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大鼠是吸入制劑藥物毒性研究的常用種屬，那么大鼠和人呼吸系統(tǒng)的種屬差異如何呢？本文分享下大鼠和人呼吸道的大體解剖學(xué)、微觀解剖學(xué)和生理學(xué)差異，以及對(duì)毒性評(píng)價(jià)的影響。

 

1、人和大鼠呼吸道大體解剖學(xué)差異

 

哺乳動(dòng)物呼吸道可以分為上呼吸道和下呼吸道，上呼吸道由鼻、咽和喉組成。下呼吸道由傳導(dǎo)（非呼吸）氣管支氣管區(qū)域（氣管、支氣管），傳導(dǎo)細(xì)支氣管（包括終末細(xì)支氣管）和發(fā)生氣體交換的遠(yuǎn)端呼吸氣道（呼吸細(xì)支氣管、肺泡導(dǎo)管和肺泡囊或肺泡）組成。成人體重在60-80kg之間，大鼠約0.15-0.5kg，人體是大鼠的400倍。兩個(gè)種屬間呼吸道解剖學(xué)的很多差異正是與體形相關(guān)。此外，大鼠是四足動(dòng)物，姿勢(shì)與人體不同，呈水平氣道，而人類(lèi)是兩足動(dòng)物的直立姿勢(shì)，形成垂直氣道和重力引起的氣溶膠沉積的差異。一般來(lái)說(shuō)，上呼吸道和下呼吸道的大體解剖差異主要影響氣溶膠的沉積，對(duì)氣體和蒸汽基本沒(méi)有影響。這主要是由于較大的氣溶膠（>1-2μm）在較大氣道的快速氣流中具有較高的推進(jìn)力，當(dāng)存在湍流氣流或分叉等幾何形狀變化時(shí)，更有可能與呼吸道壁碰撞。

 

1.1上呼吸道大體解剖差異

 

鼻子從外及內(nèi)依次是鼻孔（鼻孔開(kāi)口）、鼻前庭（鼻孔內(nèi)的區(qū)域），以及鼻子的呼吸和嗅覺(jué)區(qū)域（鼻腔）。人鼻孔的橫截面積約為140mm2或直徑為13mm（假設(shè)為圓形）。大鼠鼻孔的橫截面積為0.7mm2或直徑約為1mm（假設(shè)為圓形）。大鼠鼻孔較小，故吸入人體的物質(zhì)不一定能被大鼠吸入。然而，與大鼠不同，人類(lèi)有鼻毛發(fā)也會(huì)過(guò)濾一些較大的氣溶膠，使其不能進(jìn)入鼻腔。

 

大鼠鼻前庭內(nèi)的空間比人類(lèi)小。大鼠鼻呼吸和嗅覺(jué)區(qū)域包括鼻甲、上頜竇和一組復(fù)雜的（至少六個(gè)）篩骨甲，并形成篩骨迷路。大鼠篩骨甲和上頜骨甲發(fā)育良好，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以調(diào)節(jié)吸入的空氣，如加濕/加溫等。相比之下，人類(lèi)鼻子的呼吸區(qū)域包括三種簡(jiǎn)單且無(wú)分支的鼻甲（上鼻甲、中鼻甲和下鼻甲）。與人類(lèi)相比，大鼠復(fù)雜的鼻甲導(dǎo)致更多物質(zhì)沉積在鼻腔區(qū)域，從而為下呼吸道提供更好的保護(hù)。

 

采用流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模型模擬不同氣溶膠大小在大鼠鼻子、人類(lèi)鼻子和口腔中的沉積。例如，對(duì)于空氣動(dòng)力學(xué)直徑（median mass aerodynamic diameter, MMAD）為2.72μm（4.03 mg氣溶膠/L空氣），大鼠中>58%的吸入氣溶膠沉積在鼻內(nèi)，而人類(lèi)鼻子中的沉積率<1%。為確保氣溶膠在大鼠體內(nèi)的吸入，OECD于2018年更新了相關(guān)指導(dǎo)意見(jiàn)，即MMAD≤2μm（幾何標(biāo)準(zhǔn)差為1-3）。

 

鼻甲復(fù)雜程度的差異對(duì)鼻腔的體積和表面積有直接影響。人類(lèi)鼻腔體積為16-19 cm3(不含鼻竇)，約為大鼠鼻腔體積(0.4 cm3)的40-50倍，人類(lèi)鼻腔表面積為181 cm2，大鼠為10.4 cm2。然而，經(jīng)體重校正后，大鼠鼻腔的表面積大約是人體的13倍。相對(duì)較大的表面積對(duì)高反應(yīng)性物質(zhì)(如甲醛)的毒性有直接影響。

