大鼠和人体呼吸系统解剖和生理差异及对毒性评价的可能影响

大鼠是吸入制剂药物毒性研究的常用种属，那么大鼠和人呼吸系统的种属差异如何呢？本文分享下大鼠和人呼吸道的大体解剖学、微观解剖学和生理学差异，以及对毒性评价的影响。

1、人和大鼠呼吸道大体解剖学差异

哺乳动物呼吸道可以分为上呼吸道和下呼吸道，上呼吸道由鼻、咽和喉组成。下呼吸道由传导（非呼吸）气管支气管区域（气管、支气管），传导细支气管（包括终末细支气管）和发生气体交换的远端呼吸气道（呼吸细支气管、肺泡导管和肺泡囊或肺泡）组成。成人体重在60-80kg之间，大鼠约0.15-0.5kg，人体是大鼠的400倍。两个种属间呼吸道解剖学的很多差异正是与体形相关。此外，大鼠是四足动物，姿势与人体不同，呈水平气道，而人类是两足动物的直立姿势，形成垂直气道和重力引起的气溶胶沉积的差异。一般来说，上呼吸道和下呼吸道的大体解剖差异主要影响气溶胶的沉积，对气体和蒸汽基本没有影响。这主要是由于较大的气溶胶（>1-2μm）在较大气道的快速气流中具有较高的推进力，当存在湍流气流或分叉等几何形状变化时，更有可能与呼吸道壁碰撞。

1.1上呼吸道大体解剖差异

鼻子从外及内依次是鼻孔（鼻孔开口）、鼻前庭（鼻孔内的区域），以及鼻子的呼吸和嗅觉区域（鼻腔）。人鼻孔的横截面积约为140mm2或直径为13mm（假设为圆形）。大鼠鼻孔的横截面积为0.7mm2或直径约为1mm（假设为圆形）。大鼠鼻孔较小，故吸入人体的物质不一定能被大鼠吸入。然而，与大鼠不同，人类有鼻毛发也会过滤一些较大的气溶胶，使其不能进入鼻腔。

大鼠鼻前庭内的空间比人类小。大鼠鼻呼吸和嗅觉区域包括鼻甲、上颌窦和一组复杂的（至少六个）筛骨甲，并形成筛骨迷路。大鼠筛骨甲和上颌骨甲发育良好，结构复杂，可以调节吸入的空气，如加湿/加温等。相比之下，人类鼻子的呼吸区域包括三种简单且无分支的鼻甲（上鼻甲、中鼻甲和下鼻甲）。与人类相比，大鼠复杂的鼻甲导致更多物质沉积在鼻腔区域，从而为下呼吸道提供更好的保护。

采用流体动力学（CFD）模型模拟不同气溶胶大小在大鼠鼻子、人类鼻子和口腔中的沉积。例如，对于空气动力学直径（median mass aerodynamic diameter, MMAD）为2.72μm（4.03 mg气溶胶/L空气），大鼠中>58%的吸入气溶胶沉积在鼻内，而人类鼻子中的沉积率<1%。为确保气溶胶在大鼠体内的吸入，OECD于2018年更新了相关指导意见，即MMAD≤2μm（几何标准差为1-3）。

鼻甲复杂程度的差异对鼻腔的体积和表面积有直接影响。人类鼻腔体积为16-19 cm3(不含鼻窦)，约为大鼠鼻腔体积(0.4 cm3)的40-50倍，人类鼻腔表面积为181 cm2，大鼠为10.4 cm2。然而，经体重校正后，大鼠鼻腔的表面积大约是人体的13倍。相对较大的表面积对高反应性物质(如甲醛)的毒性有直接影响。

大鼠和人体咽部的解剖位置不同。在大鼠中，咽部位于鼻导气管的远端，口腔和喉部的背侧。在人体中，咽部位于鼻腔、口腔和喉部的后部。鼻咽的背腹弯曲角度在大鼠和人类之间有很大的不同。大鼠只有轻微的鼻咽弯曲(15◦)，而人类由于直立的两足姿势，呈现更明显的弯曲(90◦)。很明显，人类的这种弯曲角度会使气溶胶更容易在鼻咽部沉积。从MMAD角度，在大鼠中，几乎所有大于5μm的颗粒/气溶胶都会沉积在上呼吸道（鼻、咽和喉），而在人类休息和通过鼻子呼吸时，大约90%的10μm大小的颗粒会沉积在上呼吸道。不过，人类是可以经口呼吸的，大鼠只有经鼻呼吸，经口呼吸可以允许粒径更大的颗粒/气溶胶到达下呼吸道。

