综述：Experimental animal models for urolithiasis (kidney stone): A comprehensive review

本综述全面探讨了泌尿系结石（urolithiasis）动物模型的研究进展，为新药筛选和机制研究提供了重要参考。

　　

摘要

实验动物模型在医学、生物学和药理学等多个领域的科学研究中发挥着至关重要的作用。这些模型帮助研究人员理解人类的生理和病理过程，并为研究生物过程和疾病提供了科学的方法。通过观察动物体内疾病的进展，研究人员可以深入了解其背后的机制，并将其应用于人类。在新药或疗法进入人体试验之前，必须在动物模型中进行严格的测试，以评估其安全性和有效性。动物研究有助于识别潜在的副作用，并确定适当的剂量，然后再推进到人体临床试验。

泌尿系结石（urolithiasis），通常称为肾结石，是一种以泌尿道内固体结晶形成为特征的疾病。动物模型对于理解泌尿系结石的发病机制、测试潜在治疗方法以及开发预防策略至关重要。由于生理结构与人类相似且便于实验操作，大鼠常被用于泌尿系结石的研究。通过饮食干预（如高钙或草酸饮食）或给予结石诱导剂（如乙二醇）等方法，可以诱导大鼠形成泌尿系结石。小鼠也是泌尿系结石研究中常用的动物模型，其结石诱导方法与大鼠类似，包括饮食干预、化学诱导或基因修饰。这些动物模型为研究泌尿系结石的病理生理学提供了宝贵的见解，包括结石的形成、生长、滞留和排出过程。它们还为测试新的治疗方式、评估预防措施的效果以及研究导致结石形成的遗传和环境因素提供了平台。本综述旨在探索用于筛选抗泌尿系结石化合物的各种动物模型，为该领域的进一步研究铺平道路。

1. 引言

肾结石在普通人群中大约有10%的发生率。泌尿系结石在全球范围内均有发生，不受地域、种族或文化的限制。在印度，约12%的人口受到泌尿系结石的影响，其中50%的病例可能导致肾损伤。某些地区，如马哈拉施特拉邦、古吉拉特邦、拉贾斯坦邦、旁遮普邦、哈里亚纳邦、德里以及东北部省份，因肾结石的发生率较高而被称为“结石带”。一项在印度中部的教学医院进行的研究发现，在因泌尿系疾病住院的女性患者中，肾结石是最常见的诊断，平均年龄为34.6岁。从全球范围来看，肾结石影响约12%的人口，年发病率约为1%，终生风险在15%到25%之间。肾结石引起的剧烈疼痛被称为肾绞痛（acute renal colic），这种疼痛源于泌尿系统内的结石。结石可能出现在肾脏到尿道的任何部位，并可能导致慢性肾病（CKD），尤其是由罕见遗传疾病引起的肾结石；不同的方法可用于预防复发。肾结石的形成原因多种多样，包括药物（如阿司匹林、抗酸药、镁三硅酸盐、环丙沙星、氨苯蝶啶、茚地那韦等）、肥胖、胰岛素抵抗、胃肠道疾病、居住在温暖地区以及某些饮食习惯（如富含钙、碳水化合物和草酸的食物）。肾结石的类型包括磷酸铵镁（struvite）、磷酸钙、草酸钙、半胱氨酸和尿酸。肾结石的症状包括剧烈的背部或侧部疼痛、发热和寒战、血尿、呕吐、尿液有异味或呈云雾状，以及排尿时的灼热感。治疗肾结石的疼痛缓解方法包括非甾体抗炎药（NSAIDs，如酮咯酸、布洛芬、双氯芬酸）和阿片类药物（如可待因、吗啡）。尽管不同类型的抗泌尿系结石药物被认为具有相似的疗效，但其安全性和耐受性因剂量和用药时间而异。因此，需要进行临床前研究，涉及动物的使用。为了测试新的肾结石药物候选物并确定其作用机制，实验动物模型是必不可少的。目前，用于研究抗泌尿系结石化合物作用机制的动物模型包括乙二醇诱导的大鼠泌尿系结石模型、乙二醇和氯化铵诱导的大鼠泌尿系结石模型以及草酸钠诱导的大鼠泌尿系结石模型。本综述致力于探索用于抗泌尿系结石研究的不同动物模型。

