Genetic mice models of type 2 diabetes for evaluation of the effectiveness of minor biologically active food substances

Abstract

This report is devoted to discussion of type 2 diabetes experimental modelling on genetic mice lines. These laboratory animals, the same as genetic rats lines, are usually used in type 2 diabetes experimental modelling. The problem of using mice with genetic obesity in modeling of type 2 diabetes is discussed in details in the review. In this article the authors shortly characterize the congenic line of mice ККАУ, suffering from genetic obesity and hyperinsulinemia. The features of modelling type 2 diabetes using ob/ob and db/db mice are described closely. The phenotype of the animals comes into obesity, infertility, brakes in length growth, hyperinsulinemia and dysimmunity. Neither leptin mRNA, nor the hormone itself are synthesized in ob/ob mice, leading to ob phenotype formation. Whilst db/db mice have two mutant copies of leptin receptor gene, which leads to gradual hyperglycemia and obesity progression, followed by hyperinsulemia similar to human type 2 diabetes. C57BL/KsLeprdb/+ mice with recessive gene leptin receptoi-Lepiнlb (db) is very perspective genetic type 2 diabetes model developed in Russia. TSOD mice are used as an alternative model (Tsumura Suzuki, diabetes with obesity), showing diabetes and obesity symptoms with marked hyperinsulinemia and pancreatic gland hypertrophy. Thus, presented in this review scientific reports approve wide opportunities of effective usage of genetic lines of small laboratory animals (mice) for type 2 diabetes modelling.

Keywords:type 2 diabetes, genetic mice lines, hyperglycemia, obesity, hyperinsulemia, specialized dietary products

Вопр. питания. 2015. № 6. С. 63-68.

Сахарный диабет (СД) 2 типа, риск возникновения которого напрямую связан с алиментарными факторами, в частности с избыточной энергетической ценностью рациона, представляет серьезную медико-социальную и экономическую проблему, обусловленную значительной распространенностью заболевания (по данным официальной статистики 2013 г., в мире 382 млн больных СД, в Российской Федерации - более 3,7, из них 85-95% - с СД 2 типа), неуклонным ростом числа больных, высокой частотой, тяжестью и прогрессированием различных осложнений. Эффективность методов профилактики и лечения диабета 2 типа может быть существенно повышена включением в персонализированную диетотерапию новых специализированных пищевых продуктов и биологически активных добавок к пище, целенаправленно корригирующих нарушения углеводного и липидного обмена у этих больных. Ассортимент таких продуктов отечественного производства, отвечающих современным требованиям клинической эффективности, подтверждаемым с позиций доказательной медицины, совершенно недостаточен.

Соответственно, очевидна актуальность научного обоснования и разработки инновационной технологии получения специализированных пищевых продуктов, составы которых будут включать модифицированные углеводный и жировой компоненты, растительные белки, обладающие гипохолестеринемическими свойствами, органические формы эссенциальных микроэлементов и, что особенно важно, биологически активные минорные компоненты, проявляющие свое специфическое корригирующее действие на углеводный и липидный обмен. Оценка безопасности и эффективности их использования в питании лиц, страдающих СД 2 типа, предполагает стадию экспериментальной оценки in vivo c наличием соответствующей биомодели. В нашей предыдущей публикации был дан обзор современных научных работ об использовании генетических линий крыс в качестве моделей СД 2 типа [1]. Данное сообщение посвящено краткому обсуждению моделирования этого заболевания на мышах, поскольку генетические линии этих лабораторных животных, наряду с генетическими линиями крыс, весьма широко используются при экспериментальном моделировании СД 2 типа [2].

Так же как и для крыс, наследственное или индуцируемое высокожировым рационом ожирение является фактором высокого риска развития диабетических проявлений. Общепризнано, что нарушение в жировой ткани сигнальных путей может повышать резистентность к инсулину и прогрессирующим нарушениям метаболизма, таким как детское ожирение, гиперинсулинемия, СД 2 типа [3].

Соответственно, значительное развитие получило моделирование СД 2 типа на мышах, страдающих наследственным ожирением. У мышей линии ККАУ наличие АУ аллели является причиной ожирения и развития диабета, причем интересно, что ККАУ мыши-самки характеризуются существенно более выраженным нарушением когнитивных функций по сравнению с мышами-самцами [4]. Конгенная линия мышей ККАУ, страдающих наследственным ожирением и гиперинсулинемией, была использована в качестве модели СД 2 типа при тестировании антидиабетического эффекта комплекса aльфа-липоевой кислоты с гамма-циклодекстраном [5]. Включение в рацион 4-недельных ККАУ мышей-самцов комплекса aльфа-липоевой кислоты с гамма-циклодекстраном подавляло проявления постпрандиальной гипергликемии и снижало уровень глюкозы в крови натощак. У мышей этой же линии было показано, что внутрижелудочное введение им в течение 7 сут водорастворимого экстракта культуральной среды гриба Ganoderma lucidum препятствует развитию апоптоза и некроптоза в клетках мозга этих животных, подвергнутых гипоксии/ишемии [6].