 

大鼠和人體咽部的解剖位置不同。在大鼠中，咽部位于鼻導(dǎo)氣管的遠(yuǎn)端，口腔和喉部的背側(cè)。在人體中，咽部位于鼻腔、口腔和喉部的后部。鼻咽的背腹彎曲角度在大鼠和人類(lèi)之間有很大的不同。大鼠只有輕微的鼻咽彎曲(15?)，而人類(lèi)由于直立的兩足姿勢(shì)，呈現(xiàn)更明顯的彎曲(90?)。很明顯，人類(lèi)的這種彎曲角度會(huì)使氣溶膠更容易在鼻咽部沉積。從MMAD角度，在大鼠中，幾乎所有大于5μm的顆粒/氣溶膠都會(huì)沉積在上呼吸道（鼻、咽和喉），而在人類(lèi)休息和通過(guò)鼻子呼吸時(shí)，大約90%的10μm大小的顆粒會(huì)沉積在上呼吸道。不過(guò)，人類(lèi)是可以經(jīng)口呼吸的，大鼠只有經(jīng)鼻呼吸，經(jīng)口呼吸可以允許粒徑更大的顆粒/氣溶膠到達(dá)下呼吸道。

 

大鼠和人喉部的結(jié)構(gòu)和功能也有區(qū)別。大鼠在會(huì)厭底部有一個(gè)ventral pouch（腹側(cè)囊？），人體則沒(méi)有。大鼠鼻咽彎曲角度小，ventral pouch成為了吸入物質(zhì)沉積的一個(gè)重要部位。人體則因?yàn)闆](méi)有ventral pouch結(jié)構(gòu)、鼻咽彎曲角度大、可以口鼻呼吸等特點(diǎn)，喉部沉積量不如大鼠明顯。因此，在大鼠吸入毒性試驗(yàn)中，常常可觀察到因受試物高度沉積導(dǎo)致的ventral pouch刺激性，這一特點(diǎn)也決定了大鼠喉部毒性會(huì)比人體更為敏感。另外一層意思是有些大鼠喉部毒性不一定具有太大的人體轉(zhuǎn)化意義，比如大鼠喉部鱗狀化生。

 

下圖是大鼠和人呼吸道解剖差異。

 

 

1.2下呼吸道大體解剖差異

 

成年大鼠的氣管從第一軟骨到分叉處的長(zhǎng)度約為33毫米，直徑約為1.6-2.85毫米。大鼠氣管的形狀由堅(jiān)硬的軟骨環(huán)框架維持，當(dāng)大鼠伸直頭部時(shí)，氣管可以延長(zhǎng)50%，但管腔直徑不會(huì)隨之減少。相比之下，人類(lèi)氣管的長(zhǎng)度約為90毫米，內(nèi)徑約17-20毫米。因此，人的氣管長(zhǎng)度和寬度分別約是大鼠的3倍、10倍。不過(guò)，如果按照體重進(jìn)行校正后，無(wú)論長(zhǎng)度還是寬度，大鼠氣管均比人體更多。

 

大鼠和人體氣管支氣管樹(shù)的結(jié)構(gòu)也有區(qū)別。如下圖所示，左側(cè)為大鼠氣管、右側(cè)為人體氣管，分叉方式和特點(diǎn)是不同的。大鼠氣管類(lèi)似杉樹(shù)，主干很直，直徑不等的次級(jí)氣管向兩側(cè)分叉。人體氣管則由母氣道分為兩個(gè)直徑相當(dāng)?shù)淖託獾?，呈倒Y型。另外，大鼠氣管分叉后直徑不變，人體氣管每次分叉后直徑會(huì)縮寫(xiě)20%。兩個(gè)種屬肺氣管結(jié)構(gòu)的差異，是影響吸入顆粒物沉積的重要因素。很明顯，大鼠的肺部結(jié)構(gòu)更有利于空氣流通的通暢，人體高度分叉的氣管結(jié)構(gòu)使得每個(gè)分叉點(diǎn)對(duì)顆粒物沉積更為敏感。

 

還有一點(diǎn)需要注意，由于氣管分支角度的變化，吸入物質(zhì)從大鼠氣管到肺泡的路徑長(zhǎng)度可能不同。而人體的分支角度相對(duì)對(duì)稱(chēng)，氣管到肺泡的路徑長(zhǎng)度是一致的。這就導(dǎo)致，大鼠中處于較短路徑的肺泡會(huì)暴露更高濃度的吸入物質(zhì)，且暴露時(shí)間也更久，而有些肺泡反而沒(méi)有藥物暴露。這可能是為什么大鼠肺頂葉會(huì)經(jīng)常看到更多藥物沉積的原因。