1.1 泌尿系结石的病因（etiology of kidney stone）

泌尿系结石的形成原因复杂且多因素。结石是由尿液中的物质过度浓缩并结晶化而形成的。不喝水会导致尿液浓缩，使矿物质更容易结晶并形成结石。食用高钠、草酸和动物蛋白的饮食会增加肾结石形成的风险。有些人可能有形成肾结石的遗传倾向。家族中有肾结石病史会增加个体的发病风险。某些疾病也会增加肾结石的风险，包括高钙尿症（尿液中钙含量高）、甲状旁腺功能亢进（甲状旁腺过度活跃）、痛风、尿路感染和某些代谢紊乱。超重或肥胖会增加肾结石的风险，因为这会导致尿液成分和代谢的变化，此外，药物、抗菌因子和气候也可能增加肾结石的风险。

1.2 泌尿系结石的病理生理学（pathophysiology of kidney stone）

结石形成的精确过程尚不清楚。尿液的过饱和是一种由多种胶体和晶体组成的高度饱和溶液。由于尿液中含有防止结石形成的抑制剂，因此在正常情况下不会发生沉淀。当尿液因一种或多种结石形成（结晶）化学物质而过饱和时，可能会通过成核过程形成种子晶体。成核是过饱和溶液从液态向固态转变的初始阶段。这一过程的第一步是将结石盐在溶液中混合成松散的簇，这些簇有可能随着更多成分或簇的加入而增大。最初的晶体具有独特的晶格排列，并且不会溶解，称为核。核通常在尿液中现有的表面上形成，这一过程称为异质成核。如果核达到一定大小且相对过饱和度仍大于1，则会向晶体核添加新的晶体成分，以减少总自由能。这一过程称为晶体生长。晶体生长是粒子产生以及随后结石形成的一个条件。晶体生长和聚集在结石形成的每个阶段都起着关键作用。在这个过程中，溶液中的晶体相互粘附，形成较大的颗粒。在结石形成过程中，这是最关键的阶段。尽管晶体形成无疑是肾结石形成的一个阶段，但生长过程如此缓慢，以至于晶体无法仅通过这一机制增大到足以阻塞肾小管并停留在那里的程度，因为肾小管液需要几分钟才能流经肾脏。黏度结合促进晶体聚集，表明异常自聚集的糖蛋白或其他大分子像胶水一样黏附在晶体表面。晶体与细胞相互作用的机制极其复杂，许多机制仍然未知。尿液过饱和是导致结晶的状态。随后，晶体黏附在肾小管上皮细胞上并被其吸收。

1.3 泌尿系结石的成分（composition of kidney stone）

泌尿系结石是一种硬块，它在一只或两只肾脏中形成，是由晶体聚集而成的，大小可以从几毫米到几厘米不等。大多数结石会自然地通过尿液排出体外，但有些可能需要由医疗专业人员进行移除。磷酸盐、尿酸、磷酸铵镁、磷灰石和磷酸铵镁晶体形成了泌尿系结石。大约75%的泌尿系结石含有钙，可以由纯草酸钙晶体（50%）、磷酸钙晶体（5%）或这两种物质的组合（45%）组成。

2. 泌尿系结石诱导剂及其作用机制（list of lithogenic agents and their mechanism of action for inducing kidney stone）

2.1 草酸钠诱导的泌尿系结石（sodium oxalate induced urolithiasis）

草酸钠诱导的泌尿系结石发生在体内草酸过多，导致泌尿系结石形成时。草酸钠是草酸的盐形式，其摄入可class="paragraph">结石形成。草酸钠诱导泌尿系结石的机制包括：草酸钠在胃肠道吸收后进入血液，随后被肾脏过滤并随尿液排出。当尿液中草酸浓度因摄入过多草酸钠或富含草酸的食物而升高时，草酸会与钙离子结合形成草酸钙晶体。这些晶体聚集并沉淀在泌尿系统中，导致结石形成。

