使用Streptozotocin构建大小鼠糖尿病模型的机制及其应用案例
2025-07-09 来源:本站 点击次数:90
动物模型是研究糖尿病病理机制、探寻其抑制策略的重要实验工具。Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，AbMole，M2082）是当前1型及2型糖尿病动物造模的首选工具化合物之一，被广泛用于糖尿病研究。AbMole为全球科研客户提供高纯度、高生物活性的抑制剂、细胞因子、人源单抗、天然产物、荧光染料、多肽、靶点蛋白、化合物库、抗生素等科研试剂，全球大量文献专利引用。
一、STZ诱导大鼠糖尿病的机制
动物糖尿病模型的特征是血糖水平升高并伴有其他器官功能障碍或并发症，动物1型糖尿病是由β细胞过度凋亡引起的，而2型糖尿病主要是由胰岛素抵抗增加造成的。链脲佐菌素（STZ，AbMole，M2082）最初是由土壤微生物链霉菌中分离而来，并显示出广谱抗生素活性[1]。在结构上，它类似于2-脱氧葡萄糖，但在C2位置被N-甲基-N基团取代，一端连接着甲基，另一端连接着葡萄糖分子。Streptozotocin可经过GLUT2（葡萄糖转运蛋白 2）在胰腺β细胞中积累，Streptozotocin可在胞内转变为重氮甲烷（DAM，一种烷化剂）[1]，引起 DNA 甲基化并导致β细胞功能障碍。除此之外，STZ 还通过多种机制诱导糖尿病，例如STZ本身也是NO供体，NO的过量产生也是 STZ诱导动物糖尿病的重要机理之一，NO可以抑制DNA保护酶（如Aconitase），可间接加剧DNA损伤[2]；Streptozotocin还会在β细胞内产生尿酸，在此过程中会产生各种活性氧（ROS）、活性氮（RNS）并引起β细胞内的氧化应激和死亡[3]。Streptozotocin还能够耗竭烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）、诱导ATP 水平的降低以及胰岛素合成和分泌的连续减少[2, 4]、抑制O-GlcNAcase（OGA）的活性进而导致内质网应激和β细胞凋亡[4]。
1.STZ的溶解
Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，AbMole，M2082）是可溶于水、醇和酮的亲水性化合物。STZ 在4.5的酸性 pH 值下保持稳定，一旦pH值超过4.5会导致其降解。因此，STZ应该用偏酸性的缓冲液进行配制，例如0.1 M 冰冷的柠檬酸盐缓冲液（pH 4.5）[6]。STZ的配制还应该严格遵循现配现用的原则，新鲜配制的STZ溶液应在15-20分钟内完成注射，以免降解。如果在2-8℃下避光储存1周，每天都会减少一定比例的STZ[6]。在一项以小鼠为模型的实验中，新鲜制备的STZ溶液诱导的β细胞损伤明显比经过保存的STZ组更高[5]。
2.实验动物的选择
Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，AbMole，M2082）诱导动物糖尿病模型的效果因物种、性别和动物年龄而有所差异。已有大量文献通过STZ成功构建了小鼠、大鼠、豚鼠、仓鼠、兔子的糖尿病模型[7]。上述啮齿动物可表达GLUT2，它特异性地将STZ摄取到β细胞中并加强STZ的糖尿病诱导作用。由于体积小、易于处理和成本效益高，Streptozotocin诱导糖尿病中最常用到的模式动物是小鼠和大鼠。对小鼠多次施用低剂量的STZ会导致胰岛损伤、炎症过程增加和β细胞活性丧失，并会导致实验鼠的胰岛素缺乏和高血糖症，即1型糖尿病。STZ在CD-1和C57BL/6小鼠模型更容易造模成功；对于大鼠而言，比较适合的种属是Sprague Dawley（SD）、Wistar和Sherman大鼠，其中SD大鼠最为常用。在STZ诱导的糖尿病模型中，雄性啮齿动物比雌性更容易造模成功，这可能是由于性别之间的荷尔蒙差异[7]。值得注意的是，8-10周龄的小鼠和大鼠对 STZ 的敏感性要远远高于老年动物[6]。
3.STZ的处理剂量
在较低剂量下，Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，AbMole，M2082）可能不会引起所需的糖尿病诱导，但在高剂量下，它又可能导致动物死亡。因此，应根据个体动物的体重优化STZ的剂量，以便于成功诱导糖尿病模型，且又不会造成实验动物的死亡。另外一方面，要建立稳定的糖尿病模型，还应给实验动物制定合适的饮食计划，例如在STZ注射前，小鼠应禁食4小时，大鼠禁食6-8小时。胃部和肠道的强酸性环境限制了STZ的经口给药，因此一般多采用腹腔注射或静脉注射。以大鼠为例，单次腹腔注射STZ，剂量为60 mg/kg，，在2-4天内大鼠表现出1型糖尿病指标，证实造模成功[6]。一般而言，大鼠的STZ使用范围在25-100 mg/kg之间，具体的浓度实验人员应结合鼠龄、体重等进行调整[8]。