大鼠和人喉部的结构和功能也有区别。大鼠在会厌底部有一个ventral pouch（腹侧囊？），人体则没有。大鼠鼻咽弯曲角度小，ventral pouch成为了吸入物质沉积的一个重要部位。人体则因为没有ventral pouch结构、鼻咽弯曲角度大、可以口鼻呼吸等特点，喉部沉积量不如大鼠明显。因此，在大鼠吸入毒性试验中，常常可观察到因受试物高度沉积导致的ventral pouch刺激性，这一特点也决定了大鼠喉部毒性会比人体更为敏感。另外一层意思是有些大鼠喉部毒性不一定具有太大的人体转化意义，比如大鼠喉部鳞状化生。

下图是大鼠和人呼吸道解剖差异。

1.2下呼吸道大体解剖差异

成年大鼠的气管从第一软骨到分叉处的长度约为33毫米，直径约为1.6-2.85毫米。大鼠气管的形状由坚硬的软骨环框架维持，当大鼠伸直头部时，气管可以延长50%，但管腔直径不会随之减少。相比之下，人类气管的长度约为90毫米，内径约17-20毫米。因此，人的气管长度和宽度分别约是大鼠的3倍、10倍。不过，如果按照体重进行校正后，无论长度还是宽度，大鼠气管均比人体更多。

大鼠和人体气管支气管树的结构也有区别。如下图所示，左侧为大鼠气管、右侧为人体气管，分叉方式和特点是不同的。大鼠气管类似杉树，主干很直，直径不等的次级气管向两侧分叉。人体气管则由母气道分为两个直径相当的子气道，呈倒Y型。另外，大鼠气管分叉后直径不变，人体气管每次分叉后直径会缩写20%。两个种属肺气管结构的差异，是影响吸入颗粒物沉积的重要因素。很明显，大鼠的肺部结构更有利于空气流通的通畅，人体高度分叉的气管结构使得每个分叉点对颗粒物沉积更为敏感。

还有一点需要注意，由于气管分支角度的变化，吸入物质从大鼠气管到肺泡的路径长度可能不同。而人体的分支角度相对对称，气管到肺泡的路径长度是一致的。这就导致，大鼠中处于较短路径的肺泡会暴露更高浓度的吸入物质，且暴露时间也更久，而有些肺泡反而没有药物暴露。这可能是为什么大鼠肺顶叶会经常看到更多药物沉积的原因。

2、人和大鼠呼吸道微观解剖学差异

大鼠与人呼吸道不同区域的上皮细胞类型（如基底细胞、纤毛细胞、黏液细胞、浆液细胞等）、丰度和密度存在差异。

2.1上呼吸道微观解剖

在大鼠和人类中，从鼻前庭到鼻咽部的起始端，鼻腔首先由层状鳞状上皮排列，其次是移行上皮、假层状纤毛呼吸上皮和嗅觉上皮。大鼠鼻前庭的鳞状上皮比人类薄得多，对有毒物质的物理防护比人体差。

大鼠鼻子对嗅觉高度敏感，50%区域为嗅觉区域，而人类这一比例仅3%。人类的嗅觉上皮仅限于鼻道中背侧的一小块区域，而大鼠的嗅觉上皮位于鼻远端气道的大部分鼻甲、鼻顶、侧壁和鼻中隔。故，对嗅觉上皮细胞的特异性毒性，大鼠会更为敏感。嗅觉上皮属于假层状的柱状神经上皮，包含嗅觉感觉神经元、支撑细胞和基底细胞。嗅上皮（尤其是维持细胞）具有增强的代谢能力，导致对需要代谢激活的化合物更敏感，而且可以经由嗅上皮入脑。比如大鼠中，吸入的二甲苯可能会转化为代谢物，通过轴突入脑。嗅觉区域的这一种属区别会影响毒性的评估和转化，对于代谢激活的化合物，人体的毒性表现预计会小于大鼠。反之，对于代谢后毒性会降低的化合物，人体毒性则会更大。此外，大鼠毒理研究中，仅出现在嗅觉区域的病变，需要谨慎评估，对临床的指导意义可能没有那么大。

人的喉部表面大部分为假复层柱状纤毛呼吸上皮，只有声带这一小部分区域为复层鳞状上皮排列。相比之下，大鼠喉部表面在呼吸上皮和鳞状上皮之间有一个广泛的过渡区，该过渡区由不同的中间类型的上皮组成。大鼠鳞状上皮区域面积较大，不能促进黏膜纤毛清除，会使暴露于受试物的时间更久。叠加前面提到的大鼠特有的ventral pouch结构。故，很多大鼠喉部病变在人体中经常是没有的。

2.2下呼吸道微观解剖

大部分动物的气管支气管上皮均不能充分反应人体情况。大鼠气管上皮比人类至少薄了10倍，对潜在损伤的保护更弱，也影响供试品的吸收。此外，黏膜下腺在气管中的位置和数量的种属差异，影响上皮表面可用于黏膜纤毛清除的黏液的数量和性质。

人体气管主要分泌型细胞是黏液细胞（又称杯状细胞，goblet cells），大鼠气管的主要分泌细胞是浆液细胞。大鼠浆液细胞分泌的液体黏度比黏液细胞低。这也是大鼠各级呼吸道的纤毛液体层黏度低的原因。

球杆细胞(club cells)是一种无纤毛、无黏液的分泌细胞，分泌包括表面活性剂在内的几种独特的蛋白质，并形成气管上皮内液。大鼠肺中也有大量的club cells。与人类不同的是，人体club cells仅分布在细支气管中，大鼠则分布更为广泛，在整个呼吸系统中均有发现。不仅分布有区别，大鼠club cells含有比人体更丰富的滑面内质网，而滑面内质网与高水平的CYP-450单加氧酶有关。言外之意，大鼠代谢某些受试物的能力可能更强。取决于代谢物的特点，如果代谢后毒性更强，那大鼠的毒性会比人体更为敏感。反之，则更不敏感。

基底细胞（basal cells）是呼吸道上皮的主要支持性细胞。在人体中，从鼻子到终末细支气管的上皮中均含有基底细胞。大鼠基底细胞则仅在气管和主支气管存在，肺内气管中则没有，其功能被club cells所替代。基底细胞是祖细胞，在再生和修复方面发挥重要作用。对毒性评价的影响体现在，如果药物毒性是club cells特异的，在大鼠肺气管中没有基底细胞的区域，再生和修复能力会受影响。

大鼠中，内皮细胞是肺泡区域占比最多的细胞（45%-50%），其次是间质细胞（28%）。在人体，间质部分比大鼠更厚，间质细胞占肺泡区域总细胞数的36%，内皮细胞占比也差不多（36%）。大鼠和人肺泡表面均主要被Ⅰ型肺泡上皮细胞覆盖，分别是96%和93%。但从人体和大鼠肺泡表面积大小角度分析（大鼠0.35m2对比人100-140m2），大鼠Ⅰ型肺泡细胞受损带来的伤害更大，引起的典型毒性表现是血管通透性增加和水肿。

从气管到肺泡的管腔总表面积增加，相应地，气体流速随之降低，氧气和二氧化碳在周围气道和肺泡中的运输是通过扩散而不是对流来完成的。这里就要提一下气-血屏障。大鼠肺泡表面到肺泡毛细血管之间的距离是0.38μm，人体是0.62μm。由于大鼠气-血屏障更薄，更有利于气体和疏水分子的扩散。人体则相反，较厚的屏障减少了肺部的气体交换。

最后再看下肺泡巨噬细胞，这一在清除吸入颗粒和纤维中发挥重要作用的细胞群。人类中的肺泡巨噬细胞占肺泡区所有细胞的9%，大鼠则为3%，人类占比更高。此外，人的肺泡巨噬细胞个头更大，是大鼠的4-5倍。考虑到巨噬细胞是肺泡清除的主要机制，这就潜在导致在吞噬吸入颗粒和纤维的数量、大小方面，有些种属差异。此外，人体肺间质存在少量巨噬细胞，>70%颗粒会转移到肺间质（肺泡和肺血管之间的结构），大鼠的这一比例仅为15-18%，大部分留在肺泡内。这或许能解释为什么肺部颗粒过度沉积后，大鼠是唯一会产生肺部肿瘤的物种。从肺泡到间质，随着解剖的深入，就到肺血管内了。在这个区域，人体也是有巨噬细胞存在的，大鼠则没有。所以有些肺损伤毒性的种属差异，可以从这个角度给出一定解释。

3、人和大鼠呼吸系统生理学差异

解剖能看到结构上的一些区别，生理则更多反映在功能上。下表展示大鼠和人呼吸系统生理学方面的差异及可能对毒性评价的影响。

下表则展示了健康成年大鼠和人形态学和呼吸参数之间的种属差异。

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