膀胱结石是常见的泌尿系统疾病，地理区域、种族分布、社会经济以及饮食习惯均会影响其发病率。原发性结石主要是营养因素所致。继发性结石形成原因复杂，良性前列腺增生症、尿路感染、膀胱增大、膀胱憩室、膀胱异物或神经源性膀胱等因素都可能成为诱因。患者症状可表现为血尿、腹痛、继发于梗阻的尿潴留和复发性尿路感染等，同时增加终末期肾病、膀胱癌甚至死亡的风险。

膀胱结石疾病研究的关键是建立合适的动物模型。大、小鼠是结石疾病研究中最常用的2种实验动物。现有膀胱结石的建模方法虽多，但常被概括为泌尿系统结石，且少有文献对膀胱结石动物模型制备方法、特征和有效性进行归类总结。本综述将膀胱结石动物模型的制备方法归纳为4类，即物理诱导、化学诱导、微生物诱导和基因敲除，并从制备方法、模型特点和应用等方面进行综述，为膀胱结石的进一步研究提供参考。

1. 物理诱导模型

膀胱中的异物可成为结石形成的病灶，尤其膀胱内医源性异物，如膀胱内器械移位或断裂、手术纱布、非吸收性缝合线等。基于异物机制构建的模型称为物理诱导模型。锌盘、塑料片和非吸收性外科缝合线均可作为植入材料。

1.1 锌盘植入模型

锌盘植入模型最早于19世纪50年代建立，是药物抗尿石作用非临床研究的常用方法。大鼠麻醉后切开下腹暴露膀胱，打开膀胱腔将已知重量和尺寸的锌盘植入其内，用可吸收外科缝合线缝合。大鼠术后恢复约3 d即可应用于药效学研究，通过锌盘周围沉积物的重量变化来评估药效。

早期模型中锌盘重量为10～48 mg，观察时间长达6～8周。大鼠膀胱长期暴露于植入物易形成较大的晶体沉积，不仅增加了动物的痛苦，还可能导致肾功能严重紊乱和尿路感染。使用约20 mg的锌盘植入膀胱，建模第10天可观察到明显的结石（均重约75.4 mg）。随着观察时间延长，第20天和第48天结石均重分别可达85.3和257.3 mg。因此，建议将观察周期（药效评估周期）缩短至10～20 d。大鼠膀胱中植入重量小于10 mg、直径最小为2 mm的锌盘，10 d后X射线显影可见锌盘周围有晶体沉积，并伴随尿肌酐、尿白蛋白水平显著升高和肾小球滤过率降低。改进后的模型最大限度地降低了膀胱壁损伤和出血。

1.2 经膀胱穿线模型

手术后尿路管腔中的缝合材料（手术钉或永久缝合线）历来被视为引起结石的危险因素，缝合线诱导的尿石症也被用作大鼠尿石症的可预测模型。经膀胱穿线模型的制备方法为：成年大鼠经麻醉、消毒后，于下腹开一小孔露出膀胱，在膀胱顶部剪开约0.5 cm切口；将丝线一端以缝合针穿过膀胱壁后，两端打结，一端留置膀胱内，另一端在膀胱外，缝合膀胱并复位。5周后解剖取出膀胱内线结上的结石，清洗并干燥后称重。

研究表明，缝合线的材质决定了结石的严重程度、发育时间以及结石成分。膀胱腔内线结越多，越易引起结石，结石量也越多。如膀胱内留有缝合材料或线结，5周后平均每100 g大鼠可产生25 mg结石，否则将仅在丝线表面形成钙质沉淀。形成结石的程度与材料有关，铬肠线最易引起结石，丝绸次之，聚酯材料再次之。

1.3 膀胱埋石模型

随时间发展，膀胱内的异物最终会形成多层结石。基于异物结石机制，手术中取出的人体结石碎片也是不错的植入选择材料。该模型的制备方法与锌片植入模型类似。选取预先处理的结石碎片（直径2～3 mm）埋入成年雄性大鼠膀胱内，3周后解剖取出膀胱结石，清洗并干燥后称重，模型组结石重量增加116%。

