背景：囊性纖維化動(dòng)物模型是了解CF發(fā)病機制和發(fā)展治療策略的關(guān)鍵?？紤]到CF影響包括胃腸道、肺、胰腺、肝臟和生殖器官在內的多個(gè)器官，需要產(chǎn)生精確捕獲所有疾病面的動(dòng)物模型。在過(guò)去的20年中，體內CF相關(guān)研究主要使用轉基因小鼠模型。已被證明這些小鼠模型對研究CF病理生理學(xué)方面是非常寶貴的，但是，它們有局限性。小鼠和人體解剖和生理學(xué)之間的明顯差異意味著(zhù)在人類(lèi)中觀(guān)察到的表型并不總是在小鼠體內復制。研究CF氣道疾病在小鼠模型中的某些特征已被證明是有問(wèn)題的。因為CF小鼠不能發(fā)展出包括粘液阻塞、慢性細菌感染和持續性炎癥的特征。在所有與人類(lèi)CF相關(guān)的臨床表現中，進(jìn)行性肺部疾病是患者發(fā)病和死亡的主要原因。因此，準確的CF肺疾病發(fā)生和發(fā)展的動(dòng)物模型對于研究發(fā)病機制、識別潛在的治療靶點(diǎn)和測試實(shí)驗治療是必不可少的。隨著(zhù)CF小鼠模型的建立，在開(kāi)發(fā)CF肺病動(dòng)物模型時(shí)，考慮到物種特性是很重要的?？赡苡绊懳锓N選擇的特征包括氣道細胞結構，特別是粘膜下腺體的分布和豐度、替代氯分泌途徑的優(yōu)勢，以及囊性纖維化跨膜傳導（CFTR）的結構和功能的保護。自CF小鼠模型的發(fā)展以來(lái)，基因工程的進(jìn)展促進(jìn)了一些替代模型的產(chǎn)生，包括CFTR敲除大鼠、敲除雪貂、兩個(gè)敲除豬模型和包含共同PHE508DEL CFTR突變的豬。CFTR敲除和PHE508DEL突變體CF兔模型早期也有報道。由于綿羊和人肺的相似性，長(cháng)期以來(lái)就提出了一種CF綿羊模型的產(chǎn)生。雖然CF綿羊模型尚未建立，基因編輯的快速發(fā)展可以促進(jìn)其在不久的將來(lái)產(chǎn)生。本綜述詳細介紹了現有的CF動(dòng)物模型氣道疾病表型，并檢查他們的優(yōu)勢和劣勢。

　　肺疾病病理生理學(xué)：在研究動(dòng)物模型中觀(guān)察到的表型之前，了解CF肺病的潛在病理生理學(xué)是必要的。在正常條件下，CFTR蛋白作為上皮陰離子通道，負責環(huán)AMP依賴(lài)的氯化物和碳酸氫鹽分泌，以及上皮細胞鈉通道（ENaC）的調節。當CFTR基因發(fā)生突變時(shí)，CF產(chǎn)生，隨后擾亂上皮離子轉運。迄今為止，已鑒定出超過(guò)2000種致病性CFTR突變。這些突變根據CFTR功能障礙的機制分為6類(lèi)，包括缺陷的蛋白質(zhì)合成和加工、功能失調的通道調節和傳導，以及降低蛋白質(zhì)合成和穩定性。最常見(jiàn)的CF引起突變是II類(lèi)突變PHE508DEL，約90%的CF患者攜帶一份拷貝。雖然CFTR在跨上皮離子轉運中的作用被廣泛接受，但CF肺疾病發(fā)展的確切機制早已爭論不休。關(guān)于CF肺疾病的發(fā)病機制提出了若干假說(shuō)。具有大量證據支持理論被稱(chēng)為"低容量"假說(shuō)。這一理論假設，由于功能失調CFTR減少的跨膜氯離子轉運，以及由于缺乏CFTR依賴(lài)性抑制eNAC引起的鈉吸收增加，造成離子失衡，導致滲透滲透到組織中的水吸收，減少氣道表面層（ASL）水合作用。耗盡的ASL導致粘液層脫水，粘性粘液粘附于氣道表面。粘液淤滯和黏膜纖毛清除受損（MCC）導致吸入微生物的無(wú)效清除。細菌粘附在氣道粘液上，最終形成生物膜，有效地躲避抗菌物質(zhì)和宿主嗜中性粒細胞。隨著(zhù)時(shí)間的推移，更多的抗性和非典型生物聚集在呼吸道中，包括分枝桿菌、酵母菌和真菌。慢性肺部感染的狀態(tài)引起持續的炎癥反應，導致氣道組織破壞、支氣管擴張、肺功能逐漸喪失，最終導致呼吸衰竭。

