Hiện nay, đã có rất nhiều mô hình béo phì được các nhà nghiên cứu đưa ra để nghiên cứu về cơ chế bệnh sinh cũng như để phát triển các thuốc điều trị béo phì trên động vật thực nghiệm. Hầu hết động vật sử dụng trong các mô hình béo phì đều là những động vật nhỏ (như chuột cống và chuột nhắt). Cần chú ý rằng, mỗi một mô hình có những điểm thuận lợi và hạn chế nhất định, nên việc lựa chọn mô hình nào là phụ thuộc vào mục đích của từng nghiên cứu [99], [100], [101]. Dưới đây là một số mô hình béo phì chủ yếu:
1.2.1. Các mô hình gây béo phì bằng phẫu thuật hoặc hóa chất
Can thiệp bằng phẫu thuật tạo béo phì trên động vật liên quan tới các cấu trúc thần kinh chủ yếu ở vùng dưới đồi và phẫu thuật ở cơ quan khác gồm tử cung và mô mỡ.
1.2.1.1. Gây tổn thương những cấu trúc thần kinh liên quan vùng dưới đồi Tổn thương những cấu trúc trong não nói chung, hay ở vùng dưới đồi nói riêng, thực hiện được bằng những kỹ thuật điện sinh lý hoặc dược học [102], [103] (Hình 1.3). Trong nghiên cứu gây mô hình động vật béo phì, chất hay được sử dụng để gây tổn thương tổ chức não là glutamat natri (monosodium glutamate, MSG) được sử dụng tiêm dưới da hoặc phúc mạc [104], [105], [106], [107] hoặc bổ sung vào thức ăn, thức uống [108], [109]. Một số hóa chất khác cũng được sử dụng như thioglucose vàng, neuropeptide-Y-saporin (NPY- SAP); mỗi chất lại có cơ chế gây tổn thương khác nhau [110].
Các cấu trúc thường được tác động trong gây mô hình béo phì là các nhân bụng giữa, cạnh thất và nhân cung.
* Gây tổn thương nhân bụng giữa vùng dưới đồi
Một trong những mô hình sớm nhất gây béo phì trên động vật gặm nhấm là chuột cống được mổ gây tổn thương vùng nhân bụng giữa (ventromedical nucleus, VMN) của vùng dưới đồi (hypothalamus, HA) gây ra ăn nhiều (hyperphagia), tăng trọng lượng cơ thể và tích mỡ [102]. Chuột cống tổn thương nhân bụng giữa cũng tăng insulin và giảm glucagon. Cả mức nền và
sự chế tiết insulin do thức ăn kích thích đều cao hơn ở các chuột tổn thương nhân bụng giữa. Những thay đổi về hormon này phần lớn do sự thay đổi trong trương lực thần kinh thực vật có nghiêng về hoạt động phó giao cảm.
Hình 1.3. Hình cắt ngang não chuột cống qua vị trí vùng dưới đồi với vùng bôi đậm tương ứng vị trí gây tổn thương vùng dưới đồi bên.
DM: dorsomedial nucleus, nhân lưng giữa; VM: ventromedial nucleus, nhân bụng giữa.
*Nguồn:theo Anand và Brobeck JR (1951) [102].
* Gây tổn thương nhân cạnh thất vùng dưới đồi
Các tổn thương tới nhân cạnh thất (paraventricular nucleus, PVN) vùng dưới đồi cũng tạo ra tình trạng béo phì [99], [102]. Béo phì chủ yếu do tăng ăn; tiêu hao năng lượng và đặc biệt là hoạt động vận động không bị ảnh hưởng bởi tổn thương nhân cạnh thất vùng dưới đồi, cho thấy rằng các cơ chế của kiểu hình béo phì do tổn thương nhân cạnh thất khác với cơ chế do tổn thương nhân bụng giữa. Béo phì ở chuột cống tổn thương nhân cạnh thất gây ra kháng insulin và tăng insulin máu [99].
* Gây tổn thương nhân cung
Gây tổn thương do phẫu thuật chọn lọc nhân cung (arcuate nucleus, ARC) hoặc sử dụng lặp lại natri glutamat (monosodium glutamate, MSG) với các chuột sơ sinh trong vòng 10 ngày đầu sau sinh gây ra tổn thương khá chọn lọc với các neuron nhân cung xuất chiếu tới nhân bụng giữa và nhân cạnh
thất. Chuột cống gây tổn thương bằng MSG ăn nhiều và phát triển béo phì cùng với kháng insulin và tăng insulin máu [103], [104], [105], [106].
