了其疾病肾脏发病机制中的重大知识空白。伴侣动物作为自然发生模型的主要优势在于它们能够捕捉自发性结石形成、疾病异质性、复发以及遗传易感性与长期环境和代谢影响之间的相互作用。与人类相比，它们相对较短的寿命也可能允许在较短的时间范围内研究复发和疾病进展。与此同时，自然发生的疾病本质上不如实验诱导的疾病标准化。受影响的动物为客户所有，饮食和环境暴露无法完全控制，纵向采样通常有限，并且肾组织通常只能在选定的临床情况下获得。这些特征限制了机制性实验，并使研究之间的直接比较更加困难。因此，伴侣动物草酸钙尿路结石病应被视为对受控实验模型的补充，而不是与之互换。啮齿动物和基因工程模型仍然更适合研究草酸盐代谢、明确的遗传缺陷和靶向治疗干预的机制研究，而狗和猫的自发性疾病则为研究特发性结石形成、遗传易感性、复发、饮食和环境影响以及自然发生条件下的长期疾病进展提供了机会。自然发生的猫GRHPR相关PH2表型还提供了一个用于研究原发性高草酸尿症2型的独特遗传模型。总体而言，伴侣动物最大的转化价值在于用暴露于临床相关环境和代谢影响的遗传异质性动物的自然发生疾病来补充高度控制的实验系统。
8. 大型动物和转化猪模型
8.1. 猪模型的理论基础
家猪代表了一种互补的大型动物模型，用于研究高草酸尿症和草酸钙结石病的选定方面。作为一种杂食性物种，猪与人类共享几个解剖学和生理学特征，包括胃肠道解剖学的某些方面、肠道传输、肾脏结构和体型。它们的多乳头肾脏以及类似的肾脏电解质和代谢物处理也提供了一个重要环境，可能有助于研究在常用啮齿动物模型中难以研究的导管过程。猪肾脏的多乳头结构可能特别适用于草酸钙结石病的研究，因为它提供了一个解剖学框架来研究在啮齿动物中不完全再现的乳头矿化、导管堵塞和Randall斑块相关机制。此外，猪的最大尿浓缩能力、肾脏血流动力学和肾小球滤过率比小鼠或大鼠更接近人类生理学，便于使用临床相关的成像方式、内窥镜技术、外科手术和治疗干预。与啮齿动物相比，猪在体型、肾脏解剖学、草酸盐处理和代谢生理学方面与人类相似。此外，猪模型再现了人类草酸盐稳态的重要方面，包括涉及乳酸脱氢酶和丙氨酸-乙醛酸氨基转移酶以及Cl-/C2O42-转运机制的肝脏代谢途径。这些相似性可能与草酸盐稳态和草酸钙沉积有关。此外，先前在猪中的饮食研究已经证明草酸钙在与人类相似的解剖部位积聚。远交猪群也可能比高度近交的实验啮齿动物品系捕获更大的遗传变异性。这些特性可能有助于研究膳食性高草酸尿症、乳头状晶体沉积机制、草酸钙肾病的进展以及设备、手术方法和新兴治疗策略的临床前评估。然而，猪模型的潜在优势伴随着实际局限性，包括更高的饲养和维护成本、专业基础设施、更长的实验周期以及增加的伦理和监管要求。产草酸杆菌在猪盲肠的定植是尝试使用完整猪诱导膳食性高草酸尿症时的另一个额外考虑因素。尽管存在这些局限性，猪的高草酸尿症和草酸钙尿路结石病模型可以通过提供一个更大的动物环境来研究疾病发病机制和转化的选定方面，从而补充啮齿动物和其他实验系统。因此，其与人类的解剖学和生理学相似性应在特定研究问题的背景下加以考虑，不应被解释为普遍优越的转化或预测有效性的证据。
8.2. 猪高草酸尿症的实验性诱导
猪的高草酸尿症可以使用药理学、饮食或疾病基础的方法诱导，每种方法再现了人类草酸盐代谢的不同方面。膳食蛋白质富集和HP补充增加了内源性草酸盐产生并促进了被认为是结石形成潜在前体的草酸钙乳头状沉积，而受控的草酸钠给药提供了一种在明确实验条件下诱导急性或慢性高草酸尿症的可重复方法。在Mandel等人的研究中，用10% HP富集饮食喂养猪会导致高草酸尿症、草酸钙结晶尿和草酸钙乳头状沉积。该研究包括一个有趣的观察，即即使将饮食中HP的含量增加到20%，反应也没有进一步增加。Kaplon和Patel成功使用不同浓度的HP在成年妊娠母猪中诱导了高草酸尿症。尽管成功发展了高草酸尿症，但在两项研究中均未报道草酸钙结晶尿或组织沉积。