物理诱导方法构建的模型中形成的结石以磷酸铵镁晶体和草酸钙为主。如建模过程中大鼠口服乙二醇，则植入物周围形成晶体的主要构成为草酸钙。这类模型曾用于石淋消汤、复方芭蕉芯颗粒和二金排石汤等多种中药溶石剂的药效评价，其优点是在时间、成分和结石形成量方面具有可预测性，且任何安全、稳定的材料均可用作植入材料。利用α-氰基丙烯酸正丁酯遇血凝固的特性，采用18 G穿刺针在超声引导下穿刺进入肾盂，将0.5～1.0 mL组织黏合剂注入肾盂后迅速注入猪血，B超验证模型制备成功。向腔体注射可凝固液体可迅速形成结石，这为我们提供了思路，但尚未在啮齿类动物中发现使用该类型材料的报道。缺点是操作中动物手术不可避免，对人员要求高且增加了动物死亡的风险。总之，物理诱导模型可靠且有效，且利用非溶解性异物所建的模型有助于定量评估药物的消石能力。

2 化学诱导模型

化学诱导模型是指实验动物长期暴露于一种或多种化学物质，即诱石剂而形成的模型。诱石剂包括药物、化学品和食品添加剂等。目前，化学诱导模型是研究最多的一类模型，原因在于结石易感人群的饮食习惯和营养成分中的化学物质暴露是膀胱结石病因学研究的一个主要方向。

2.1 乙二醇诱导模型

乙二醇诱导模型是应用最广泛的结石模型之一，多与氯化铵或维生素D3联用。乙二醇是草酸代谢通路的中间产物，进入体内转化成羟乙酸或乙醛酸，继而转化为草酸；氯化铵能降低尿pH值，导致代谢性酸中毒。联合使用氯化铵和乙二醇，3～4周后解剖，可观察到模型大鼠和小鼠肾、膀胱和输尿管中有不规则、折光性较强的草酸钙晶体。用该方法诱导结石4周，可观察到模型大鼠摄食、饮水均减少，表现出消瘦、冷漠、不活跃和体毛变少的特征。尿液分析发现，模型大鼠尿液pH和尿量低于正常组，而尿钙和尿镁水平升高。草酸钙结石在各种结石中比例最高，乙二醇及其代谢通路在草酸钙结石形成中起重要作用。近期研究表明，P38丝裂原活化蛋白激酶通路与乙二醇诱导而成的泌尿系统结石密切相关。P38蛋白磷酸化激活后，调控包括氧化因子、促炎因子等在内的一系列基因转录。有研究表明，消石剂金钱草提取物通过抑制P38丝裂原活化蛋白激酶通路，而抑制草酸钙结石的形成。

乙醛酸和羟脯氨酸等中间代谢产物也可直接作为诱石剂使用。C57BL/6L小鼠ip给予乙醛酸溶液75 mg·kg-1，连续给药2周可建模成功；在大鼠饲料中加入5%(w/w）羟脯氨酸，约4周可造模成功。采取动物自由摄入含诱石剂饲料的方法构建模型，虽然也有成功报导且适当的简化了工作流程，但并不能准确计算诱石剂在模型动物体内的暴露剂量。维生素D3具有促进肠道钙吸收的作用，过量暴露易造成高钙尿症，促进草酸钙结石形成。乙二醇结合维生素D3构建模型能有效提高模型成功率。

2.2 三聚氰胺诱导模型

三聚氰胺是具有轻微毒性的化工原料。《国际化学品安全卡》（International Chemical Safety Cards，ICSC）明确指出，长期或反复大量摄入含三聚氰胺的食品，可能对肾和膀胱产生危害，最终导致结石。

多项研究发现，三聚氰胺0.05～0.4 g·kg-1连续ig给药30 d，可诱发雄性大鼠产生膀胱结石；三聚氰胺0.4 g·kg-1给药20 d，膀胱结石率可达60%，结石率具有剂量-反应关系；同时血清中尿素氮、肌酐和尿酸含量均升高，且无肾毒性指征。如以小鼠为模型动物，喂食含有0.9397%（w/w）三聚氰胺的饮食，2周后小鼠出现大量膀胱结石，伴随膀胱黏膜层严重受损，膀胱结石率高达70%。