1.2.1.2. Phẫu thuật tác động lên cơ quan khác
* Phẫu thuật cắt bỏ buồng trứng
Cắt bỏ cơ quan sinh dục này ở nữ dẫn tới tăng thể trọng cùng với tăng ăn. Cắt buồng trứng (ovariectomy, OVX) ở chuột cống và chuột nhắt cái do vậy được sử dụng làm mô hình cho béo phì tăng ăn ở nữ diễn ra sau mãn kinh. Cỏc cơ chế về tăng ăn thường xuyờn sau cắt buồng trứng là khụng rừ ràng, trong khi tác dụng chu kỳ có lẽ do thiếu tác dụng của estradiol lên các chất kiểm soát ăn như CCK, GLP-1, glucagon và các chất khác nữa [99]. Lưu ý là cắt buồng trứng làm chuyển biến ngay từ một động vật cái có chu kỳ bình thường thành một động vật không còn chu kỳ, trong khi sự chuyển đổi đó lại diễn ra từ từ ở mãn kinh [20], [110], [111], [112].
* Loại bỏ mô mỡ nâu
Mô mỡ nâu (brown adipose tissue, BAT) đóng một vai trò quan trọng trong kiểm soát tiêu hao năng lượng; mô mỡ nâu bộc lộ protein 1 không kết cặp (uncoupling protein 1, UCP-1) thải năng lượng dạng nhiệt. Các chuột nhắt chuyển gen loại bỏ mụ mỡ nõu thấy bộo phỡ rừ và cú tiờu hao năng lượng giảm [20], [99]. Cùng với phát triển béo phì, chuột nhắt cũng dễ trở nên kháng insulin và cuối cùng phát triển tiểu đường giống týp 2.
1.2.2. Các mô hình biến đổi gen
Mô hình biến đổi gen để nghiên cứu béo phì được dùng ngày càng nhiều kể từ những năm 1990. Có hơn 50 loại mô hình biến đổi gen khác nhau trên động vật gặm nhấm. Các mô hình này gây đột biến một hoặc nhiều gen liên quan đến béo phì. Các mô hình điển hình như chuột béo phì (ob/ob) và chuột tiểu đường (db/db) [20], [99]. Một số mô hình được mô tả trong đó một đơn gen bị thiếu hoặc thay đổi chức năng trong toàn bộ cơ thể động vật.
1.2.2.1. Đột biến đơn gen trong con đường tín hiệu leptin
* Leptin và các thụ thể
Các động vật có khuyết thiếu trong con đường tín hiệu leptin ở vùng dưới đồi của não phát triển một kiểu hình béo phì bệnh lý. Các mô hình bao gồm các động vật thiếu sản sinh leptin và/hoặc không nhạy cảm với leptin do các đột biến thụ thể leptin hoặc rất kháng leptin. Các đột biến là tự phát (như chuột nhắt Lepob/Lepob; chuột nhắt Lepdb/Lepdb) hay thay đổi gen bằng công nghệ. Chuột cống khuyết thiếu thụ thể Leptin [chuột béo phì Zucker (chuột cống fa/fa hay mỡ, ‘fatty’) và chuột cống Koletsky] mang các dạng đột biến của thụ thể leptin ngoại bào. Các chuột cống béo tiểu đường Zucker (Zucker Diabetic Fatty, ZDF) phái sinh từ một dòng chuột béo Zucker có biểu hiện thất điều sớm về chuyển hóa glucose. Chuột cống béo Wistar Kyoto (Wistar Kyoto fatty rat) là mô hình chuột cống được tạo sinh bởi lai chéo các chuột cống béo Zucker (fa/fa) với chuột cống Wistar-Kyoto (WKY).
* Các mô hình béo phì có thiếu khuyết các thụ thể leptin não xuôi dòng Các động vật có các đột biến nằm ở xuôi dòng của các neuron cảm nhận leptin ở vùng dưới đồi được đề cập tiếp theo [20], [99], [111], [112], [113].
Chuột nhắt khuyết POMC: Các neuron bộc lộ proopiomelanocortin (POMC) ở nhân cung vùng dưới đồi là đích trực tiếp của leptin. Các chuột nhắt biến đổi gen thiếu POMC (POMC−/ −) đều ăn nhiều và phát triển béo phì;
khi dùng chế độ ăn giàu béo (high-fat diet) càng làm tăng kiểu hình béo phì.