2型糖尿病因涉及胰岛素抵抗，往往在造模时还要结合高脂饮食。例如，高能量饮食 （HED；58% 脂肪、25% 蛋白质和 17% 碳水化合物） 的大鼠和小鼠会导致胰岛素抵抗，此时再进一步给予低剂量Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，AbMole，M2082） （大鼠 35 mg/kg，小鼠 150 mg/kg）即可诱导动物产生2型糖尿病[8]。2014年，AbMole的两款抑制剂分别被西班牙国家心血管研究中心和美国哥伦比亚大学用于动物体内实验，相关科研成果发表于顶刊 Nature 和 Nature Medicine。
三、范例详解
1. Sci Adv. 2020 Jul 10;6(28):eaba7260.
北京化工大学的实验人员在上述文章中究了一种集成的微针贴片（Integrated Microneedle Patch, IMP），该贴片能够模拟生理性的胰岛素分泌模式，用于控制糖尿病动物模型的餐后血糖波动。文章详细描述了这种微针贴片的设计、制备、体外和体内实验验证，以及其在糖尿病研究中的潜在应用。由AbMole提供的Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，M2082） 在上述文章中用于诱导糖尿病大鼠模型[10]。
2.Chemical Engineering Joumnal 497(2024)154522
重庆医科大学第一附属医院的实验人员在上述研究中，设计了一种负载锶（Sr）的硫辛酸涂层，它可以与Ti植入物（Ti-Ta@Sr）之间形成牢固结合。该涂层有效地消除了高糖环境中产生的过量活性氧，并可恢复高糖条件下成骨细胞的成骨能力和增殖能力。相关实验人员使用AbMole提供的Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，M2082） 成功构建了糖尿病大鼠模型[11]。
3.Bioengineered. 2021 Dec;12(1):5491-5503.
中南大学湘雅医院、海南医科大学第一附属医院的科研人员在上述论文中研究S14G-humanin（HNG）对链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病小鼠心脏功能障碍的保护作用。研究发现，HNG能够减轻STZ诱导的心肌肥大，显著改善心脏功能，并降低心肌损伤指标的水平，包括肌酸激酶-MB（CK-MB）、天门冬氨酸氨基转移酶（AST）、乳酸脱氢酶（LDH）以及心脏和血浆中的肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）水平。此外，HNG还能抑制NF-κB信号通路的激活。AbMole的Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，M2082）在这篇文章中作为一种诱导剂，用于建立糖尿病小鼠模型。通过STZ诱导糖尿病后，小鼠出现了高血糖、心肌肥大、心脏功能障碍等糖尿病并发症的特征[12]。
参考文献
[1] F. Reusser, Mode of action of streptozotocin, Journal of bacteriology 105(2) (1971) 580-8.
[2] C. O. Eleazu, K. C. Eleazu, S. Chukwuma, et al., Review of the mechanism of cell death resulting from streptozotocin challenge in experimental animals, its practical use and potential risk to humans, Journal of Diabetes and Metabolic Disorders 12(1) (2013).
[3] Haider Raza, Subbuswamy K. Prabu, Annie John, et al., Impaired Mitochondrial Respiratory Functions and Oxidative Stress in Streptozotocin-Induced Diabetic Rats, International journal of molecular sciences, 2011, pp. 3133-3147.
