Катедра по патология, Медицински колеж Carver, Университет на Айова, Айова Сити, IA 52242, САЩ

Кореспонденция на: KN Gibson ‐ Corley, стая 1167ML, 200 Hawkins Drive, Iowa City, IA 52242, USA. E-mail: [email protected] Потърсете още статии от този автор

Катедра по патология, Медицински колеж Carver, Университет на Айова, Айова Сити, IA 52242, САЩ

Катедра по анатомия и клетъчна биология, Медицински колеж Carver, Университет в Айова, Айова Сити, IA 52242, САЩ

Катедра по патология, Медицински колеж Carver, Университет на Айова, Айова Сити, IA 52242, САЩ

Кореспонденция на: KN Gibson ‐ Corley, стая 1167ML, 200 Hawkins Drive, Iowa City, IA 52242, USA. E-mail: [email protected] Потърсете още статии от този автор

Катедра по патология, Медицински колеж Carver, Университет на Айова, Айова Сити, IA 52242, САЩ

Катедра по анатомия и клетъчна биология, Медицински колеж Carver, Университет в Айова, Айова Сити, IA 52242, САЩ

Резюме

Въведение

Кистозната фиброза (CF) се причинява от мутации в гена, кодиращ CF трансмембранния регулатор на проводимостта (CFTR) 1. CFTR е хлориден и бикарбонатен канал, който допринася за секрецията на течности от епителните клетки и хидратацията на секретираната слуз 2, 3. При CF дефицитът на CFTR води до абнормна секреция на течности, причинявайки дисфункция в органните системи, включително белия дроб, стомашно-чревния тракт, черния дроб, мъжкия репродуктивен тракт и панкреаса. Белодробната болест често се свързва с заболеваемост и смъртност при пациенти с МВ и често е органът, най-свързан с CF 4. Независимо от това, заболяването на панкреаса при МВ има най-висока проникваща способност и е един от най-ранните засегнати органи 5, 6. Тук правим преглед на болестта на панкреаса на CF и подчертаваме последните постижения, използващи животински модели, за да се определи по-добре патогенезата на CF панкреаса и връзката му с белодробните и стомашно-чревните заболявания.

Настоящи животински модели на CF

В исторически план повечето изследвания на животински модели върху CF са били извършвани при миши щамове с мутирали Cftr 7, 8. Въпреки това, CF мишките не показват същите ключови патологии, наблюдавани при човешко заболяване. Например, докато стомашно-чревната обструкция е често срещана при много модели мишки с CF, те нямат значително заболяване на панкреаса или белите дробове 7, 8. Липсата на патология в ключови органи на мишката доведе до разработването на други модели на животни с CF (Таблица 1). През последните години нови CFTRРазработени са дефицитни животински модели, включително прасе 9, пор 10, плъх 11 и риба зебра 12, 13. Моделирането на CF при животни при големи животински видове има предимства, тъй като тези животни по-скоро приличат на хора по отношение на тяхната белодробна структура, функция и размер 7, 14-16. Разбира се, малките животински модели също имат различни предимства, които включват лекота на боравене и настаняване, както и наличност на реактиви и инструменти за генетична манипулация 8, 12. Интерес за този преглед, ние се фокусираме върху животински модели, които показват патология на панкреаса за транслационно изследване, включително прасе 17, пор 18 и риба зебра 12 .

Ключови патологии на МВ Видове Бели дробове Панкреас Стомашно-чревен тракт Черен дроб/жлъчен мехур Референции
Мишка 0 1 2 0 8, 55
Прасе 2 2 2 2 17, 28, 60, 61, 66
Фер 2 2 2 1 18, 65, 67, 105
Плъх 0 0 2 0 11.
Риба зебра u 2 u u 12
  • Точкуване: 0, няма CF лезии; 1, леки CF лезии; 2, тежки CF лезии.
  • u, неизвестен.