Bộo phỡ ở chuột nhắt POMC−/ − cú thể giảm rừ rệt khi cỏc chuột này được điều trị bằng α-MSH hoặc các chất đồng vận khác của thụ thể MC4, nhưng không hiệu quả khi điều trị bằng leptin [20], [99].
Chuột nhắt khuyết POMC/AgRP: Agouti related protein (AgRP) là một peptid thần kinh cùng bộc lộ với neuropeptide Y (NPY) ở một tập hợp các neuron của nhân cung, độc lập với nhóm các neuron bộc lộ POMC. AgRP tăng ăn bằng tác động như một chất ức chế đối kháng tại thụ thể MC4. Gần
đây, chuột nhắt bị khuyết cả hai POMC và AgRP được tạo ra. Về kiểu hình và về góc độ ăn nhiều và phát triển béo phì, chúng tương tự như các chuột nhắt khuyết đồng hợp tử POMC−/−.
Các mô hình khuyết thụ thể MC4: Bất hoạt đặc hiệu của thụ thể MC4 bởi một khuyết gen nhắm đích tạo ra chứng ăn nhiều và béo phì bệnh lý.
Chuột nhắt MC4−/− cũng có tăng insulin máu, tăng đường và tăng leptin máu.
Chuột cống khuyết MC4 cũng đã được báo cáo [99], có nhiều đặc điểm tương đồng với chuột nhắt khuyết MC4 (như thể trọng tăng, tăng nạp thức ăn, chiều dài cơ thể và giảm hoạt động tự phát), tuy vẫn có những khác biệt.
Chuột nhắt khuyết thụ thể MC3: Bất hoạt nhắm đích một dưới nhóm thụ thể MC khác là thụ thể MC3 cũng gây kiểu hình béo phì. Mô hình này có đặc điểm tăng nhẹ thể trọng, nhưng tăng rừ và muộn tớch lũy mỡ. Cỏc chuột nhắt biểu hiện tăng leptin máu và tăng insulin máu tương đối [20], [99].
Chuột nhắt khuyết thụ thể MC4/MC3: Khuyết cả hai thụ thể MC3 và MC4 gây ra ở các chuột nhắt nặng nề hơn các chuột khuyết đơn thụ thể. Chất đồng vận MTII làm giảm ăn ít hơn ở chuột khuyết thụ thể MC3 hoặc MC4 so với chuột chứng nhóm lành, nhưng chỉ ở các chuột khuyết cả hai thụ thể là hoàn toàn không đáp ứng với MTII.
Ngoài ra còn những mô hình đột biến chuột nhắt biểu hiện màu lông hung bất thường, bộc lộ nhiều AgRP, đột biến carboxypeptidase E (CPE)…
1.2.2.2. Đột biến đơn gen khác
* Chuột cống béo Otsuka Long Evans Tokushima (OLETF)
Tên gọi này xuất phát từ dòng chuột cống Long Evans được lai tạo chọn lọc tại viện nghiên cứu Tokushima của Dược Otsuka ở Nhật Bản. Chuột cống béo Otsuka Long Evans Tokushima khuyết thụ thể CCK-1; do đó các chuột béo OLETS này và các chuột đồng đẳng (LETO; Long-Evans Tokushima Otsuka) được dùng trong nghiên cứu các chức năng sinh lý của CCK. Kiểu hình béo phì mức vừa, ăn nhiều và béo phì của các chuột cống OLETF liên
quan tới tăng đáng kể trong kích cỡ bữa ăn. Như một hậu quả của béo phì, các chuột cống OLETF phát triển tiểu đường; chúng tăng đường máu từ khoảng tháng tuổi 4-5 và phát triển tiểu nhiều và khát nhiều. Thêm nữa, do thiếu các thụ thể chức năng CCK-1 ở vùng tụy ngoại tiết, các chuột cống béo OLETF đáp ứng kém với việc chế tiết tụy do kích thích CCK [99].
* Chuột nhắt chuyển gen bộc lộ nhiều CRF
Corticotrophin releasing factor (CRF) được tổng hợp ở nhân cạnh thất vùng dưới đồi, kích thích tiết hormon ACTH (adrenocorticotropic hormone) và corticosterone (GCC). Các chuột nhắt chuyển gen CRF biểu lộ béo phì ở thân cùng với cơ yếu, da mỏng và mất lông. Do vậy, các chuột nhắt là mô hình cho béo phì kết hợp với các tình trạng ưu năng vỏ thượng thận như hội chứng Cushing.