有研究指出，结石是同时摄入三聚氰胺和三聚氰酸（工业杂质）形成难溶性化合物（氰尿酸-三聚氰胺）在肾小管沉积的结果，单独使用一种化合物不会形成结石。笔者推测，该结论不同于前述研究可能是混合物的暴露剂量小或暴露周期短导致的。仅以121 mg·kg-1三聚氰胺-三聚氰酸的羧甲基纤维素钠混合液ig给药1周建模成功，剂量和周期均远低于前述建模方案，抑或两者可能有不同的结石形成机制。

2.3 对苯二甲酸诱导模型

对苯二甲酸（Terephthalic Acid，TPA）是常用的化学品，长期暴露于二甲基对苯二甲酸酯及其体内代谢物TPA的人或动物较容易产生尿酸中毒、电解质消除改变和高钙尿，导致尿液中对苯二甲酸钙（CaTPA）和磷酸氢钙（CaHPO4）结晶过饱和，并最终形成膀胱结石。在饲料中加入5%TPA饲养14 d，大鼠膀胱腔内均有数颗钙化小体，成石率高达100%。该模型诱发的大鼠膀胱结石，伴有膀胱移行上皮增生，部分膀胱组织中可观察到以上皮细胞为内衬的囊肿。在大鼠TPA 90 d亚慢性毒性研究中检测到21/52例尿石症，伴有尿液pH值显著降低、尿量显著升高的现象。在TPA毒理学回顾性研究中，TPA导致结石的效应呈陡峭的剂量-反应曲线。TPA1000 mg·kg-1可导致大鼠膀胱结石、膀胱增生和肿瘤，当剂量降至142 mg·kg-1以下时该效应消失。

TPA诱导的大鼠尿石症和人自发性尿石症相似，并伴有高钙尿和酸尿，对氯噻嗪治疗有反应。该模型成功率高，短期建模以形成钙结石小体为主，部分不可见的微结石需采用Von Kossa染色法检测。现有研究使用TPA构建结石模型的报道相对较少，可能与TPA对其他脏器的毒性有关。

2.4 酒石酸胆碱诱导模型

酒石酸和酒石酸胆碱是合法的食品添加剂，在体内形成不溶于水的酒石酸钙。饮食中含有大量酒石酸盐的大鼠的尿路易产生以四水酒石酸钙为主的结石，其机制尚未深入研究。

以含有酒石酸胆碱的饲料喂食雄性C57BL/6J小鼠，自由饮水。4周后，小鼠膀胱上皮呈现“毛刺样”；20周后，小鼠膀胱出现大量结石，膀胱黏膜层严重受损，但未见肾结晶和肾损伤。经傅里叶转换红外光谱分析，膀胱结石的化学成分为四水酒石酸钙，该结果与1例过度摄入酒石酸盐饮料临床患者的结石成分高度匹配。比较酒石酸胆碱、三聚氰胺和乙二醇3种结石诱导剂的建模结果，发现乙二醇模型组和三聚氰胺模型组小鼠均表现出明显的肾损伤，而酒石酸胆碱可诱导原发性膀胱结石而不致肾损伤。

化学诱导模型中尿结石形成机制符合尿结石形成学说中的“过饱和结晶学说”。当体内难溶性化合物量超出泌尿系统的排泄能力时，形成难溶的晶体，成为尿结石核心。化学诱导模型动物死亡率低、易操作、诱石剂种类多，已广泛用于多种抗结石药物的药理及药效学等方面的研究，如猪苓、广金钱草注射液、加味乌茹汤、消石素和五淋化石丹等。但在具体操作中，已知诱石剂仍然存在许多不确定性，主要表现在诱石剂的暴露量与成石率并不具有明显的剂量-反应关系；动物泌尿系统中形成大量晶体，导致肾和输尿管结石，并可能损伤其他脏器，不利于药物评估；动物品系和个体差异大，如Wistar雄性大鼠对乙二醇诱导的肾毒性最敏感。