CF панкреатично заболяване

Пациентите са класифицирани в шест различни групи въз основа на техните CFTR мутации 29-31. Тези от класове I, II, III, IV и VI имат мутации, които често правят CFTR отсъстващ или нефункционален и обикновено са недостатъчни за панкреаса (PI), което изисква доживотна подмяна на панкреатичния ензим. Приблизително 85% от пациентите с МВ попадат в тези класове, докато останалите или тези от клас V или лек клас IV обикновено са достатъчно панкреатични (PS), поради по-малко тежки CFTR мутации 5. Разбира се, тези, които се считат за PS, не избягват напълно заболяването на панкреаса. Деструкцията на панкреаса все още се открива, както се доказва от повишени нива на серумен имунореактивен трипсиноген, но често не достига клинично до степен, че засяга нормалното храносмилане 32. Интересното е, че пациентите с МВ, които са с PS, са склонни към повтарящи се пристъпи на остър и/или хроничен панкреатит в сравнение с пациенти с PI 33-35, което предполага трайна частично нарушена функция на панкреатичните канали. Чрез генетични проучвания е доказано, че има значителна връзка между острия панкреатит и мутациите на CFTR, което не е изненадващо, въз основа на ключовата роля, която CFTR играе в панкреатичния дуктален секрет 36 .

Екзокринни панкреатични лезии при животински модели на CF

Модели на мишки

Въпреки че има множество модели на мишки на CF, най-добрите модели постигат само леко екзокринно заболяване на панкреаса 7, 8. Възрастните мишки от CF, поддържани на течна диета, показват умерено заболяване на панкреаса, характеризиращо се с разширяване на панкреатичните канали чрез вдлъбнати секрети, леко възпаление и ацинарна атрофия 55. Има и няколко проучвания, съобщаващи за промени в панкреаса в Cftr tm1Unc мишки, отбити и поддържани на течна диета. Тези мишки са имали по-ниско тегло на панкреаса и намалена липазна активност, както и лека дилатация на ацини и натрупване на зимоген в каналите 56, 57. По същия начин, друг модел CF мишка, Cftr tm1CAM мишки, са включили приблизително половината от панкреатичните канали, но това все още е доста лека патологична находка, с липса на прогресивно разрушаване, наблюдавано при хората 58. Съвсем наскоро проучване показа, че CF мишки, хранени с полиетилен гликол 400 във вода, са повишили експресията на Muc6 в панкреаса, муцин, който също се увеличава в изобилие по време на CF болест на човека 59. Относителната слабост на патологията на панкреаса при модели на мишки с CF се предполага, че се дължи на по-ниска Cftr експресия в панкреаса и евентуално наличие на алтернативни секреторни канали, които компенсират загубата на CFTR 7 .

Свински модели

Свинските модели за CF включват нула, ΔF508 CFTR мутанти и CFTR -/-; Tg FABP> pCFTR линии. Линията Tg FABP> pCFTR позволява трансгенна експресия на CFTR cDNA под контрол на чревния свързващ протеин на мастните киселини (iFABP), който възстановява експресията на CFTR, специфично в червата, смекчавайки появата на неонатална чревна обструкция 9, 21, 60. Прасетата имат отделни канални системи, транспортиращи панкреатичен и жлъчен секрет в дванадесетопръстника. Това предимство позволява физиологични изследвания както на панкреатичния, така и на чернодробния секрет поотделно по време на CF заболяване 61. CFTR се локализира в панкреатичните дуктални епителни клетки при новородени прасенца, подобно на хората 61, 62 .