2.2 乙醇酸诱导的泌尿系结石（glycolic acid induced urolithiasis）

乙醇酸诱导的泌尿系结石是由于乙醇酸暴露引起的泌尿系结石形成。这种结石与某些代谢紊乱相关，例如原发性高草酸尿症I型（PH1），患者体内草酸生成过多，导致草酸积累并形成草酸钙结石。乙醇酸在肝脏代谢生成草酸，随后与钙离子结合形成草酸钙晶体，这些晶体聚集并沉淀在泌尿系统中，导致结石形成。

2.3 乙二醇诱导的泌尿系结石（ethylene glycol induced urolithiasis）

乙二醇诱导的泌尿系结石是一种严重的中毒性疾病，通常由摄入乙二醇（防冻液的主要成分）引起。乙二醇本身不会直接导致结石形成，但其代谢产物会引发泌尿系结石。乙二醇在肝脏中被代谢生成草酸，随后与钙离子结合形成草酸钙晶体。这些晶体聚集并沉淀在泌尿系统中，导致结石形成。此外，乙二醇中毒还会导致严重的系统性毒性，包括代谢性酸中毒、肾衰竭和中枢神经系统抑制。

2.4 羟脯氨酸诱导的泌尿系结石（hydroxy-l-proline (hlp) and urolithiasis）

羟脯氨酸是一种胶原代谢产物，可在特定条件下导致泌尿系结石。羟脯氨酸在尿液中与钙离子结合形成可溶性复合物，当其浓度超过溶解度极限时，这些复合物会沉淀形成晶体，进一步聚集形成结石。尿液pH值、水化状态以及其他离子的存在会影响羟脯氨酸相关结石的形成。

2.5 草酸钙诱导的泌尿系结石（calcium oxalate induced urolithiasis）

草酸钙结石是最常见的泌尿系结石类型。其形成机制涉及一系列生化和生理过程，导致泌尿系统中草酸钙晶体的形成和生长。当尿液中钙和草酸浓度升高时，尿液会过饱和，钙和草酸离子会自发结合形成初始晶体。这些晶体通过吸引更多的钙和草酸离子从过饱和尿液中生长，并通过Tamm-Horsfall蛋白（THP）等大分子的聚集作用进一步增大。晶体可能黏附在肾小管上皮细胞上，导致结石形成。

2.6 乙二醇诱导的大鼠泌尿系结石（ethylene glycol induced urolithiasis in rats）

在乙二醇诱导的大鼠模型中，大鼠通过饮用水摄入乙二醇。低浓度（1%-5%）的乙二醇可能导致轻度肾损伤，但不会引起明显的结石形成或肾衰竭。高浓度（10%及以上）则会导致严重的毒性，诱导草酸钙晶体或结石在肾脏和泌尿系统中形成。乙二醇代谢生成的草酸会与尿液中的钙结合，形成草酸钙晶体，导致结石形成。

2.7 乙二醇和氯化铵诱导的大鼠泌尿系结石（ethylene glycol and ammonium chloride induced urolithiasis in rats）

乙二醇和氯化铵联合诱导的大鼠模型中，乙二醇作为草酸钙结石形成的底物，而氯化铵则促进肾脏中草酸钙的沉积和高草酸尿症。随着时间推移，大鼠肾小管和肾盂中会积累草酸钙晶体，导致结石形成。这种模型用于研究结石形成的病理生理学、评估潜在治疗药物的疗效以及探索结石形成和溶解的机制。

2.8 草酸钠诱导的大鼠泌尿系结石（sodium oxalate (naox) induced urolithiasis in rats）

草酸钠诱导的大鼠模型中，大鼠通过腹腔注射草酸钠，导致肾脏快速形成晶体。晶体在肾皮质的近曲小管内形成，其大小、数量和位置取决于注射剂量和间隔。高剂量草酸钠（10 mg/kg）可能导致肾扩张、草酸、尿酸、肌酐增加以及肾小管坏死。这种模型用于研究结石形成的机制和评估治疗干预的效果。