3 微生物诱导模型

感染性结石占尿路结石的5%～15%，由尿素酶阳性病原体（真菌、细菌、支原体等，也称解脲酶微生物）持续性感染尿路引起，结石成分以鸟粪石（磷酸铵镁）为主。解脲酶微生物感染尿路后产生的脲酶能分解尿素产生氨和CO2，显著改变尿液pH值（7.2～8.0），膀胱中尿液持续处于这种pH下易形成晶体。常见的解脲酶微生物有奇异变形杆菌、铜绿假单胞菌、梭状芽胞杆菌、乳杆菌和葡萄球菌等，前两者通常为优势菌群。

在建模操作中，膀胱内的菌液易随尿液排出，直接注入感染源微生物菌液的成石率低且速度慢。故微生物诱导模型常与物理诱导方法联用，如锌盘和各种聚乙烯材料等，延长感染菌在膀胱的滞留时间，有效提髙模型成功率。最早在锌盘植入模型的基础上，将1010CFU·L-1的奇异变形杆菌接种入膀胱，5 d后成功诱导了轻度感染模型；3周后，结石均重达88.3 mg。将无菌微细聚乙烯管（两端打圆）与细菌菌液共同培养后，用18 G穿刺针将微细聚乙烯管推入膀胱，接种后仅6 d即可观察到结石，3周后模型成功率达100%。通过金属导丝推杆将异物（聚乙烯材料）置入大鼠膀胱内，每隔2 d灌注1次脆弱拟杆菌菌液（109CFU·L-1，约1.5 mL），连续3周，大鼠膀胱内均可见结石；且灌注组与对照组（仅推入异物）相比差异有统计学意义。这表明通过接种微生物建模的方法是可靠的，且感染主要局限于下尿路，对肾损伤小，经尿道置入膀胱异物并结合微生物诱导可显著提高膀胱结石率。

解脲酶微生物在诱导大鼠膀胱结石中起着重要作用。感染的作用是增强结石的形成。当尿液无菌时，使用肠线或聚乙醇酸缝合线的大鼠结石率仅20%；而在有解脲酶微生物存在的情况下，结石率高达80%～100%。如前所述，大多数学者认为解脲酶微生物是通过改变尿液pH为形成结石提供了适宜的理化环境；但患结石大鼠的尿液中促炎性细胞因子水平高于正常大鼠，如人白细胞介素8大鼠类似物（GRO/KC）及白细胞介素1α和1β，认为膀胱中的炎症反应很可能是结石形成过程中的关键因素，其机制还需进一步研究。

微生物诱导的膀胱结石模型具有成石速度快、术后死亡率低、感染范围仅限于膀胱的优点，但也存在技术难以掌握的缺点。该模型已广泛用于疾病发生机制及治疗膀胱结石的有效性评价，如评估香草酸和排石汤颗粒等药物的抑石作用。

4 基因敲除模型

胱氨酸尿是以肾内碱性氨基酸（包括胱氨酸、鸟氨酸、赖氨酸和精氨酸）转运障碍为特征的遗传性疾病，属常染色体隐性遗传，常伴有慢性肾病。目前基因敲除技术已经被应用于这种特殊的膀胱结石疾病研究。

胱氨酸尿与2个编码基因溶质载体家族3成员1（solute carrier family 3 member 1，Slc3a1）和Slc7a9的突变有关，它们分别编码异源二聚胱氨酸转运蛋白的rBAT和b0,+AT亚单位。该转运蛋白主要负责胱氨酸在肾小管和小肠上皮细胞的重吸收。将Slc7a9-/-Slc3a1+/+小鼠与Slc7a9+/+Slc3a1-/-小鼠杂交后获得的F1代杂合子小鼠进行自交，发现F2代小鼠中双杂合子小鼠（Slc7a9+/-Slc3a1+/-）比单杂合子小鼠（Slc7a9+/-Slc3a1+/+和Slc7a9+/+Slc3a1+/-）胱氨酸排泄率更高，表明这种胱氨酸尿模型是双基因遗传。Slc3a1或Slc7a9突变均可引起碱性氨基酸的转运缺陷，分别导致A型或B型胱氨酸尿，或同时导致AB型胱氨酸尿。基因敲除小鼠（Slc7a9-/-和/或Slc3a1-/-）初期症状表现为尿液中胱氨酸含量增加，在4周龄时肾结石和膀胱结石基本形成，并持续生长，尿液中可见六角形晶体；药效研究一般选用2～3月龄的雄性小鼠，该阶段小鼠的结石发生率更高，如Slc3a1-/-小鼠可达50%。组织病理改变主要体现在肾，如肾小管和盆腔扩张、肾小管坏死、肾小管透明液滴和慢性间质性肾炎。A型和B型胱氨酸尿小鼠模型中存在基因型/表型相关性，为进一步研究胱氨酸尿患者遗传机制提供了新的见解。

