Ahlke Heydemann

1 Университетът на Илинойс в Чикаго, Чикаго, IL 60612, САЩ

съдържание

2 Центърът за сърдечно-съдови изследвания, Чикаго, IL 60612, САЩ

Резюме

Захарният диабет тип 2 (T2DM) е световна епидемия, която по всички прогнози само ще се увеличи. За да се помогне в борбата с опустошителния набор от фенотипове, свързани с T2DM, е необходим силно възпроизводим и подобен на човешки заболявания модел на мишка за изследователите. Настоящите възможности са генетични манипулации за причиняване на симптоми на T2DM или предизвикано от диета затлъстяване и симптоми на T2DM. Тези методи за моделиране на човешки T2DM имат своите предимства и отклонения. Що се отнася до моделирането на по-голямата част от случаите на T2DM, HFD установява правилните етиологични, патологични и лечебни възможности. Ограничение на HFD е, че са необходими месеци хранене, за да се постигне пълният спектър от симптоми на T2DM и не е установен стандартен протокол. Тази статия ще се опита да коригира последното ограничение и ще спори за стандартна група HFD протоколи и стандартни процедури за анализ.

1. Въведение

Има редица отворени проблеми при HFD моделирането на мишката на T2DM:

Ще бъдат ли полезни тези модели мишки при предклинични изследвания?

Какво ще кажете за разликите, установени между щамове див тип?

Защо някои протоколи не предизвикват DCM?

Може ли изследователската общност да се споразумее за общ протокол за хранене с HFD? Сравненията между документи, генетични манипулации и терапии ще бъдат много по-лесни и информативни, ако може да се договори конкретна диета, продължителност на диетата и протоколи за анализ.

Спешно се изисква актуализиран преглед на HFD за мишки, тъй като в PubMed бяха намерени 223 референции за януари 2016 г., като за търсене се използва „диета с високо съдържание на мазнини и мишка“ (твърде много, за да се прочетат всички). Представянето на толкова голям и изключително важен труд е обезсърчително. Следователно основната част на този преглед ще бъде фокусирана върху гледната точка на изследователя. Целта е изследователите да използват този документ, за да планират своите HFD протоколи и да създадат известна последователност в бъдещите експериментални протоколи и техники за анализ.

Поради различията в литературата има множество термини, които трябва да бъдат дефинирани преди да се продължи напред. Ще използваме следната конвенция: затлъстяването води до метаболитен синдром, който може да прогресира до T2DM [1]. При хората затлъстяването се определя чрез индекс на телесна маса (ИТМ = тегло/височина 2) от над 30 kg/m 2. Прогресията до метаболитен синдром се диагностицира, когато пациентът има 3 от следните 5 патологии: затлъстяване, хипертония, хипергликемия на гладно, повишени серумни триглицериди и намален липопротеин с висока плътност. Метаболитният синдром често се обозначава като преддиабет. T2DM първоначално се определя като пациент, който е резистентен към инсулин. След години на свързаната с тях хиперинсулинемия панкреасът може да се разклати и след това пациентът също ще страда от хипоинсулинемия. Диабет тип 1 е заболяване на самия панкреас. Панкреасът не успява да произведе инсулин и следователно пациентът става хипергликемичен, но никога хиперинсулинемичен.

Моделите на мишки се оказаха безценни при придобиването на основни знания за човешките заболявания. Това знание преминава към предклинични изследвания при същите тези модели мишки. Примери за знания и терапии, които са преминали от базови знания до предклинични опити в модели на мишки, са многобройни ([2] и някои примери са разгледани в [3–5]). В областта на затлъстяването и T2DM моделите на мишки се оказаха безценни в основната наука за болестите, като идентифицират ролята на възпалението, инсулиновата резистентност, съдържанието на мазнини в диетата, pAMPK, упражненията и потенциалните лечения. В допълнение, и много важно, наученото от моделите на мишките вярно е пренесено върху човешките пациенти [6]. Тези физиологични прилики между двата вида се дължат на генетичната хомология между двата вида [7].