2.9 半胱氨酸模型（cystine model）

半胱氨酸模型用于研究半胱氨酸结石的形成、预防和治疗，模拟人类半胱氨酸尿症。这种遗传性疾病导致肾小管对半胱氨酸的转运缺陷，增加尿液中半胱氨酸水平。常用的动物模型包括小鼠（Slc3a1和Slc7a9基因敲除小鼠）、大鼠（化学诱导剂增加半胱氨酸结晶）和狗（某些品种具有自发结石形成能力）。这些模型用于研究半胱氨酸结石的代谢、复发和治疗效果。

2.10 磷酸铵镁结石模型（struvite model）

磷酸铵镁结石（磷酸铵镁结石）通常与尿路感染（UTI）相关，尤其是由产脲酶细菌（如变形杆菌）引起的感染。动物模型包括大鼠、小鼠、兔子、猪和狗。诱导方法包括细菌接种（将产脲酶细菌引入泌尿系统）、饮食诱导（高镁、铵或磷酸盐饮食）和化学诱导（向膀胱注射氯化铵等结石促进剂）。这些模型用于研究磷酸铵镁结石的形成机制、预防和治疗策略。

2.11 结石诱导饮食模型（calculi-producing diet induced urolithiasis）

结石诱导饮食模型通过喂食富含钙、草酸或两者的饮食来诱导大鼠形成泌尿系结石。这种饮食通常包括碳酸钙、磷酸钙、草酸钠或富含草酸的食物（如菠菜）。饮食诱导的结石形成模型用于研究结石形成的机制和评估饮食干预的效果。

2.12 草酸诱导的急性结石形成（glyoxylate induced acute lithiasis）

草酸诱导的急性结石形成模型通过向大鼠腹腔注射草酸（草酸的前体）来诱导泌尿系结石形成。草酸代谢生成草酸，导致尿液中草酸、钙和磷的沉积增加，从而促进结石形成。这种模型用于研究急性结石形成的机制和评估抗结石药物的效果。

2.13 锌片诱导的泌尿系结石（zinc disc induced urolithiasis in rats）

锌片诱导的泌尿系结石模型通过将锌片植入大鼠膀胱或泌尿系统来诱导膀胱结石形成。锌片植入后，大鼠尿液中的白蛋白和肌酐水平显著增加，导致结石形成。这种模型用于研究结石形成的机制和评估治疗干预的效果。

3. 结论与展望（conclusion and future prospective）

随着技术工具和方法学的进步，泌尿系结石（urolithiasis）动物模型的准确性、可靠性和转化价值有望大幅提升。这些技术包括活体成像技术（如X光、CT、MRI等）、光学相干断层扫描（OCT），可用于非侵入性、实时观察结石形成的早期阶段；基因组学和转录组学方法有助于深入理解泌尿系结石的分子机制，发现新的治疗靶点。例如，RNA-Seq可用于现有模型（如乙二醇或草酸钠模型）中，研究与氧化应激、炎症、结晶形成和肾脏损伤相关的基因表达变化。CRISPR-Cas9基因编辑技术可用于创建缺乏特定草酸代谢酶的基因修饰大鼠，揭示氧化应激和代谢途径在结石形成中的作用。此外，开发用于连续监测肾功能和结石形成标志物（如草酸、钙和肌酐）的生物传感器，可在动物研究期间提供实时数据。3D细胞培养和类器官技术可用于研究肾脏细胞对结晶和产脲酶细菌的反应，提供更可控且接近生理环境的研究平台。人工智能（AI）模型可用于分析CT扫描、MRI或组织学切片的复杂影像数据，识别肾脏组织的细微变化或结石进展。AI算法还可用于预测结石形成模式、评估治疗效果，并从各种影像学手段中自动化量化肾脏损伤或结晶负担。纳米技术和靶向药物递送可提高泌尿系结石治疗的效果，通过改善药物递送效率并减少副作用。整合这些先进技术将显著提升我们对泌尿系结石及其形成机制的理解，实现实时监测、更生理相关的模型、精准的基因操作以及更强的预测能力，从而推动药物测试和个性化治疗策略的发展。