[4] T. Szkudelski, The mechanism of alloxan and streptozotocin action in B cells of the rat pancreas, Physiological research 50(6) (2001) 537-46.
[5] Sameer N. Goyal, Navya M. Reddy, Kalpesh R. Patil, et al., Challenges and issues with streptozotocin-induced diabetes – A clinically relevant animal model to understand the diabetes pathogenesis and evaluate therapeutics, Chemico-Biological Interactions 244 (2016) 49-63.
[6] A. F. Bleasel, L. C. J. Yong, Streptozotocin induced diabetic nephropathy and renal tumors in the rat, Experientia 38(1) (1982) 129-130.
[7] S. Kumar, R. Singh, N. Vasudeva, et al., Acute and chronic animal models for the evaluation of anti-diabetic agents, Cardiovascular diabetology 11 (2012) 9.
[8] M. A. Abeeleh, Z. B. Ismail, K. R. Alzaben, et al., Induction of diabetes mellitus in rats using intraperitoneal streptozotocin: A comparison between 2 strains of rats, European Journal of Scientific Research 32(3) (2009) 398-402.
[9] A. Ghasemi, S. Jeddi, Streptozotocin as a tool for induction of rat models of diabetes: a practical guide, EXCLI journal 22 (2023) 274-294.
[10] B. Z. Chen, L. Q. Zhang, Y. Y. Xia, et al., A basal-bolus insulin regimen integrated microneedle patch for intraday postprandial glucose control, Science advances 6(28) (2020) eaba7260.
[11] Kai Li, Wenbo Geng, Weikang Zhao, et al., Design and development of titanium-coated implants with advanced antioxidant properties for enhanced regenerative repair of diabetic bone, Chemical Engineering Journal 497 (2024) 154522.
[12] X. Chen, C. Yun, H. Zheng, et al., The protective effects of S14G-humanin (HNG) against streptozotocin (STZ)-induced cardiac dysfunction, Bioengineered 12(1) (2021) 5491-5503.
一、STZ诱导大鼠糖尿病的机制
动物糖尿病模型的特征是血糖水平升高并伴有其他器官功能障碍或并发症，动物1型糖尿病是由β细胞过度凋亡引起的，而2型糖尿病主要是由胰岛素抵抗增加造成的。链脲佐菌素（STZ，AbMole，M2082）最初是由土壤微生物链霉菌中分离而来，并显示出广谱抗生素活性[1]。在结构上，它类似于2-脱氧葡萄糖，但在C2位置被N-甲基-N基团取代，一端连接着甲基，另一端连接着葡萄糖分子。Streptozotocin可经过GLUT2（葡萄糖转运蛋白 2）在胰腺β细胞中积累，Streptozotocin可在胞内转变为重氮甲烷（DAM，一种烷化剂）[1]，引起 DNA 甲基化并导致β细胞功能障碍。除此之外，STZ 还通过多种机制诱导糖尿病，例如STZ本身也是NO供体，NO的过量产生也是 STZ诱导动物糖尿病的重要机理之一，NO可以抑制DNA保护酶（如Aconitase），可间接加剧DNA损伤[2]；Streptozotocin还会在β细胞内产生尿酸，在此过程中会产生各种活性氧（ROS）、活性氮（RNS）并引起β细胞内的氧化应激和死亡[3]。Streptozotocin还能够耗竭烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）、诱导ATP 水平的降低以及胰岛素合成和分泌的连续减少[2, 4]、抑制O-GlcNAcase（OGA）的活性进而导致内质网应激和β细胞凋亡[4]。