Един от най-големите проблеми - или може би един от най-изгодните аспекти - на моделите на мишки за T2DM са различните патологични реакции между щамовете на мишките. Тези разлики са очевидни и при много други миши модели на човешки заболявания. Множество публикации са идентифицирали специфични за щама разлики в чувствителността към HFD (няколко скорошни примера са [8–13]). Изгодните аспекти на тези разлики се крият в преследването на механизми, които карат щама на мишката да бъде устойчив на патологии на HFD и следователно осигуряват възможности за идентифициране на цели за бъдещи терапии. Изследователите обаче трябва да са наясно и с тези фенотипни разлики, когато правят сравнения с по-ранни публикации, които са използвали различни миши щамове или дори различни източници за миши щам [13].

В областта на HFD също има различия по отношение на развитието на диабетна кардиомиопатия (DCM). Много ръкописи са идентифицирали DCM след относително кратка диетична интервенция [14–17], докато други експерименти не са идентифицирали DCM след 8-месечен HFD протокол [18] или 6-месечен HFD протокол [19]. Някои от тези различия могат лесно да бъдат идентифицирани, че се крият в специфични HFD формулировки или специфични миши щамове, които се използват или дори да се знае кои характеристики на DCM се разглеждат за сравнение. Въпреки това, някои от различията не са толкова лесни за идентифициране и наличието на стандартизирани протоколи за HFD ще помогне да се определи къде възникват разликите и дали си струва да се търсят за повишени механистични познания за T2DM. За по-нататъшна представа за DCM читателят е почитан до скорошна статия за преглед [5], отнасяща се до DCM както в моделите T1DM, така и в T2DM.

Редица скорошни публикации и рецензии разглеждат полезността на протокола HFD на модела на мишката. Тези отзиви имат отлични подробности и затова ще насоча читателя към тези подробности в подходящи раздели, вместо да се повтарям. Calligaris et al. обсъдете фенотипа на сърдечната болест при хранене с HFD на мишки и представете важен времеви ход на фенотипната прогресия [18]. Скорошна рецензионна статия представя използването на експериментални модели за диабетна кардиомиопатия [5]. Islam and Loots много компетентно представят приликите между миши модел HFD и хора, страдащи от T2DM [6]. Друг преглед на ръкописа описва използването на HFD мишки за идентифициране на фактори, участващи в устойчивостта или чувствителността на затлъстяването [43]. Неотдавнашен преглед описва подробно различни методологии за метаболитно фенотипиране [44]. В допълнение, в скорошна глава е описана полезността на моделите на мишки за откриване на наркотици T2DM [4]. Освен това наскоро беше публикувано задълбочено обсъждане на инсулиновата резистентност в множество тъкани [45]. Следователно тези теми няма да бъдат представени тук подробно.

Допълнителни публикации описват генетично проектирани модели мишки T2DM, които наскоро бяха прегледани [46]. Въпреки това, поради многото идентифицирани гени, които причиняват T2DM - повече от 50 гена са идентифицирани при проучвания с човешки GWAS [47] - нито един от тези миши генетични модели не може да моделира етиологията на заболяването на повече от няколко пациенти. Много от тези мишки вярно рекапитулират някои от фенотипите T2DM и следователно могат да бъдат полезни за предклинични проучвания и могат да бъдат използвани за изследване на специфични части от фенотипа. Те обаче не моделират етиологията на заболяването на повечето пациенти [46]. Повечето хора с T2DM се разболяват поради диетата си, а не поради генетиката си (CDC, http://www.cdc.gov/diabetes/data/statistics/faqs.html). Следователно HFD е най-подходящият модел на заболяването [18].

2. Съображения за проектиране на протокол с високо съдържание на мазнини

Има много важни съображения за проектиране на миши протокол HFD (Таблица 1). Най-важното е може би продължителността на HFD. Други съображения са възрастта на мишките и формулировката на HFD. Както беше обсъдено, кой щам на мишката да се използва също е много важно да се вземе предвид при проектирането на HFD протокол.

маса 1

Съображения за създаване на протокол с високо съдържание на мазнини.