　　CF小鼠肺部疾病表型的研究：CF小鼠模型的疾病表型和嚴重程度由于基因背景的多樣性和用于產(chǎn)生動(dòng)物的基因打靶策略的差異而趨于異質(zhì)性。CF小鼠沒(méi)有表現出任何肺部病理學(xué)，新的證據表明，它們確實(shí)表現出一些人類(lèi)肺臟疾病的表型。與人類(lèi)CF氣道早期肺表型相似，多個(gè)研究表明CF小鼠顯示了改變的呼吸力學(xué)。當CF和野生型小鼠的肺在反復暴露炎癥刺激物（銅綠假單胞菌的脂多糖）下時(shí)，會(huì )引起炎癥反應的狀態(tài)，CF小鼠肺臟經(jīng)歷重塑和形態(tài)學(xué)改變，而野生型小鼠的氣道能夠有效恢復。最近的研究還表明，CF小鼠自發(fā)博德特拉呼吸道感染。雖然CF小鼠表現出肺部疾病的特征，但它們的使用有一定的局限性，因為它們沒(méi)有表現出由慢性呼吸道感染、炎癥、粘液堵塞和進(jìn)行性支氣管擴張構成的人類(lèi)CF-肺疾病的嚴重病理特征。一些理論可以解釋為什么CF小鼠不能發(fā)展出在人類(lèi)身上觀(guān)察到的顯性肺部疾病。一是在CF小鼠中上調修飾基因，導致部分離子轉運缺陷的部分校正。鈣激活氯離子通道（CaCc）分泌途徑在CF小鼠氣道上皮中的優(yōu)勢。這種適應性機制彌補了CFTR介導的氯離子轉運的缺陷，從而糾正了潛在的離子失衡，保護了小鼠氣道免受疾病的侵襲。除了CF小鼠氣道中CaCc的上調外，cAMP介導的CFTR通路在小鼠呼吸道上皮中的作用通常不占主導地位。成年CF小鼠的下呼吸道不顯示具有人CF氣道特征的電缺陷，包括減少cAMP介導的氯化物分泌和鈉高吸收。ENaC的過(guò)度活動(dòng)在CF肺疾病的發(fā)病機制中起重要作用，因為它被認為有助于A(yíng)SL的衰竭和隨后的一系列事件，包括粘液堆積、受損的MCC、感染和炎癥和肺組織損傷。CF小鼠模型下氣道缺乏高鈉吸收可能解釋肺疾病發(fā)展的缺失。CFTR在小鼠體內的結構和功能不同。對CFTR同源性的研究表明，小鼠CFTR僅在氨基酸水平上與人CFTR保守88%，因此，小鼠CFTR通道對人CFTR表現出不同的藥理學(xué)。人氣道CFTR蛋白主要表達于纖毛上皮和黏膜下腺體，因此小鼠和人氣道組織學(xué)差異可以解釋CF小鼠肺病的發(fā)生。小鼠和人氣道在細胞結構上是不同的；人的遠端氣道主要由纖毛細胞組成，而小鼠下呼吸道主要是非纖毛的、分泌的、棒狀細胞。此外，人氣道在氣管和支氣管中有許多粘膜下腺體，而小鼠氣道僅在喉部和近端氣管中有少量腺體。由于粘膜下腺體與人CF氣道疾病有牽連，它們在小鼠遠端氣道中的稀缺性可能導致肺病理生理學(xué)的缺乏。環(huán)境因素和宿主-病原體相互作用也可能起作用。CF肺部疾病在沒(méi)有病原體存在的情況下不能有效建模，因此CF小鼠在半無(wú)菌和通常無(wú)特定病原體（SPF）條件下可防止通常在CF中觀(guān)察到的肺部疾病的發(fā)展。然而，這個(gè)理論似乎沒(méi)有被證實(shí)，因為在非無(wú)菌環(huán)境中飼養的CF小鼠仍然不能發(fā)展成肺部疾病。