 

2、人和大鼠呼吸道微觀解剖學(xué)差異

 

大鼠與人呼吸道不同區(qū)域的上皮細(xì)胞類(lèi)型（如基底細(xì)胞、纖毛細(xì)胞、黏液細(xì)胞、漿液細(xì)胞等）、豐度和密度存在差異。

 

2.1上呼吸道微觀解剖

 

在大鼠和人類(lèi)中，從鼻前庭到鼻咽部的起始端，鼻腔首先由層狀鱗狀上皮排列，其次是移行上皮、假層狀纖毛呼吸上皮和嗅覺(jué)上皮。大鼠鼻前庭的鱗狀上皮比人類(lèi)薄得多，對(duì)有毒物質(zhì)的物理防護(hù)比人體差。

 

大鼠鼻子對(duì)嗅覺(jué)高度敏感，50%區(qū)域?yàn)樾嵊X(jué)區(qū)域，而人類(lèi)這一比例僅3%。人類(lèi)的嗅覺(jué)上皮僅限于鼻道中背側(cè)的一小塊區(qū)域，而大鼠的嗅覺(jué)上皮位于鼻遠(yuǎn)端氣道的大部分鼻甲、鼻頂、側(cè)壁和鼻中隔。故，對(duì)嗅覺(jué)上皮細(xì)胞的特異性毒性，大鼠會(huì)更為敏感。嗅覺(jué)上皮屬于假層狀的柱狀神經(jīng)上皮，包含嗅覺(jué)感覺(jué)神經(jīng)元、支撐細(xì)胞和基底細(xì)胞。嗅上皮（尤其是維持細(xì)胞）具有增強(qiáng)的代謝能力，導(dǎo)致對(duì)需要代謝激活的化合物更敏感，而且可以經(jīng)由嗅上皮入腦。比如大鼠中，吸入的二甲苯可能會(huì)轉(zhuǎn)化為代謝物，通過(guò)軸突入腦。嗅覺(jué)區(qū)域的這一種屬區(qū)別會(huì)影響毒性的評(píng)估和轉(zhuǎn)化，對(duì)于代謝激活的化合物，人體的毒性表現(xiàn)預(yù)計(jì)會(huì)小于大鼠。反之，對(duì)于代謝后毒性會(huì)降低的化合物，人體毒性則會(huì)更大。此外，大鼠毒理研究中，僅出現(xiàn)在嗅覺(jué)區(qū)域的病變，需要謹(jǐn)慎評(píng)估，對(duì)臨床的指導(dǎo)意義可能沒(méi)有那么大。

 

人的喉部表面大部分為假?gòu)?fù)層柱狀纖毛呼吸上皮，只有聲帶這一小部分區(qū)域?yàn)閺?fù)層鱗狀上皮排列。相比之下，大鼠喉部表面在呼吸上皮和鱗狀上皮之間有一個(gè)廣泛的過(guò)渡區(qū)，該過(guò)渡區(qū)由不同的中間類(lèi)型的上皮組成。大鼠鱗狀上皮區(qū)域面積較大，不能促進(jìn)黏膜纖毛清除，會(huì)使暴露于受試物的時(shí)間更久。疊加前面提到的大鼠特有的ventral pouch結(jié)構(gòu)。故，很多大鼠喉部病變?cè)谌梭w中經(jīng)常是沒(méi)有的。

 

2.2下呼吸道微觀解剖

 

大部分動(dòng)物的氣管支氣管上皮均不能充分反應(yīng)人體情況。大鼠氣管上皮比人類(lèi)至少薄了10倍，對(duì)潛在損傷的保護(hù)更弱，也影響供試品的吸收。此外，黏膜下腺在氣管中的位置和數(shù)量的種屬差異，影響上皮表面可用于黏膜纖毛清除的黏液的數(shù)量和性質(zhì)。

 

人體氣管主要分泌型細(xì)胞是黏液細(xì)胞（又稱(chēng)杯狀細(xì)胞，goblet cells），大鼠氣管的主要分泌細(xì)胞是漿液細(xì)胞。大鼠漿液細(xì)胞分泌的液體黏度比黏液細(xì)胞低。這也是大鼠各級(jí)呼吸道的纖毛液體層黏度低的原因。

 