NotesReference #
Дизайн
Продължителност на диетатаАдаптивна (8 седмици)
ФормулиранеСъвпадение на човешката западна диета
Акцентирайте върху патологията
ВъзрастПатологиите се засилват с възрастта
ПолМъжките се използват предимно, за да се избегнат женските цикли
ЩамВъзприемчиви към хипергликемия: C57Bl/6J (C57Bl/6N по-здрави от C57Bl/6J след HFD), DBA2/J, BXD66 [12, 13, 48–50]
Устойчив на хипергликемия: MRL, Lrg, A/J, BXD77, BALB/cJ
Оценки
ТежестиЦяло тяло и специфични тъкани: различни места на адипоцитите, черен дроб, сърце
Седмична кръвна глюкозаПост срещу хранене, време на деня
Ехокардиография
Кръвно наляганеPV цикли спрямо неинвазивни
Глюкоза ТТГладуване спрямо хранене, време на деня, остро срещу дългосрочно[44, 51]
Доставка на глюкоза: орално, IP или IV
Инсулин ТТГладуване спрямо хранене, време на деня, остро срещу дългосрочно
Серумна колекцияПост срещу хранене, време на деня
DEXAПозволява времевия ход на състава на тялото
ЯМРПозволява времевия ход на състава на тялото, по-надежден от DEXA[44]
ХистологияФиброза, пикросириус червен, периодично изместване на киселината, имунен инфилтрат, адипоцит, скелетна мускулатура, размер на сърдечните клетки
ФиброзаTGFβ, pSMAD2/3, αSMA, IL6, IL13, IL33[48]
Допълнителни фенотипове
Хипергликемична скобаИдентифицира глюкозната чувствителност чрез измерване на серумните нива на инсулин[44]
Хиперинсулинемично-евгликемична скобаСъображенията са времето на затягане и колко плътно да се регулира вливането на глюкоза [44, 52, 53]
Определя употребата на глюкоза
Специфично усвояване на глюкоза в тъканите Използва се заедно с горните техники със скоби [44]
Изисква ЯМР и радиоактивно маркирани енергийни източници
Много по-лесно при плъхове
Определя инсулиновата чувствителност в множество тъкани
ВъзпалениеПроточна цитометрия за специфични типове клетки [48]
Хистологията може също да идентифицира специфични клетки
Нива на цитокини в серумни или тъканни екстракти
Черен дроб, NAFLDАспартат трансаминаза и аланин трансаминаза
Прогресия на заболяването: стеатоза> стеатохепатит> цироза> HCC
Електронни микрографииАнализирайте подробно местата за съхранение на митохондрии и липиди

TT, тест за толерантност; DEXA, рентгенова абсорбциометрия на дуел енергия; HCC, хепатоцелуларен карцином; IP, интраперитонеално; IV, интравенозно; NAFLD, неалкохолна мастна чернодробна болест. # Позоваванията се дават там, където е неподходящо.

AT, мастна тъкан; FS, частично скъсяване; HCC, хепатоцелуларен карцином; LV, лява камера; NAFLD, неалкохолна мастна чернодробна болест. # Позоваванията се дават там, където е неподходящо.

Най-ранните ефекти на HFD, които открихме в литературата, бяха след 3-дневна диета като увеличаване на пролиферацията на β-клетки на панкреаса [60]. Тези автори също следват времеви курс през 11 седмици HFD, който разкрива важни разлики между ранните (1 седмица) и късните (11 седмици) резултати в интраперитонеалния GTT и динамиката на прогресията на заболяването. Инсулиновият толеранс също постепенно се влошава с течение на времето, докато хиперинсулинемията е очевидна едва на 11-седмична диета и не се наблюдава на 1 или 5-седмична диета [60]. Това е чудесна илюстрация, че продължителността на времето на HFD трябва да бъде внимателно обмислена в зависимост от това кои променливи се интересуват от изследването. Освен това, гореспоменатата ранна фаза на адаптация, наблюдавана при мишките MRL, не се е случила при HFD хранени мишки C57Bl/6, отново подчертавайки важността на избора на правилния щам на мишката в зависимост от желаните изследвания.

Генерират се непрекъснати данни, показващи различия между половете в отговор на протоколите HFD. Например, мъжките мишки са по-податливи на хипергликемия от HFD [61]. Други са идентифицирали основни разлики в адипоцитите, които се наблюдават при мишки от див тип, хранени с нормална диета между мъжки и женски мишки в метаболизма на глюкозата [62]. В изключително обширно проучване Morselli et al. установиха, че поради промени в HFD в мъжкия хипоталамус C57Bl/6 мъжките мишки са по-податливи на HFD-медиирано хронично възпаление, докато женските мишки набират толкова голямо тегло; те не са страдали от патогенното възпаление [63]. По подобен начин е установено, че множество мастни натрупвания при женски мишки C57Bl/6T и кастрирани мъжки мишки са по-чувствителни към инсулин от тези от непокътнати мъжки мишки [62]. Тези разлики трябва да се възползват, за да се намерят нови терапевтични цели.