　　CF小鼠上氣道和氣管表型：一些CF小鼠株在上呼吸道和氣管中顯示輕度表型。觀(guān)察到的特征包括鼻腔粘膜下擴張的粘膜腺、鼻竇漿液腺組織萎縮、鼻中隔杯狀細胞增生和鼻腔上皮細胞的ASL減少。CFTR／/-小鼠模型也表現出顯著(zhù)的氣管異常，如軟骨環(huán)不完整和平滑肌面積減少。CFTRtm1HGU和CFTRtm1UNC株氣管的MCC受損也已被報道，然而，這些發(fā)現已被其他人發(fā)現，MCC在CFTRtm1UNC小鼠中不受影響。CF小鼠的鼻腔上皮表現出與人CF氣道相似的生物電異常，包括減少的氯離子轉運和鈉高吸收。這些缺陷用鼻電位差（NPD）測量技術(shù)得到了很好的記錄。一種評估，包括將充滿(mǎn)液體的套管電極（連接到毫伏表）在鼻襯里上，以測量通過(guò)不同鹽溶液的離子傳輸穿過(guò)上皮產(chǎn)生的電勢。所有CF小鼠表現出減少的cAMP介導的鼻腔上皮細胞的分泌，這是人CF氣道的特征。Enac的活性在人CFN鼻上皮中存在，在大多數CF小鼠模型的鼻上皮中也觀(guān)察到，包括敲除、CFTR、F508和CFTRG51D菌株。當阿米洛利（阻斷Enac介導的鈉吸收的藥物）通過(guò)CF小鼠的鼻上皮灌注時(shí)，出現明顯的去極化反應，這與鈉高吸收的存在相一致。由于CF小鼠的鼻腔上皮精確地反映了人類(lèi)CF氣道的電生理學(xué)特征，它已被證明用于檢測替代功能失調CFTR的治療劑（即基因療法）和恢復正常離子轉運的治療劑的價(jià)值。攜帶PHE508DEL和GYL51ASP突變的小鼠菌株對于檢測CFTR處理和販運（CFTR校正）和缺陷通道門(mén)控（CFTR增強子）的化合物特別有用。然而，一些CFTR增強子增強人CFTR對小鼠CFTR沒(méi)有任何影響，最有可能是由于小鼠CFTR通道性質(zhì)的差異所致。一旦開(kāi)發(fā)，HCFTR CF小鼠模型將有助于小分子藥物的檢測。

　　同源CFTR敲除小鼠模型：據推測，在混合遺傳背景下產(chǎn)生CF小鼠模型導致上調修飾基因，從而防止肺部疾病的發(fā)展。為了驗證這一理論，CFTRtm1UNC-CF小鼠品系在單一遺傳背景下被重新開(kāi)發(fā)并被稱(chēng)為B6CFTRtm1UNC。有趣的是，B6 CFTRtm1UNC小鼠出現肺部疾病表現，包括細支氣管粘液潴留、組織纖維化、過(guò)度膨脹的肺泡和肺泡壁增厚。B6 CFTRtm1UNC小鼠肺也顯示炎癥細胞募集，觀(guān)察到中性粒細胞的流入。這種炎癥性疾病表型似乎是自發(fā)的，因為分析的小鼠被安置在SPF條件下，在炎癥之前或炎癥開(kāi)始之前沒(méi)有檢測到呼吸道病原體。鼻PD顯示表明同種CF小鼠表現出減少的氯化物分泌。然而，不同于混合背景CF小鼠菌株，對阿米洛利的反應在同種CF小鼠和野生型之間似乎不存在差異，提示同源CF小鼠在鼻上皮中不表現出鈉高吸收。用P. aeruginosa挑戰的B6 CFTRtm1UNC小鼠表現出減少控制感染的能力。據推測，同源B6CFTRtm1UNC小鼠由于缺乏或未能激活混合背景CF小鼠模型中通常存在的交替氯離子傳導途徑而發(fā)展出肺部疾病。B6 CFTRtm1UNC小鼠是少數表現炎癥性肺部疾病的模型之一，因此，它已被用于探索長(cháng)期爭論的問(wèn)題，即CF氣道炎癥是自發(fā)的，還是由感染引起的。盡管B6 CFTRtm1UNC小鼠顯示了CF肺部疾病的方面，但仍使用原來(lái)的混合背景CF小鼠株。