В качестве экспериментальных моделей СД 2 типа относительно эффективно используются мыши линий ob/ob и db/db. Фенотип мышей линий ob/ob и db/db проявляется в ожирении, бесплодии, некоторой задержке роста тела в длину, гиперинсулинемии, нарушении иммунитета. Вследствие мутаций в промоторной области гена ob полностью блокируется его экспрессия в жировой ткани, и у мышей линии ob/ob не синтезируются ни мРНК лептина, ни сам гормон, что ведет к образованию ob фенотипа [7]. У всех мышей линии ob/ob снижается интенсивность обмена веществ, резко увеличиваются аппетит и потребление пищи [7, 8]. У этих мышей также наблюдается гипертрофия почечной коры и повышенный уровень в плазме крови кортикостерона - факторов риска развития инсулиновой резистентности и гипергликемии [9-12]. Диабетические мыши ob/ob и 57В16 wild-type мыши с ожирением были использованы в исследовании, направленном на выявление связи воспаления в скелетных мышцах и чувствительностью к инсулину, в котором, в частности, было показано, что воспаление в скелетных мышцах чаще всего возрастает при наличии СД 2 типа [13]. Это исследование свидетельствует о том, что опосредованная моноцитарным хемотаксическим фактором-1 аккумуляция макрофагов в скелетных мышцах играет определенную роль в этиологии СД 2 типа.

C57BL/KsJ-lept db-lept db (db/db) мыши имеют 2 мутантные копии гена рецептора лептина, что приводит к постепенному развитию гипергликемии и ожирения с последующей гиперинсулинемией, схожей с СД 2 типа у человека [14]. У мышей этой линии развитие диабетических симптомов начинается приблизительно в 6-недельном возрасте, к 12-й неделе симптомы становятся явными [15].

У мышей db/db наблюдается существенно более выраженное повышение постишемических маркеров воспаления по сравнению с мышами db/+, имеющими 1 мутантную и 1 нормальную копию гена лептина [16].

Влияние физической нагрузки на уровень глюкозы у мышей линии db/db было исследовано в работе [14]. Диабетические C57BL/KsJ-lept dblept db мыши и контрольные тощие мыши db/+ в течение 30 мин находились в движении на беговой дорожке. У db/db мышей после физической нагрузки уровень глюкозы в плазме был заметно выше, а у контрольных мышей изменений уровня глюкозы не наблюдалось. Предполагается, что у db/db диабетических мышей гипергликемия после 30-минутного бега, по-видимому, может быть связана с повышенной секрецией эндогенного кортикостерона и экспрессией фосфоенолпируват-карбоксикиназы и 11-β-гидроксистероид дегидрогеназы типа 1. Самцы и самки этой же генетической линии мышей были использованы в работе [17] при тестировании супрессирующего действия метформина на опухолевый рост печени, индуцируемый однократной внутрибрюшинной инъекцией диэтилнитрозамина. Потребление метформина существенно ослабляло предраковое поражение печени и ингибировало клеточную неоплазию этого органа. Имело место снижение уровня инсулина в сыворотке, снижение инсулиновой резистентности, ингибирование фосфорилирования серин-треониновой протеинкиназы Akt, cерин-треониновой протеинкиназы mTOR (мишени иммунодепрессанта рапамицина у млекопитающих, регулирующей клеточный рост) и киназы p70S6. Уровень сывороточного лептина при этом снижался, а уровень адипонектина возрастал. Полученные результаты свидетельствуют о том, что метформин препятствует опухолевому росту печени путем повышения чувствительности к инсулину, ингибированием активации сигнального пути Akt/mTOR/p70S6 и улучшением адипокинового имбаланса.

В работе [18] было проведено сравнительное исследование влияния перорального приема мышьяка на C57BLKS/J (db/m) мышей и диабетических C57BKS/Leprdb (db/db) мышей. Токсичность мышьяка проявилась в оксидативных воздействиях, повреждении ДНК и воспалении, отмечаемых у животных обеих групп. У db/m мышей не изменилась толерантность к глюкозе, но также наблюдались дисфункция панкреатических β-клеток и увеличение глюконеогенеза. У диабетических db/db мышей толерантность к глюкозе нарушилась, что, по мнению авторов работы, стало причиной дисфункции β-клеток и возрастания глюконеогенеза.

Новое антигипергликемическое средство было протестировано на диабетических мышах самцах линии db/db (C57BLKS/J-lepr db /lepr db), а также на тощих db/m мышах (C57BLKS/J-lepr db/+), которых использовали в качестве контрольной группы [19].