Добре известно е, че свързаното с възрастта хронично възпаление силно корелира с инсулиновата резистентност [64]. Тъй като T2DM все още се счита за заболяване на възрастните хора, е напълно подходящо да се анализират по-възрастни мишки. Въпреки това, ако човек не е в контраст на възрастта, сравненията с по-млади мишки трябва да се правят с повишено внимание.

Трябва да се спомене допълнително внимание за вариациите в диетичните състави, особено важни в светлината на непрекъснатите данни, че видът на мазнините е критично важен за осигуряване на защита или патология [69]. Пълният преглед на диетите е извън обхвата на този преглед; ето няколко важни точки, които трябва да имате предвид. В Съединените щати има няколко основни доставчици на основни доставчици на лабораторни диети: Teklad (http://Envigo.com/), LabDiet/Purina (http://labdiet.com/), Research Diets (http: // researchdiets.com/) и Bio-Serve (http://bio-serve.com/). Teklad има две основни HFD опции с 2 модификации за една от тях. В допълнение, Teklad предлага много мастни добавки за диети по поръчка със специфични липидни видове. Бихме могли да намерим две HFD в уеб страниците на LabDiet. Research Diets продава 8 различни HFD формулировки. Bio-Serve продава една HFD формулировка. Не само количеството и видът на мазнините са важни, но и грамовете въглехидрати във всяка формулировка са много важни, за да се вземат предвид. Както споменахме преди, истинската „западна диета“ ще съдържа високо съдържание на мазнини и високо съдържание на въглехидрати.

Много изследователи използват пряк HFD в своите протоколи, но някои използват допълнителни стресори за моделиране на човешки T2DM. Допълнителен стресор е инжектирането на ниска доза стрептозотоцин за повишаване на тежестта на заболяването и моделиране на по-късен по-прогресиращ стадий на заболяването след хиперинсулинемия, когато се появи хипоинсулинемия [54, 73, 74]. Дозата стрептозотоцин не причинява никакви фенотипи при мишки, хранени с чау и не винаги причинява DCM при HFD мишки. Освен това, за да компенсират допълнителните калории, предоставени от HFD, някои учени разполагат с калории, които съответстват на количеството HFD, дадено на кохортата им на мишка [75, 76]. По този начин на HFD мишките е позволено да консумират само същото количество калории като CD кохортата, консумирана през предходните 24 часа. Тези вариации предоставят много полезни протоколи за изследване на различни и специфични аспекти на T2DM.

Въпреки че има спекулации, че захарозата със или без мазнини също трябва да причини T2DM, това не е открито. При хората има ретроспективни епидемиологични доказателства, че захарозата не е причинител на T2DM [77]. При мишки, при които експериментът може да се проведе с всички правилни контроли, захарозата не променя прогресията до T2DM със или без HFD компонент [50]. Следователно директната HFD може да бъде оптималната диета за моделиране на ранен T2DM при мишки с допълнителна инжекция на стрептозотоцин за моделиране на по-късните стадии на заболяването, когато има и хипоинсулинемия.

3. Патогенни механизми

Захарният диабет тип 2 (T2DM) и мишият модел на HFD са сложни заболявания със сложни и припокриващи се патогенни механизми (Фигура 1). Припокриващият се характер на тези механизми ясно причинява безпокойство на изследователите и клиницистите, когато мислят за стратегии за превенция и лечение. Например, много пациенти с нормогликемия все още развиват патологии надолу по веригата. Алтернативно, някои пациенти с хронично лош контрол на глюкозата не развиват патологии надолу по веригата. Следователно е ясно, че след като T2DM е налице, са необходими допълнителни терапевтични средства извън контрола на глюкозата. Целите за допълнителните терапевтични средства изискват разглеждане на много патогенни механизми на T2DM и HFD.