球桿細(xì)胞(club cells)是一種無(wú)纖毛、無(wú)黏液的分泌細(xì)胞，分泌包括表面活性劑在內(nèi)的幾種獨(dú)特的蛋白質(zhì)，并形成氣管上皮內(nèi)液。大鼠肺中也有大量的club cells。與人類(lèi)不同的是，人體club cells僅分布在細(xì)支氣管中，大鼠則分布更為廣泛，在整個(gè)呼吸系統(tǒng)中均有發(fā)現(xiàn)。不僅分布有區(qū)別，大鼠club cells含有比人體更豐富的滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，而滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與高水平的CYP-450單加氧酶有關(guān)。言外之意，大鼠代謝某些受試物的能力可能更強(qiáng)。取決于代謝物的特點(diǎn)，如果代謝后毒性更強(qiáng)，那大鼠的毒性會(huì)比人體更為敏感。反之，則更不敏感。

 

基底細(xì)胞（basal cells）是呼吸道上皮的主要支持性細(xì)胞。在人體中，從鼻子到終末細(xì)支氣管的上皮中均含有基底細(xì)胞。大鼠基底細(xì)胞則僅在氣管和主支氣管存在，肺內(nèi)氣管中則沒(méi)有，其功能被club cells所替代?；准?xì)胞是祖細(xì)胞，在再生和修復(fù)方面發(fā)揮重要作用。對(duì)毒性評(píng)價(jià)的影響體現(xiàn)在，如果藥物毒性是club cells特異的，在大鼠肺氣管中沒(méi)有基底細(xì)胞的區(qū)域，再生和修復(fù)能力會(huì)受影響。

 

大鼠中，內(nèi)皮細(xì)胞是肺泡區(qū)域占比最多的細(xì)胞（45%-50%），其次是間質(zhì)細(xì)胞（28%）。在人體，間質(zhì)部分比大鼠更厚，間質(zhì)細(xì)胞占肺泡區(qū)域總細(xì)胞數(shù)的36%，內(nèi)皮細(xì)胞占比也差不多（36%）。大鼠和人肺泡表面均主要被Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞覆蓋，分別是96%和93%。但從人體和大鼠肺泡表面積大小角度分析（大鼠0.35m2對(duì)比人100-140m2），大鼠Ⅰ型肺泡細(xì)胞受損帶來(lái)的傷害更大，引起的典型毒性表現(xiàn)是血管通透性增加和水腫。

 

從氣管到肺泡的管腔總表面積增加，相應(yīng)地，氣體流速隨之降低，氧氣和二氧化碳在周?chē)鷼獾篮头闻葜械倪\(yùn)輸是通過(guò)擴(kuò)散而不是對(duì)流來(lái)完成的。這里就要提一下氣-血屏障。大鼠肺泡表面到肺泡毛細(xì)血管之間的距離是0.38μm，人體是0.62μm。由于大鼠氣-血屏障更薄，更有利于氣體和疏水分子的擴(kuò)散。人體則相反，較厚的屏障減少了肺部的氣體交換。

 

最后再看下肺泡巨噬細(xì)胞，這一在清除吸入顆粒和纖維中發(fā)揮重要作用的細(xì)胞群。人類(lèi)中的肺泡巨噬細(xì)胞占肺泡區(qū)所有細(xì)胞的9%，大鼠則為3%，人類(lèi)占比更高。此外，人的肺泡巨噬細(xì)胞個(gè)頭更大，是大鼠的4-5倍?？紤]到巨噬細(xì)胞是肺泡清除的主要機(jī)制，這就潛在導(dǎo)致在吞噬吸入顆粒和纖維的數(shù)量、大小方面，有些種屬差異。此外，人體肺間質(zhì)存在少量巨噬細(xì)胞，>70%顆粒會(huì)轉(zhuǎn)移到肺間質(zhì)（肺泡和肺血管之間的結(jié)構(gòu)），大鼠的這一比例僅為15-18%，大部分留在肺泡內(nèi)。這或許能解釋為什么肺部顆粒過(guò)度沉積后，大鼠是唯一會(huì)產(chǎn)生肺部腫瘤的物種。從肺泡到間質(zhì)，隨著解剖的深入，就到肺血管內(nèi)了。在這個(gè)區(qū)域，人體也是有巨噬細(xì)胞存在的，大鼠則沒(méi)有。所以有些肺損傷毒性的種屬差異，可以從這個(gè)角度給出一定解釋。

 

3、人和大鼠呼吸系統(tǒng)生理學(xué)差異

 

解剖能看到結(jié)構(gòu)上的一些區(qū)別，生理則更多反映在功能上。下表展示大鼠和人呼吸系統(tǒng)生理學(xué)方面的差異及可能對(duì)毒性評(píng)價(jià)的影響。

 

下表則展示了健康成年大鼠和人形態(tài)學(xué)和呼吸參數(shù)之間的種屬差異。