Sivalingam等人报道，在饮食中添加5% HP 21天后，小母猪出现了高草酸尿症，同时出现了结晶尿以及肾小管、集合管中的草酸钙沉积以及乳头尖端的肾结石病。同样，含有4% HP的饮食在猪中诱导了肾钙质沉着症，并已成功用作评估口服草酸盐降解酶疗法的临床前平台。猪模型的敏感性和相关性此前也在一个继发性高草酸尿症的猪模型中得到证明，该模型由高草酸盐饮食诱导，该饮食由大黄富集的普通猪饲料制成，其钙和镁含量被改变以反映西方饮食。大黄富集饮食被猪很好地耐受，并导致尿草酸盐排泄水平的显著增加，该水平对口服草酸盐降解酶疗法敏感。Penniston等人试图评估喂食高草酸盐-高钙、高草酸盐-低钙或正常草酸盐-低钙饲料14天的大白猪与长白猪杂交小母猪的草酸尿程度和肾脏草酸钙晶体沉积。作者观察到两组喂食高草酸盐的动物均出现高草酸尿症，与膳食钙含量无关，以及普遍存在的多相草酸钙晶体和其他肾损伤的组织病理学迹象。然而，作者在猪的饮食中使用了非常高的膳食草酸盐负荷，这可能诱发毒性和非生理性反应。前述高草酸尿症模型的一个临床相关替代方案是猪的外分泌胰腺功能不全模型。胰腺酶缺乏导致脂肪吸收不良和肠道微生物组的显著变化，从而增加肠道草酸盐吸收。当EPI猪接受草酸盐富集饮食时，它们会发展出高草酸尿症和草酸钙肾结石病，密切再现了在胰腺疾病或其他吸收不良性疾病患者中观察到的肠源性高草酸尿症的病理生理学。该模型还提供了一个机会来研究胰酶替代疗法和其他针对肠道草酸盐吸收的干预措施。
静脉注射草酸钠代表了一种互补方法，它通过绕过肠道吸收和肝脏代谢来分离全身草酸盐暴露的肾脏后果。在最近的一项猪试点研究中，在15小时内给予分级的1% NaOx输注产生了剂量依赖性的血浆草酸盐浓度升高，以及暂时的高草酸尿症，在输注停止后数小时内消退。在7-11天内重复给药导致持续性高草酸血症、进行性肾钙质沉着症、肾功能受损以及肾组织内剂量依赖性的草酸钙沉积。因此，这种双重方案涵盖了急性和慢性疾病状态：急性期适用于药代动力学和剂量递增研究，而慢性期为治疗评估提供了可重复的组织学和功能终点。其主要局限性是胃肠外草酸盐给药绕过了肠道草酸盐处理，因此不能用于研究肠道导向的治疗策略。
8.3. 新兴的人源相关饮食方法
当前猪研究中的一个重要目标是增加膳食性高草酸尿症模型的生理相关性。用定义明确的可溶性草酸盐盐补充的传统饮食提供了精确的暴露控制和较高的实验可重复性，但它们不能再现决定人类草酸盐生物利用度的食物成分、草酸盐溶解度、膳食钙、镁、纤维和肠道处理之间的复杂相互作用。因此，全食物饮食方法可能提供持续的膳食草酸盐暴露的互补模型。此类模型有可能纳入食物基质以及草酸盐与其他饮食成分之间的相互作用，从而提高饮食真实性。它们的主要局限性是标准化程度降低，因为植物来源成分的草酸盐含量和生物利用度可能因品种、栽培条件、加工和制备而异。因此，未来的饮食模型应将改进的生理相关性与对最终实验饮食的严格分析表征相结合。特别是，应直接测量可溶性和总草酸盐浓度，并应报告钙与草酸盐的比率、镁含量以及其他影响草酸盐吸收的饮食因素。这种标准化对于确定更具生理代表性的饮食范式是否能提高实验模型再现持续性高草酸尿症和临床相关草酸钙相关表型的能力至关重要。
8.4. 转化应用
猪模型可能提供一个有用的中间实验平台，用于评估选定的饮食干预、草酸盐结合化合物、草酸盐降解酶、微生物组导向疗法、腔内泌尿外科技术以及其他依赖于大型动物解剖学或胃肠生理学的干预措施，然后再进行临床研究。该模型特别适合于评估肠道导向疗法，包括口服草酸脱羧酶和工程益生菌方法，其功效取决于无法在体外忠实地再现或仅在啮齿动物中充分建模的肠道管腔条件。然而，它们的主要价值在于解决那些仅靠小型动物系统无法充分回答的问题。因此，模型可以顺序使用，并且猪模型不应取代啮齿动物或遗传模型，而应被视为互补的转化平台，将小型动物研究的机制发现与人类生理学的方面联系起来。啮齿动物和遗传系统可以支持机制发现、靶点验证和早期治疗优化，而猪模型可以有选择地用于调查需要大型动物解剖学、临床相关程序或无法在较小物种中充分再现的胃肠道