研究者已应用该模型验证了青霉胺（D-penicil⁃lamined）、α-硫辛酸（α-lipoicacid）和托尔瓦普坦（tolvaptan）在增加尿胱氨酸的溶解度及抑制Slc3a1-/-小鼠胱氨酸尿模型中胱氨酸结石形成的作用，并发现L-胱氨酸二甲酯（L-cystine dimethyl ester）虽不能阻断结石的产生，但能抑制胱氨酸晶体持续生长。这些发现提供了一种构建有效的胱氨酸尿石症模型的思路，可用于研究导致该疾病的遗传和环境因素，并可用于药物评估。

结语

膀胱结石在发展中国家和快速老龄化的发达国家都是常见的临床问题。膀胱及相关泌尿系统结石成因复杂，过程涉及遗传、饮食和自身代谢及曾发生的物理和化学事件。各类结石动物模型均有其优缺点和非临床研究的适用性。与化学诱导模型相比，物理和微生物诱导模型主要针对膀胱，对其他脏器影响较小；但一项体外模型研究发现，解脲酶微生物也能从膀胱向上游迁移到输尿管和肾，随后在肾中形成生物膜和结石。受遗传学研究进展的限制，基因敲除方法目前仅应用于制备某种特定的结石模型，应用面相对较小。现有模型的一些共有特征可总结为：

①建模动物以大鼠为主，其次选用小鼠、猫或猪。

②模型可能存在动物性别的差异。在化学诱导模型中，雌性动物体内形成的结石在一定程度上小于雄性；而微生物诱导模型中雌性动物的成石率更高=。目前的研究尚未阐明这种性别差异是由激素水平还是解剖特征引起的，或者兼而有之。

③动物品系差异。如在微生物诱导模型中，F344大鼠的易感性最高，SD大鼠次之，Lewis大鼠和Wistar大鼠易感性最弱。

然而，现有模型尚存在以下不足：

①判断标准不一。当前研究中提到的判断标准有肉眼观察、结晶尿、解剖组织显微观察、组织病理学检查等；后期研究应达成一致的判断标准，使各研究间能够进行合理的比较。

②模型动物血液、尿液等生化指标结果不一致，尤其是镁和钙，常在同种或不同模型中表现出差异。

③人们对结石形成信号通路中的特异性标志物知之甚少。有报导推测，血清中NADH脱氢酶1α亚复合物亚基8和免疫球蛋白超家族中的一种跨膜糖蛋白basigin可能是三聚氰胺诱导膀胱结石的潜在生物标志物。

④无法回避的副作用。尤其是化学诱导模型，虽然被广泛应用，但可能导致代谢性酸中毒、细胞损伤和肾小管上皮细胞坏死等，副作用大；改用结石形成中间代谢产物或者信号通路中的信号因子作为诱导剂，也许能建立更加安全、合理的疾病模型。

⑤现有的模型高度依赖于人工诱导，可能并不完全适用于天然结石形成的研究。

诚然，自然界中存在一些自发性尿路结石的动物模型，包括圈养或野生动物，如狗、猫、水獭、海豚和雪貂等。这些自发性模型的发病机制也许更接近人类膀胱结石发生的真相，很可能成为膀胱结石模型的广阔宝库。

Source: 中国药理学与毒理学杂志. 2024, 38 (06)，膀胱结石啮齿类动物模型的制备方法及应用进展