　　β-ENaC小鼠模型：在現有的小鼠模型中，對CF肺病的病理生理學(xué)進(jìn)行重新認識的困難導致β- EnaC小鼠（也被稱(chēng)為SCNN1B小鼠）的發(fā)展。β-Enac小鼠是一種轉基因小鼠模型，它能過(guò)度表達肺中eNAC的β亞基，從而模擬CF人氣道中的鈉離子轉運異常。β-Enac小鼠氣道重塑CF肺疾病發(fā)病的關(guān)鍵過(guò)程，增加氣道鈉吸收導致ASL耗竭和粘液清除不足。因此，β-Enac小鼠表現出CF樣肺部疾病，其特征包括粘液高分泌、傳導氣道粘液阻塞、MCC損傷（直接通過(guò)微透析直接測量）、杯狀細胞化生和中性粒細胞氣道炎癥。使用成人β-Enac小鼠進(jìn)行的初步研究未能檢測到氣道中的自發(fā)性細菌感染，然而，當用流感嗜血桿菌和P. aeruginosa、成人β-eNac小鼠氣管內挑戰時(shí)，與野生型小鼠相比，病原體清除能力受損。最近有關(guān)BAL縱向分析的研究表明，新生兒β-Enac小鼠存在自發(fā)性肺部感染。同一研究還發(fā)現，感染后β-Enac小鼠的肺部細菌負擔和比例隨著(zhù)年齡的增長(cháng)而下降，這歸因于出生后發(fā)生的免疫系統的成熟。β-eNac小鼠為研究CF肺病的發(fā)病機制提供了一個(gè)相關(guān)的模型，特別是離子轉運、ASL和MCC之間的相互作用。由β-eNac小鼠模擬的肺部疾病已經(jīng)被證實(shí)用于開(kāi)發(fā)新的呼吸診斷工具來(lái)定位和測量肺疾病的異質(zhì)性。此外，β-Enac小鼠可用于評估一系列治療，包括針對ASL耗竭、粘液梗阻和炎癥的治療。例如，β-eNac小鼠可用于試驗eNAC抑制，以恢復正常的鈉轉運。這些方法包括使用eNAC拮抗劑，使用短干擾RNAs（siRNA）沉默eNAC表達，并抑制激活Enac的蛋白酶。然而，由于β- ENaC模型中CFTR的表達和功能沒(méi)有改變，因此不適用于替代、糾正或增強CFTR的治療。

　　CF大鼠模型：與較大的動(dòng)物相比，大鼠具有短妊娠（21-23天）和早期性成熟（8周）的優(yōu)勢，從而允許快速繁殖。與大型動(dòng)物相比，大鼠的動(dòng)物飼養費用也較少，并被廣泛用于研究目的，這意味著(zhù)它們在生理學(xué)、藥理學(xué)和毒理學(xué)方面都有很好的特點(diǎn)。與小鼠不同，大鼠在整個(gè)軟骨氣道（氣管和初級支氣管）中有廣泛的粘膜下腺體，與人類(lèi)相似。

　　CFTR基因敲除大鼠氣道病變：CFTR-/-大鼠概括了CF.在人類(lèi)身上觀(guān)察到的肺部疾病的重要特征。然而，細胞往往表現出擴張，由于細胞內粘液水平的增加，表明有缺陷的粘液分泌。形態(tài)學(xué)上，6周齡CF大鼠的氣管發(fā)育異常，與野生型大鼠相比，氣管軟骨和腺體面積減少。CF大鼠也顯示ASL的顯著(zhù)耗竭，并且顯著(zhù)降低了纖毛液體（PCL）的深度。初步結果表明，年輕的CF大鼠表現出高酸性氣道表面，類(lèi)似于CF豬。最近的一項研究表明，CF兒童的ASL pH沒(méi)有降低。盡管ASL的耗竭，年輕的CF大鼠的粘液纖毛運輸（MCT）似乎不受影響（＜3個(gè)月）。然而，早期的證據表明，隨著(zhù)動(dòng)物年齡和氣道粘膜下腺的發(fā)展，與野生型相比MCT率顯著(zhù)降低。初步研究還表明，6月齡時(shí)，CF大鼠氣道粘膜下腺粘液堵塞。CF大鼠氣道中不存在自發(fā)感染和炎癥，野生型和CFTR基因型之間無(wú)明顯差異。雖然自發(fā)感染是不存在的，新的證據表明，類(lèi)似于CF小鼠。CF大鼠對銅綠假單胞菌感染的清除能力減弱。

　　CF雪貂模型：由于雪貂與人肺細胞生物學(xué)和解剖學(xué)的相似性，正常雪貂肺已被用于模擬人類(lèi)肺部感染，包括嚴重急性呼吸綜合征和流感病毒。像人類(lèi)一樣，雪貂氣道在整個(gè)氣管和初級支氣管中都有黏膜下腺體，表達高水平的CFTR。此外，雪貂和人近端軟骨氣道中的主要分泌細胞類(lèi)型是杯狀細胞，雪貂CFTR與人類(lèi)CFTR（95%）也具有高度的氨基酸序列保護，因此，CFTR的生物電和藥理學(xué)性質(zhì)在雪貂和人類(lèi)中是相似的。