图 1. Streptozotocin糖尿病造模机理[5]
二、STZ的研究应用1.STZ的溶解
Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，AbMole，M2082）是可溶于水、醇和酮的亲水性化合物。STZ 在4.5的酸性 pH 值下保持稳定，一旦pH值超过4.5会导致其降解。因此，STZ应该用偏酸性的缓冲液进行配制，例如0.1 M 冰冷的柠檬酸盐缓冲液（pH 4.5）[6]。STZ的配制还应该严格遵循现配现用的原则，新鲜配制的STZ溶液应在15-20分钟内完成注射，以免降解。如果在2-8℃下避光储存1周，每天都会减少一定比例的STZ[6]。在一项以小鼠为模型的实验中，新鲜制备的STZ溶液诱导的β细胞损伤明显比经过保存的STZ组更高[5]。
2.实验动物的选择
Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，AbMole，M2082）诱导动物糖尿病模型的效果因物种、性别和动物年龄而有所差异。已有大量文献通过STZ成功构建了小鼠、大鼠、豚鼠、仓鼠、兔子的糖尿病模型[7]。上述啮齿动物可表达GLUT2，它特异性地将STZ摄取到β细胞中并加强STZ的糖尿病诱导作用。由于体积小、易于处理和成本效益高，Streptozotocin诱导糖尿病中最常用到的模式动物是小鼠和大鼠。对小鼠多次施用低剂量的STZ会导致胰岛损伤、炎症过程增加和β细胞活性丧失，并会导致实验鼠的胰岛素缺乏和高血糖症，即1型糖尿病。STZ在CD-1和C57BL/6小鼠模型更容易造模成功；对于大鼠而言，比较适合的种属是Sprague Dawley（SD）、Wistar和Sherman大鼠，其中SD大鼠最为常用。在STZ诱导的糖尿病模型中，雄性啮齿动物比雌性更容易造模成功，这可能是由于性别之间的荷尔蒙差异[7]。值得注意的是，8-10周龄的小鼠和大鼠对 STZ 的敏感性要远远高于老年动物[6]。
3.STZ的处理剂量
在较低剂量下，Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，AbMole，M2082）可能不会引起所需的糖尿病诱导，但在高剂量下，它又可能导致动物死亡。因此，应根据个体动物的体重优化STZ的剂量，以便于成功诱导糖尿病模型，且又不会造成实验动物的死亡。另外一方面，要建立稳定的糖尿病模型，还应给实验动物制定合适的饮食计划，例如在STZ注射前，小鼠应禁食4小时，大鼠禁食6-8小时。胃部和肠道的强酸性环境限制了STZ的经口给药，因此一般多采用腹腔注射或静脉注射。以大鼠为例，单次腹腔注射STZ，剂量为60 mg/kg，，在2-4天内大鼠表现出1型糖尿病指标，证实造模成功[6]。一般而言，大鼠的STZ使用范围在25-100 mg/kg之间，具体的浓度实验人员应结合鼠龄、体重等进行调整[8]。
2型糖尿病因涉及胰岛素抵抗，往往在造模时还要结合高脂饮食。例如，高能量饮食 （HED；58% 脂肪、25% 蛋白质和 17% 碳水化合物） 的大鼠和小鼠会导致胰岛素抵抗，此时再进一步给予低剂量Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，AbMole，M2082） （大鼠 35 mg/kg，小鼠 150 mg/kg）即可诱导动物产生2型糖尿病[8]。2014年，AbMole的两款抑制剂分别被西班牙国家心血管研究中心和美国哥伦比亚大学用于动物体内实验，相关科研成果发表于顶刊 Nature 和 Nature Medicine。
图 2. 链脲佐菌素 （STZ） 被用于构建糖尿病大鼠模型的常用浓度[9]
三、范例详解
1. Sci Adv. 2020 Jul 10;6(28):eaba7260.
北京化工大学的实验人员在上述文章中究了一种集成的微针贴片（Integrated Microneedle Patch, IMP），该贴片能够模拟生理性的胰岛素分泌模式，用于控制糖尿病动物模型的餐后血糖波动。文章详细描述了这种微针贴片的设计、制备、体外和体内实验验证，以及其在糖尿病研究中的潜在应用。由AbMole提供的Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，M2082） 在上述文章中用于诱导糖尿病大鼠模型[10]。
图 3. . In vivo studies of the fabricated MNs for diabetes treatment[10]
2.Chemical Engineering Joumnal 497(2024)154522
重庆医科大学第一附属医院的实验人员在上述研究中，设计了一种负载锶（Sr）的硫辛酸涂层，它可以与Ti植入物（Ti-Ta@Sr）之间形成牢固结合。该涂层有效地消除了高糖环境中产生的过量活性氧，并可恢复高糖条件下成骨细胞的成骨能力和增殖能力。相关实验人员使用AbMole提供的Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，M2082） 成功构建了糖尿病大鼠模型[11]。
图 4. Cell osteogenic differentiation of different Ti-based samples[11]
3.Bioengineered. 2021 Dec;12(1):5491-5503.