панкреатична

Модел пор

Модел Zebrafish

Неотдавна се съобщава за модел на CF за зебра като алтернатива на по-големите животински видове 12, 13. Малкият размер на зебрата е благоприятен за боравене и настаняване, а също така позволява сравнително бързи генетични и/или химически екрани, които са по-трудни при по-големите животински модели. Zebrafish експресират CFTR върху апикалната мембрана на каналите в панкреаса и загуба на CFTR функцията води до унищожаване на панкреаса 12. Съобщава се, че 10 дни след оплождането (докато зебраните се считат за ларви) има увеличена смъртност при мутантите; до 16 дни след оплождането е очевидна загуба на екзокринна панкреатична тъкан, а до 22 дни след оплождането има забележима загуба на екзокринна тъкан. Възрастни CF зебрафи (3 месеца след оплождането) показват значително разрушаване на панкреатичните ацини с дилатация на канала и пълнене с положителна слуз с периодична киселина-Шиф (PAS), инфилтрация на неутрофили и изразена фиброза 12 (Фигура 1I, J).

Ендокринни лезии на панкреаса при животински модели на CF

Модел на мишка

PI е рисков фактор за развитие на CFRD при хората. CF мишките нямат тежко екзокринно заболяване и освен това не развиват спонтанно CFRD 37, 68, 69. Това каза, че CF мишките са използвани за изследване на възможните последици от CFRD, по-специално върху имунната система и белодробната функция, чрез индуциране на диабет, използвайки стрептозотоцин, химично вещество, което е токсично за β-клетките на панкреаса 68, 69 .

Свински модел

При раждането ендокринният панкреас при прасета с CF изглежда е пощаден от околните екзокринни разрушения 20, 28. По-задълбочен анализ на островчетата от прасета, вариращи от фетална до 1-годишна възраст, стигна до заключението, че структурата на островчетата остава непокътната с течение на времето, с преференциална локализация на инсулин-имунореактивните островчета до остатъчната лобуларна тъкан (Фигура 2А). Въпреки това, нямаше разлика в клетъчната плътност на клетките, произвеждащи инсулин или глюкагон 66. Въпреки това бяха установени аномалии както в кръвната глюкоза, така и в секрецията на инсулин при новородени прасенца от CF, което предполага секреторен дефект, причинен от загуба на CFTR. Новородените прасенца с CF са имали необичайно ниска секреция на инсулин и повишена серумна глюкоза след i.v. предизвикателство за болусна глюкоза. Възрастните CF прасета са имали по-високи нива на глюкоза в кръвта в сравнение с контролите, което показва, че развиват спонтанна хипергликемия 66 .

Модел пор

Модел Zebrafish

Моделът на зебра има забележителна ендокринна дезорганизация на панкреаса, както съобщава Navis и др 12 . CF островчетата данисти са променили пространственото разпределение на оцветяването на инсулин и глюкагон в островчетата, а островчетата са по-малки и по-многобройни в сравнение с контролите на братя и сестри от див тип 12 .

Връзка на панкреатичната болест със стомашно-чревната болест при МВ

През 30-те години, преди да бъде признат CF, има съобщения за панкреатична недостатъчност, стеаторея, дефицит на витамин А и неуспех при процъфтяване при деца, много от които при аутопсия са имали данни за тежко екзокринно заболяване на панкреаса 19, 20, 70-74. Сега се смята, че много от тези доклади са второстепенни спрямо CF 75. Днес много от тези прояви на МВ са исторически, тъй като пациентите с недостатъчен панкреас, страдащи от МВ, сега се лекуват с ежедневно заместване на панкреатичния ензим 76. Комбинацията от унищожаване и променени секрети в CF панкреаса може да причини клиничен PI, налагащ добавяне на ензими. Освен това, намалените нива на бикарбонат от панкреаса и други тъкани, като жлезите на Brunner и жлъчката, водят до намалено рН 5, 77, 78. Долното дуоденално рН ограничава активирането на много панкреатични ензими в дванадесетопръстника и е свързано с утаяване на жлъчни киселини, развитие на чревна обструкция, а също и предразположение към панкреатит 5, 36, 79 .