　　CFTR敲除雪貂模型氣道疾病的研究：CF雪貂表現出嚴重的肺表型。粘液堵塞在小氣道和大氣道中，并且在某些情況下，導致完全阻塞。除了粘液的存在外，還存在滯留空氣和泄氣肺泡（肺不張）。在CF雪貂氣道中觀(guān)察到粘膜下腺體和導管的擴張、杯狀細胞增生以及粘液中的炎性細胞和細菌菌落的存在。支氣管肺炎，壞死，炎癥和肺癰是存在的。CF雪貂偶爾也會(huì )出現鼻竇粘液堆積和炎癥。當使用外周氣管中的熒光珠遷移測量MCC時(shí)，CF雪貂表現出顯著(zhù)減少。

　　CF豬模型：人與豬在解剖學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)、大小、壽命和遺傳學(xué)方面的相似之處使豬成為模擬人類(lèi)疾病的合適候選者。豬肺與人的肺有多種解剖和組織學(xué)特征，包括相似的氣管-支氣管樹(shù)結構和氣道粘膜下腺體的豐度。豬以前被用來(lái)模擬肺部疾病，包括炎癥和感染，如慢性支氣管炎。隨著(zhù)人類(lèi)CF肺疾病在個(gè)體壽命中的進(jìn)展，豬的壽命允許對肺病發(fā)病機制和治療學(xué)的評估進(jìn)行長(cháng)期研究，這在嚙齒動(dòng)物或雪貂模型中是不可能的，因為它們的壽命相對較短或更差。豬CFTR氨基酸序列也與人保守95%，豬呼吸道上皮和粘膜下腺體的電生理特性與人類(lèi)所觀(guān)察到的相似。

　　CF豬模型氣道病變：CFTR-/-, CFTRΔF508/ΔF508 and CFTR-/ΔF508豬在出生后的數月內自發(fā)表現出人類(lèi)CF肺疾病的主要特征，這些表現包括氣道炎癥、感染、組織重塑、粘液積聚和梗阻。CF豬表現出異質(zhì)性氣道重塑，一些病例顯示杯狀細胞增生，氣道壁增厚?；加泻粑雷枞腃F豬，包括肺不張、過(guò)度充氣、空氣誘捕和肺炎。膿性物質(zhì)似乎阻塞氣管和支氣管，通常含有細菌、中性粒細胞和巨噬細胞。

　　結論：CF小鼠模型已被用于研究CF的許多方面，但它們在氣道相關(guān)研究中的應用受到限制，因為它們僅表現出CF肺疾病的輕度特征，使用細菌挑戰法誘導氣道疾病具有局限性。雖然CF小鼠的鼻腔上皮為探索發(fā)病機制和評估治療提供了平臺，但缺乏明顯的下呼吸道疾病表現和菌株之間高度的表型異質(zhì)性意味著(zhù)需要新的模型。β-eNac小鼠為CF小鼠提供了一種有用的替代物，因為它模擬了下呼吸道阻塞，雖然它不適用于所有的應用，因為CFTR的表達和功能不受影響。努力克服現有的小鼠模型的缺陷導致了新的CF動(dòng)物模型的開(kāi)發(fā)，包括CF大鼠、雪貂和豬模型。CFTR敲除大鼠表現出許多肺表型，包括氣道表面缺陷、鼻腔和氣管組織中的CF樣電分布、異常粘液生成和氣管畸形。由CF雪貂所建模的肺部疾病與人類(lèi)所觀(guān)察到的有許多相似之處。同時(shí)存在的氣道炎癥、感染和粘液阻塞為進(jìn)一步闡明肺疾病的發(fā)病機制，以及在與人類(lèi)CF患者密切復制的肺環(huán)境中的治療方法提供了非常有價(jià)值的平臺。豬與人類(lèi)共有多種氣道特征，使它們適合開(kāi)發(fā)CF肺病模型。最近產(chǎn)生的CFTR敲除和PHE508DEL突變豬模型表現出肺部疾病的特征，包括炎癥、氣道阻塞和感染，這將有助于基礎和臨床前氣道的相關(guān)研究。準確地概括人類(lèi)CF-肺疾病特征的動(dòng)物模型將為研究人員提供實(shí)驗性肺治療的資源，識別新的治療靶點(diǎn)，并闡明CF肺部疾病的復雜機制。雖然CF肺病的完美模型不存在，但每種動(dòng)物模型都有獨特的優(yōu)點(diǎn)，可以互補地用于研究CF相關(guān)的問(wèn)題。