* Chuột nhắt chuyển gen GLUT4
Chất vận chuyển glucose dưới nhóm 4 (glucose transporter subtype 4, GLUT4) là chất vận chuyển chủ yếu với glucose do kích thích insulin ở mô mỡ, cơ vân và các mô khác. Chuột nhắt chuyển gen bộc lộ nhiều GLUT4 ở mô mỡ nâu hoặc trắng phát triển béo phì khởi phát sớm. Các chuột nhắt này cú tăng rừ về số lượng chứ khụng phải kớch thước của cỏc tế bào mỡ. Chuột cống chuyển gen bộc lộ nhiều enzym tân tạo đường, do đó tăng cơ chất cho tổng hợp triglycerid. Các động vật này tăng triglycerid máu và béo phì, thậm chí cả khi ăn chế độ không nhiều chất béo [20], [99].
* Chuột nhắt chuyển gen MCH
Trong khi vai trò sinh lý của hormon tập trung melanin (melanin concentrating hormone, MCH) trong điều khiển ăn và thể trọng vẫn chưa rừ, việc sử dụng trung ương chất MCH làm tăng ăn ở các chuột cống và chuột nhắt. Các chuột nhắt chuyển gen bộc lộ nhiều MCH có chứng ăn nhiều và phát triển béo phì muộn trong đời khi tiếp xúc với chế độ ăn giàu béo; béo phì kết hợp với tăng insulin máu và kháng insulin.
* Khuyết thụ thể beta-3 adrenergic
Các thụ thể β3 được biểu lộ chủ yếu ở các mô mỡ trắng và nâu. Chuột nhắt khuyết các thụ thể β3 có béo phì mức vừa, và kiểu hình mạnh hơn ở con cái so với con đực. Béo phì ở các chuột nhắt khuyết thụ thể β3 chủ yếu do giảm hoạt động của hệ thống thần kinh giao cảm vì nạp thức ăn là tương đương với mức của chuột lành. Tổng tiêu hao năng lượng cũng không đổi, nhưng sự hoạt hóa mô mỡ nâu giảm đi [99], [114].
* Khuyết thụ thể serotonin 5-HT-2c
5-hydroxytryptamine (5-HT, serotonin) kiểm soát nhiều chức năng quan trọng, gồm ăn. Các chuột nhắt thiếu các thụ thể chức năng 5-HT2C phát triển chứng ăn nhiều, gây ra tăng thể trọng đáng kể và tăng mỡ; tiêu hao năng lượng không đổi. Những thay đổi trong chuyển hóa glucose và độ nhạy cảm insulin chỉ xảy ra sau khởi phát của béo phì.
* Chuột nhắt khuyết thụ thể neuropeptide-Y1
Neuropeptide Y (NPY) là một peptid thần kinh kích thích ăn thông qua một số dưới nhóm thụ thể gồm NPY1R (neuropeptide-Y1 receptor). Ngược lại, chuột nhắt khuyết thụ thể NPY1R phát triển béo phì; béo phì diễn ra độc lập với việc tăng ăn và dường như gây chủ yếu bởi giảm tiêu hao năng lượng.
Tỏc dụng ở cỏc động vật cỏi rừ hơn ở con đực [20], [99], [112]. Cỏc chuột nhắt này dùng cho nghiên cứu béo phì mà không ăn nhiều.
* Chuột nhắt khuyết thụ thể neuropeptide-Y2
Tương tự chuột nhắt khuyết NPY1R, chuột nhắt khuyết thụ thể NPY2R cũng phát triển béo phì nghịch thường, có tăng ăn nhẹ và phát triển béo phì.
Cho chế độ ăn viên bình thường, chuột nhắt không phát triển các bất thường chuyển hóa về glucose và chuyển hóa chất béo [20], [113].
* Chuột nhắt khuyết thụ thể bombesin 3
Peptid giống bombesin gồm bombesin (BBS) ở động vật lưỡng cư, gastrin-releasing peptide (GRP) và các peptid khác gồm neuromedin B
(NMB), và tất cả các chất được coi là yếu tố thỏa dụng, làm giảm kích cỡ bữa ăn sắp tới tương tự như tác dụng do CCK gây nên. Chuột nhắt bán hợp tử với thụ thể BRS3 phát triển béo phì khởi phát muộn do tăng ăn và giảm tốc độ chuyển hóa. Béo phì cũng kết hợp với chuyển hóa glucose rối loạn như tăng mức glucose nền, tăng insulin máu và kháng insulin [99].