При применении этих моделей СД 2 типа и ожирения выявлены существенное уменьшение сердечно-сосудистых нарушений, коррекция сосудистой дисфункции и положительное влияние на сниженные когнитивные функции при использовании тестируемого препарата.

Диабетические Aston db/db мыши были использованы для тестирования глюкозопонижающего и инсулинотропного действия ацетилированного глюкагонподобного пептида-1 (GLP-1) и глюкозозависимого инсулинотропного полипептида (GIP) [20]. В субхроническом эксперименте исследованы гомеостаз глюкозы, секреция инсулина, потребление пищи, ростовые показатели и установлена эффективность совместного введения GLP-1 и GIP пептидов.

Перспективной отечественной генетической моделью СД 2 типа, пригодной для апробации разных методов терапии СД 2 типа, по мнению авторов работ [21, 22], являются мутантные мыши линии C57BL/KsLepr db/+. Мутантные мыши C57BL/

KsJYLepr^/+(B/Ks-Leprdb/+) несут рецессивный ген leptin receptoi-Lepiнlb (db) (8-я группа сцепления, 4-я хромосома). Ген db в гомозиготном состоянии вызывает диабет, сходный с diabetes mellitus с дегрануляцией β-клеток в островках панкреатической железы, но без дефицита инсулина.

Гомозиготные мутантные мыши линии C57BL/KsLepr db/+ отвечают требованиям, предъявляемым к генетической модели СД 2 типа, воспроизводя стадийность заболевания. В крови этих мышей установлено высокое содержание глюкозы и гликозилированного гемоглобина, отмечаются полиурия, полифагия, полидипсия и нарастающее ожирение, а также морфологические изменения в инсулярных островках поджелудочной железы (гиперплазия, а затем атрофия), жировая дистрофия печени и гипоплазия ткани селезенки и лимфатического узла. На этой модели были продемонстрированы восстановление нарушенных рецептор-зависимых взаимодействий и коррекция иммунных нарушений путем введения мононуклеарной фракции клеток костного мозга от здоровых доноров-мышей линии B10 GFP [21].

В качестве модели СД 2 типа с ожирением могут быть использованы мыши линии TSOD (Tsumura Suzuki, СД с ожирением), проявляющие признаки диабета и ожирения с выраженной гиперинсулинемией и гипертрофией поджелудочной железы. TSOD мыши страдают как резистентностью к инсулину, так и ослаблением секреции инсулина, стимулированной глюкозой. Гипергликемия и ожирение четко контролируются различными комбинациями генетических локусов у этой модели мышей [23]. Уже в возрасте 5 нед у TSOD мышей увеличиваются масса тела и уровень общего холестерина в плазме крови по сравнению с контрольными животными - TSNO мышами (без ожирения), но не гипергликемия или снижение толерантности к глюкозе. Тем не менее уровень октадекадиеновой кислоты (tHODE) - биомаркера окислительного стресса у TSOD - мышей увеличен по сравнению с контрольными мышами того же возраста.

TSOD мыши, прежде чем у них начинают развиваться признаки диабета, подвергается окислительному стрессу, и предполагается, что последний является инициатором развития диабета у мышей этой линии [24].

Данные о развитии инсулиновой резистентности в раннем возрасте и непереносимости глюкозы в последующем были получены в опытах с мышами, дефицитными по фосфатазе МАР-киназы (МКР5) [25]. Полученные результаты, по мнению авторов этой работы, свидетельствуют о том, что воспаление в жировой ткани и развитие метаболических нарушений находятся под жестким контролeм МКР5-фермента, регулирующего врожденный иммунный ответ [26].

Таким образом, представленные в настоящем обзоре и нашей предыдущей публикации [1] научные сообщения свидетельствуют о достаточно широких возможностях эффективного использования генетических линий мелких лабораторных животных (крыс и мышей) для моделирования СД 2 типа. Стадия доклинической оценки разрабатываемых специализированных пищевых продуктов антидиабетического действия и/или их ингредиентов является необходимым и очень ответственным этапом, предшествующим их клинической апробации [27]. Очевидно, что научно-практическая значимость этого этапа в решающей степени зависит от корректно подобранной биомодели СД 2 типа, воспроизводящей клинические, биохимические и морфологические нарушения, характерные для данного заболевания.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-36-00041).

Литература

1. Мазо В.К., Мурашев А.Н., Сидорова Ю.С., Зорин С.Н. и др. Генетические модели диабета типа 2 на крысах для оценки эффективности минорных биологически активных веществ пищи // Вопр. питания. 2014. Т. 83, № 6. С. 25-31.

2. King Aileen J.F. The use of animal models in diabetes research // Br. J. Pharmacol. 2012. Vol. 166, N 3. P. 877-894.

3. