1 Биотехнологични изследователски лаборатории, Катедра по физиология, Университет Монаш, Клейтън, VIC 3800, Австралия

използване

2 Катедра по алергия, имунология и респираторна медицина, болница Алфред и Университет Монаш, Прахран, VIC 3181, Австралия

Резюме

Хранителната алергия е нововъзникваща епидемия, която засяга всички възрастови групи, като най-високите нива на разпространение се отчитат сред западните страни като САЩ (САЩ), Обединеното кралство (Великобритания) и Австралия. Разработването на животински модели за тестване на различни хранителни алергии е от полза, тъй като позволява по-бързи и обширни разследвания на механизмите, участващи в алергичния път, като прогнозиране на възможни задействания, както и тестване на нови лечения за хранителна алергия. Традиционно, малки животински модели се използват за характеризиране на имунологични пътища, като осигуряват основата за разработването на многобройни алергични модели. По-големите животни също заслужават да бъдат разгледани като модели за хранителна алергия, тъй като се смята, че те отразяват по-отблизо човешкото алергично състояние поради тяхната физиология и безпородна природа. Тази статия ще обсъди използването на животински модели за изследване на основните хранителни алергени; краве мляко, кокоши яйца и фъстъци/други дървесни ядки, подчертават отличителните черти на всеки от тези модели и дават преглед на това как резултатите от тези опити са подобрили нашето разбиране за тези специфични алергени и хранителната алергия като цяло.

1. Въведение

В индустриализираните нации хранителната алергия е нарастваща епидемия, която засяга всички възрастови групи и се появява по всяко време от живота. Значително увеличение на честотата на хранителна алергия при малки деца е от особено значение, като се съобщава, че 6–8% от малките деца и 3-4% от възрастните имат някакъв вид хранителна алергия [1–3]. В сравнение с тенденциите, наблюдавани за първи път при астма, страни като САЩ (САЩ), Обединеното кралство (Великобритания) и Австралия имат най-висок процент на хранителна алергия. Само през последното десетилетие степента на разпространение в САЩ се е увеличила с поне 18% [4, 5]. По подобен начин, скорошно проучване в Австралия установи, че повече от 10% от кохортата бебета имат доказана чрез IgE медиирана хранителна алергия към една от често срещаните алергенни храни (фъстъци, сурови яйца и сусам) [6]. Тази ескалация на разпространението на хранителни алергии е в основата на значението на по-нататъшните изследвания за подобряване на стратегиите за превенция и лечение.

Алергичните реакции към храната могат да варират от леки реакции до животозастрашаваща анафилаксия [7]. Тези анормални алергични реакции се задвижват основно от имунния път на Т хелпер тип 2 (Th2), както се доказва от високи нива на алерген-специфичен имуноглобулин Е (IgE) [8], Th2 поляризация, включваща възпалителни клетки, и цитокини/медиатори, и съобщава за ефикасност на терапии, които инхибират Th2 имунните отговори при хора [9-12]. Понастоящем се признава и вродените свойства на алергените и тяхната роля в Th2 поляризацията на дендритните клетки (DCs) и процеса на алергенна сенсибилизация [9, 13].

Най-често срещаните храни, които предизвикват хранителна алергия, са кравето мляко, кокошето яйце и фъстъците и дървесните ядки, докато по-рядко срещаните хранителни алергени включват соя, пшеница, риба и черупчести мекотели [31, 32]. Известно е, че хранителната алергия е най-често срещана през първите 3 години от живота [1]; проучванията обаче показват, че повечето хранителни алергии, които започват в началото на живота, като мляко, яйце, соя и пшеница, обикновено са надраснали. Обратно, алергиите към фъстъци, дървесни ядки, риби и черупчести обикновено продължават, превръщайки се в бреме за цял живот [12, 31, 33].

Животинските модели притежават голям потенциал като мощни инструменти, които помагат да се отговори на някои от трудните въпроси, все още свързани с епидемията от хранителна алергия. Изследванията при хора са ограничени от етични проблеми и шанса за фатални анафилактични реакции [34]. Това стимулира голям интерес към използването на подходящи животински модели за прогнозиране на възможни задействащи фактори за алергия, идентифициране на възможни механизми, свързани с установяването на алергичния път, както и тестване на нови терапевтични лечения [12, 35, 36].

Целта на този преглед е да се обсъди приложението на животински модели за изследване на трите основни хранителни алергена: краве мляко, кокоше яйце и фъстъци/ядки и да се направи преглед на приноса на животинските модели за нашето разбиране за тях алергени и хранителна алергия като цяло.

2. Модели на малки животни за хранителна алергия

Плъхът е друг често срещан модел на малки животни, използван при проучвания на хранителна алергия, като щамът Браун Норвегия (BN) е най-подходящ за индуциране на специфичен IgE след орална сенсибилизация [18, 19, 40, 41]. Други щамове на плъхове като плъхове Wistar, Hooded Lister и Piebald Virol Glaxo (PVG) също са изследвани; тези щамове обаче не успяват да произведат количествено измерими нива на антиген-специфични IgE [40]. BN плъхът, както и други миши щамове, също се използва за прогнозиране на алергенността на нови протеини, като тези, използвани в селскостопанската биотехнология, както е прегледано от Ladics и колеги [42].

Морското свинче също е използвано като модел за изследване на алергенността на хранителните протеини, по-специално на кравето мляко (CM). Devey и сътр. [43] демонстрира, че в рамките на 13 дни след пиене на CM, морските свинчета могат да проявят фатална анафилаксия, ако впоследствие животните бъдат предизвикани. Съществуват пречки при превеждането на открития от морски свинчета в човешката среда, включително различия в имунната физиология и индиректно оценяване на производството на IgE при морски свинчета (например чрез PCA) [44]. Ограничените познания и инструменти, които са на разположение за изследване на имунната им система, също доведоха до по-малко изследвания върху този модел за изследване на хранителни алергии, въпреки че той беше успешен модел за инфекциозни заболявания [45].

3. Големи животински модели на алергия

Прасетата, кучетата и овцете са основните примери за големи животински модели, които са изследвани за хранителна алергия (Таблица 1). Подобно на хората, кучетата са един от малкото видове, които могат да развият алергии към естествено срещащи се алергени, включително прашец, трева, акари от домашен прах и храна [46]. По-рано кучетата са били използвани за изследване на други хранителни алергени, включително протеини от пшеница, яйца и месо и са показали положителни орални предизвикателства в допълнение към специфичното производство на IgE, черти, подобни на тези, наблюдавани при хора [47]. Университетът на Калифорния разработи атопична колония за кучета, специално за използване при изследване на алергии; тези кучета с високо ниво на IgE са били използвани за първи път за проучвания за астма, включващи екологични алергени като полени на трева и амброзия, за които е доказано, че предизвикват значителна хиперреактивност на дихателните пътища (AHR) при тези животни [48].

Свинете (свине) представляват друг голям животински модел, който представя много предимства като сравнителен модел за хранителна алергия. Чревната физиология на свинете е анатомично и хистологично подобна на хората, с по-разнообразна микрофлора от тази, наблюдавана при модели на гризачи [12, 29, 49]. Свинете също представляват безпородна популация, със значителни разлики в качеството на имунните отговори, повдигнати от индивидите [7]. Тези черти са изключително важни при изследване на патогенезата и имунните реакции към хранителните алергени. Модели от свине по-рано са били използвани за изследване на други алергични разстройства като астма; в тези проучвания животните са показали обструкция на дихателните пътища, еозинофилия и астматичен отговор в късна фаза след предизвикване на алерген в дихателните пътища, както обикновено се наблюдава при човешки астматици.

Овцете имат предимството да са сходни по размер и физиология с хората, да са спокойни по природа и използването им създава по-малко етични ограничения в сравнение с използването на други големи животински модели [37, 50]. По-рано овцете са били използвани за алергични проучвания, включващи алерген към домашен прах (HDM) с акцент върху алергичната астма при хора [37, 51], а напоследък и като модел за алергия към фъстъци към храна [30]. Някои ключови предимства на използването на големи животински модели включват техния безпороден характер, позволяващ проучвания, които са по-сравними с хората, способността да се провеждат серийни експерименти в същата кохорта животни и относителното им дълголетие, което позволява по-подходящи разследвания на хронични заболявания, както и дългосрочната оценка на специфични терапии [37, 50].

4. Път на сенсибилизация на алергени в животински модели на хранителна алергия

Съществуват множество физиологични пътища, които могат да предизвикат алергична сенсибилизация, включително орално, назално, интраперитонеално, интрагастрално и кожно [52]. Въпреки че оралната сенсибилизация е класифицирана като един от основните пътища за сенсибилизация към хранителни протеини, алтернативни пътища като кожата и/или дихателните пътища също могат да играят роля при алергичната сенсибилизация [53]. Например, в проучване при хора беше установено, че сенсибилизацията на фъстъците възниква от излагане на околната среда, предимно чрез кожни или инхалационни пътища, а не от консумация на алергени при майки или бебета [54]. Освен това, в модел на мишка Strid et al. [55] съобщават, че водният разтвор на фъстъци или OVA, когато се прилага върху ожулената кожа, индуцира производството на антиген-специфичен IgE. Струва си да се отбележи, че е доказано, че най-ефективният път на сенсибилизация на хранителни алергени варира значително между щамовете на мишки [15, 56]. Следователно пътят на сенсибилизация към алергени е важно и необходимо съображение за използването на всеки подходящ животински модел на хранителна алергия и ще бъде темата за допълнително обсъждане в този преглед.

5. Алергия към краве мляко

Алергията към краве мляко (КМ) е една от най-разпространените хранителни алергии, която се среща при кърмачета и малки деца, като честотата се оценява на 2,5% от общата популация [31, 57]. CM може да бъде разделен на два основни класа, цял казеин (Bos d 8), който представлява 80% от общото съдържание на протеин и суроватъчни протеини, които съставляват останалите 20%. Фракцията на казеина може да бъде подразделена допълнително на четири основни протеина (αs1-, αs2-,

-, и κ-казеин), докато суроватката съдържа -лактоглобулин (LG или Bos d 5),

Плъхът Браун Норвегия (BN) е високоимуноглобулинов (по-специално IgE) реагиращ, позволяващ известно ниво на сравнение с атопичните хора [18, 41]. В проучване на Аткинсън и Милър [18], сенсибилизирани BN плъхове показват реакции на реагинни антитела към редица млечни протеини, подобни на тези, разпознати при алергични пациенти с CM алергия. Установено е също, че млечните протеини са по-малко алергенни от OVA, като дозата антиген, необходима за предизвикване на сенсибилизация, е 20 пъти по-висока. Оттогава е демонстрирано, че плъховете BN могат също да бъдат сенсибилизирани орално и без използването на адюванти чрез дозиране на сонда [63]. Плъховете, сенсибилизирани по този начин, произвеждат значителни антиген-специфични IgE отговори, сравними с тези, наблюдавани при пациенти с алергия [18].

Li et al. [14] използва няколко техники за предизвикване на IgE-медиирана CM свръхчувствителност при триседмични мишки C3H/HeJ. Сенсибилизирани чрез интрагастрален (IG) път с млечни протеини и КТ като адювант, животните са подсилени веднъж седмично в продължение на пет седмици. Това проучване е един от първите миши модели на CM алергия за генериране на системна свръхчувствителност чрез орална сенсибилизация и предизвикателство. Шест седмици след първоначалната сенсибилизация, нивата на CM-специфични IgE антитела са значително повишени и IG предизвикване с алерген провокира системна анафилаксия, с незабавни реакции, редовно придружени от дихателни симптоми. Нивата на плазмен хистамин се повишават значително при сензибилизирани към CM мишки след предизвикателство, в сравнение с CT-фалшиво сенсибилизирани мишки и наивни мишки, което предполага, че хистаминът е основен медиатор, участващ в този модел на анафилаксия. Топлинно обработените серуми не произвеждат анафилаксия за разлика от необработените серуми, като по този начин потвърждават наличието на IgE. Освен това беше изследвано производството на цитокини в клетки на далак на алергични мишки и значително увеличение на цитокините тип 2 интерлевкин- (IL-) 4 и IL-5, но не и интерферон- (IFN-) γ е открит. Това откритие даде силна подкрепа, че Th2 отговорите допринасят за развитието на CM алергия.

Други проучвания показват успешна сенсибилизация към млечните протеини чрез системен (IP) път [16, 17]. Доказано е, че най-ефективният път на сенсибилизация варира значително между щамовете на мишки и трябва да се вземе предвид при разработването на подходящ модел на хранителна алергия. Скорошно проучване на Dunkin et al. [52] оценява въздействието на млечните алергени по различни пътища на сенсибилизация, със и без адювант (CT). Три седмици C3H/HeJ мишки са били изложени на ALA чрез IG, кожен, интраназален или сублингвален път. Въпреки че сенсибилизацията е била успешна по всеки път, е показано, че кожната експозиция индуцира максималния IgE отговор. Интересното е, че наличието на адювантна CT е по-значим фактор за сенсибилизация от действителния път.

6. Алергия на яйцата на Hen’s

Алергията към кокоши яйца (HE) е втората най-често срещана хранителна алергия при деца [3], като доминиращите яйчни алергени се намират в белтъка. Яйчният жълтък все още притежава някои алергенни свойства; те обаче са значително по-ниски от четирите основни белтъка на яйчен белтък, овукоид (OVM или Gal d 1), овалбумин (OVA или Gal d 2), овотрансферин (OVT или Gal d 3) и лизозим (LYS или Gal d 4) [64]. Въпреки че OVA е основният протеин в яйчния белтък (54% от общия протеин), OVM (Gal d 1) е докладван като имунодоминантния алерген [65].

Подобно на използването му като модел за изследване на CM алергия, BN плъхът е един от най-изследваните животински модели за HE алергия (Таблица 1). Аткинсън и колеги [18, 19] ефективно дозират плъхове перорално (0,5 ml/100 g телесно тегло) с разтвори от 1,0–12,5 mg/ml OVA в дестилирана вода два пъти седмично, за период от шест седмици. За да се стимулира IgE, адювантът карагенан също се прилага IP седмично. Доказано е, че оралната сенсибилизация на OVA индуцира както антиген-специфични IgG, така и IgE антитела (оценени чрез PCA). Нива на IgG антитела са открити в серумите от 21-ия ден нататък от животни, дозирани с 5 mg/ml и повече, с нива, достигащи пик към 28-ия ден. Интересното е, че IgE може да бъде открит още от 14-ия ден нататък, при животни, получаващи по-високи дози (10,0 и 12,5 mg/ml), докато по-ниската доза (5 mg/ml) индуцира антитяло само от 28-ия ден нататък. Нивата на IgG също липсват при по-ниски дози, което допълнително илюстрира влиянието на дозата на алергена върху сенсибилизацията в този модел и предоставя потенциал за използването му при тестване на фактори, които могат или да засилят, или да инхибират сенсибилизацията към хранителните протеини.

В по-нататъшната работа с този модел Knippels et al. [66] изследва ефектите от орално предизвикване с OVA при предварително сенсибилизирани BN плъхове, съобщавайки за незначителен, преходен ефект върху честотата на дишане или систоличното кръвно налягане, подобен на този, наблюдаван при пациенти с хранителна алергия. Друго проучване на Akiyama et al. [21] също изследва орална сенсибилизация при плъхове BN и три миши щамове (BALB/c, B10A и ASK) и установява, че както плъховете BN, така и мишките B10A имат най-висока сенсибилизация към OVA от изследваните модели; това потвърди, че плъховете BN са подходящ модел за оценка на алергенността на хранителните протеини. Това проучване също така установи, че възрастта е фактор, допринасящ за сенсибилизацията при мишки BALB/c, като 20-седмичните мишки показват най-високите OVA-специфични IgE и IgG1 отговори сред трите изследвани различни възрастови групи (7 седмици, 20 седмици и Една година).

7. Алергии към фъстъци и дървесни ядки

Въпреки външния си вид и името, фъстъците (Arachis hypogaea) всъщност не са ядка; те са вид от семейство Бобови или бобови. Въпреки това, въпреки че фъстъците и дървесните ядки произхождат от различни семейства, и за двете е известно, че съдържат мощни алергени, като американско проучване съобщава, че алергията към фъстъци и дървесни ядки отчита конкретно 90% от фаталните анафилактични реакции [34]. За разлика от други хранителни алергии като краве мляко и яйца, PN алергията рядко надраства. Повсеместното използване на PN протеини, заедно с очевидното нарастване на разпространението на PN алергия през последните няколко десетилетия, предизвика голямо внимание към изследванията в тази област [68, 69]. До единадесет PN алергенни протеина са категоризирани (Ara h 1-11) [10], като Ara h 1 и Ara h 2 са класифицирани като основните PN алергени [70, 71].

8. Заключение

Въпреки подобреното ни разбиране за хранителната алергия през последните години, все още няма конкретна терапевтична възможност. Понастоящем стриктното избягване и употребата на адреналин в случай на случайно излагане са единствените одобрени лечения, въпреки че понастоящем се разследват няколко форми на имунотерапия, включително орално (OIT), сублингвално (SLIT), епикутанно (EPIT) и подкожно алерген -специфична имунотерапия (SCIT) [75, 76]. Скорошно проучване на Srivastava et al. [77] демонстрира, че анафилаксията при миши модел може да бъде предотвратена след лечение с китайската формула за билкови лекарства FAHF-2. Констатации от това проучване и друга работа от тази група показват, че FAHF-2 може да има потенциал за лечение на множество хранителни алергии, включително фъстъци и яйца [77–79].

Високият риск от анафилаксия е основен фактор, ограничаващ развитието на имунотерапия с хранителна алергия при хора [75, 80]. В този контекст животинските модели могат да играят важна роля в осигуряването на платформа за усъвършенстване на тези лечения и осигуряване на задълбочена предклинична оценка на тяхната безопасност преди терапевтичното приложение на хора.

Признание

Авторите искат да признаят подкрепата на Австралийския изследователски съвет (ARC) за тази работа.

Препратки