* Chuột nhắt khuyết thụ thể insulin ở tế bào thần kinh
Chuột nhắt khuyết thụ thể insulin ở tế bào thần kinh có thể sống sót được. Chúng có tăng vừa trong nạp thức ăn và gây ra tăng thể trọng và mỡ và tỏc dụng rừ hơn ở cỏc chuột nhắt tiếp xỳc với chế độ ăn giàu bộo, đặc biệt chuột cái. Béo phì song hành với tăng triglycerid máu [99].
* Bộc lộ nhiều 11beta-HSD-1
Bộc lộ nhiều enzyme 11betahydroxysteroid dehydrogenase type 1 (11beta HSD-1) chọn lọc ở các mô mỡ gây ra tăng mức corticosterone của mô mỡ và béo phì nội tạng gồm cả các đặc điểm đặc trưng của hội chứng chuyển húa; tỏc dụng rừ hơn khi chuột nhắt tiếp xỳc với chế độ ăn giàu bộo. Chuột nhắt chuyển gen 11beta HSD-1 ăn nhiều hơn các động vật chứng, có kháng insulin và phát triển tiểu đường [99].
1.2.3. Các mô hình động vật béo phì khác 1.2.3.1. Béo phì theo mùa
Chuột đồng Syri và Siberi: thể trọng và mỡ cơ thể khỏc biệt rừ qua thời gian trong năm ở chuột đồng Syri và Siberi. Sự kích thích nhất cho những thay đổi này là thay đổi thời gian chiếu sáng và thời gian ban ngày, và gây ra thay đổi lượng giải phóng melatonin. Khả năng sinh sản giảm ở cả hai giống chuột đồng trong giai đoạn chiếu sáng ngắn; tuy nhiên chuột đồng Syri tăng cân và các chuột đồng Siberi giảm cân trong điều kiện ngày ngắn [99].
1.2.3.2. Mất mô mỡ
Việc thiếu hoàn toàn mô mỡ (lipodystrophy) dẫn tới những thay đổi chuyển hóa tương tự như béo phì nặng và kết hợp với kháng insulin. Các
chuột nhắt biến đổi gen có thiếu mô mỡ đặc trưng bởi tăng ăn, gan nhiễm mỡ, tăng triglycerid máu, kháng insulin và tiểu đường týp 2. Do thiếu mô mỡ, các chuột này bị thiếu leptin. Điều trị bằng leptin phục hồi phần nào sự chuyển hóa bị rối loạn ở các chuột này [99].
1.2.3.3. Đột biến gen béo phì tubby
Chức năng của gen mập phì tubby (tub) mới chỉ được biết một phần. Đột biến đồng hợp tử của gen tubby gây ra béo phì khởi phát muộn nhưng chuột nhắt thường không phát triển tiểu đường [99].
1.2.4. Các mô hình chuột béo phì bằng chế độ ăn cao năng
Đây là mô hình gây béo phì đơn giản nhất và có thể là mô hình mà có những biểu hiện tương đồng nhất với những biểu hiện của béo phì trên người.
Có một số loại chế độ ăn để gây béo phì. Một số chế độ ăn đạt được giá trị năng lượng bằng việc bổ xung thêm carbohydrat và một số khác thì bằng cách thêm chất béo, và hầu hết là thay đổi từ 3,7 Kcal/g đến 5,4 Kcal/g. Tất cả thức ăn này là rất ngon miệng và gây béo phì [20], [99], [115], [116], [117].
1.2.4.1. Chuột cống béo phì bằng chế độ ăn giàu năng lượng
Khi tiếp xúc với chế độ ăn giàu năng lượng (high-energy diet, HE), nhiều chuột cống Sprague-Dawley trở thành béo phì (diet-induced obese, DIO), còn những con khác có thể trọng tương tự như nhóm chuột cống đối chứng ăn chế độ nghèo năng lượng (low-energy diet); nhóm này được gọi là kháng chế độ ăn (diet resistant, DR). Các chuột cống DIO và DR được lai chọn lọc qua một số thế hệ. Một số dòng chuột cống DIO giờ trở thành béo phì dù không cần tiếp xúc với chế ăn giàu năng lượng, tác dụng này nổi bật ở con đực hơn con cái [99].
1.2.4.2. Béo phì do chế độ ăn kiểu quán nhiều món
Các chuột cống trở thành béo phì khi cho nhiều loại thức ăn bắt chước chế độ ăn kiểu Âu ở người (cafeteria diet induced obesity). Béo phì do chế độ ăn đa dạng này chủ yếu do ăn. Ăn quá nhiều thức ăn đa dạng là do tăng kích