中南大学湘雅医院、海南医科大学第一附属医院的科研人员在上述论文中研究S14G-humanin（HNG）对链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病小鼠心脏功能障碍的保护作用。研究发现，HNG能够减轻STZ诱导的心肌肥大，显著改善心脏功能，并降低心肌损伤指标的水平，包括肌酸激酶-MB（CK-MB）、天门冬氨酸氨基转移酶（AST）、乳酸脱氢酶（LDH）以及心脏和血浆中的肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）水平。此外，HNG还能抑制NF-κB信号通路的激活。AbMole的Streptozotocin（STZ，链脲佐菌素，M2082）在这篇文章中作为一种诱导剂，用于建立糖尿病小鼠模型。通过STZ诱导糖尿病后，小鼠出现了高血糖、心肌肥大、心脏功能障碍等糖尿病并发症的特征[12]。
图 5. Protective effects of S14G-humanin in basic parameters of diabetic mice[12]
参考文献
[1] F. Reusser, Mode of action of streptozotocin, Journal of bacteriology 105(2) (1971) 580-8.
[2] C. O. Eleazu, K. C. Eleazu, S. Chukwuma, et al., Review of the mechanism of cell death resulting from streptozotocin challenge in experimental animals, its practical use and potential risk to humans, Journal of Diabetes and Metabolic Disorders 12(1) (2013).
[3] Haider Raza, Subbuswamy K. Prabu, Annie John, et al., Impaired Mitochondrial Respiratory Functions and Oxidative Stress in Streptozotocin-Induced Diabetic Rats, International journal of molecular sciences, 2011, pp. 3133-3147.
[4] T. Szkudelski, The mechanism of alloxan and streptozotocin action in B cells of the rat pancreas, Physiological research 50(6) (2001) 537-46.
[5] Sameer N. Goyal, Navya M. Reddy, Kalpesh R. Patil, et al., Challenges and issues with streptozotocin-induced diabetes – A clinically relevant animal model to understand the diabetes pathogenesis and evaluate therapeutics, Chemico-Biological Interactions 244 (2016) 49-63.
[6] A. F. Bleasel, L. C. J. Yong, Streptozotocin induced diabetic nephropathy and renal tumors in the rat, Experientia 38(1) (1982) 129-130.
[7] S. Kumar, R. Singh, N. Vasudeva, et al., Acute and chronic animal models for the evaluation of anti-diabetic agents, Cardiovascular diabetology 11 (2012) 9.
[8] M. A. Abeeleh, Z. B. Ismail, K. R. Alzaben, et al., Induction of diabetes mellitus in rats using intraperitoneal streptozotocin: A comparison between 2 strains of rats, European Journal of Scientific Research 32(3) (2009) 398-402.
[9] A. Ghasemi, S. Jeddi, Streptozotocin as a tool for induction of rat models of diabetes: a practical guide, EXCLI journal 22 (2023) 274-294.
[10] B. Z. Chen, L. Q. Zhang, Y. Y. Xia, et al., A basal-bolus insulin regimen integrated microneedle patch for intraday postprandial glucose control, Science advances 6(28) (2020) eaba7260.
[11] Kai Li, Wenbo Geng, Weikang Zhao, et al., Design and development of titanium-coated implants with advanced antioxidant properties for enhanced regenerative repair of diabetic bone, Chemical Engineering Journal 497 (2024) 154522.
[12] X. Chen, C. Yun, H. Zheng, et al., The protective effects of S14G-humanin (HNG) against streptozotocin (STZ)-induced cardiac dysfunction, Bioengineered 12(1) (2021) 5491-5503.
相关文章
更多 >