Връзка на болестта на панкреаса с белодробната болест при МВ

CFRD също е пряко свързана с тежестта на белодробните заболявания. Приблизително половината от пациентите с МВ развиват CFRD до 30-годишна възраст и тази съпътстваща болест е свързана и с намалена белодробна функция при пациенти с CF 42, 43, 85. Намаленията в белодробната функция често се идентифицират преди диагностицирането на CFRD и тези намаления са пропорционални на тежестта на инсулиновия дефицит 42, 44. Интересното е, че хората с диабет в общата популация (тези, които нямат CF) имат намалена белодробна функция (с 2–4% по-ниска) в сравнение с недиабетици, което допълнително предполага пряка връзка 46. Диабетът е свързан с рестриктивна белодробна функция, която вероятно се дължи механично на повишено възпаление 93. Диабетът също така засяга нормалната функция на имунната система, като по-конкретно води до дефицити на комплементната система, намалена активност на естествените клетки-убийци и неутрофили и намалена реакция на лимфоцитите 94-98. Недостигът на инсулин води до недохранване чрез насърчаване на катаболно състояние и недохранване, известно е, че (а) уврежда белодробната функция чрез намаляване на мускулната маса, по-специално на диафрагмата и междуребрените мускули 44, 99, 100 и (б) пряко влияе върху имунния статус 101 .

Хипергликемията може да повлияе на белодробната функция и модел на диабет при плъхове показа, че има промени в синтеза и обмяната на съединителната тъкан, което води до удебеляване на стените на белодробната преграда 102. Друг механизъм на белодробна дисфункция при CFRD е дефектният бактериален клирънс в белия дроб 103. Повишените нива на глюкоза в дихателните пътища, вторични за CFRD, водят до повишена бактериална пролиферация инвитро в сравнение с култури с нормални нива на глюкоза 103. Това представлява интерес, тъй като човек може да си представи, че всяко намаление на белодробната функция ще се увеличи при пациенти с МВ с основно белодробно заболяване 44, 46 .

При животински модели се съобщава, че третираните със стрептозотоцин CF мишки имат намалена способност да изчистват бактериите от белия дроб и че имат повишен, но по-малко ефективен белодробен възпалителен отговор 68, 69. Също така е интересно, че новородените порове CF имат лошо регулирани нива на глюкоза в кръвта и инсулин 18, като същевременно демонстрират повишен възпалителен отговор в белия дроб преди бактериална колонизация 104. Освен това белите дробове на CFTRНокътните порове се колонизират много бързо от бактерии, изисквайки множество антибиотици по време на отглеждане до зряла възраст 105, а също така имат бързо прогресиращо заболяване на панкреаса, което влияе върху метаболизма на глюкозата 18. Дали тези наблюдения по отношение на белодробното възпаление и инфекция са свързани с тежестта на възпалението на панкреаса и ендокринната дисфункция, предстои да се определи. Доказано е, че хипергликемията по време на диабет инхибира левкоцитната функция, поради което допринася за намалена защита на гостоприемника по време на инфекции, включително тези на белите дробове 106, 107. Всички тези открития показват, че ранната и продължителна инсулинова терапия и хранителните добавки могат да бъдат полезни за пациенти с МВ, дори преди появата на клинично очевидна CFRD 108-110 .

Бъдещи указания за животински модели на CF

Благодарности

Благодарим на Лабораторията за сравнителна патология на Университета в Айова за хистологичните услуги и д-р Мишел Багнат и Елсевие, че ни позволиха да използваме фигурата, показваща панкреати от зебра. Това проучване беше подкрепено от Националния институт за сърцето, белите дробове и кръвта (Grant Nos HL51670, HL091842 и HL123482), Националния институт по диабет и храносмилателни и бъбречни заболявания (Grant Nos P30 DK054759 и R24 DK096518) и Фондация за муковисцидоза.

Авторски приноси

KNGC, DKM и JFE разработиха концепцията, изготвиха ръкописа, подготвиха фигурите, редактираха и преработиха ръкописа и одобриха окончателната версия.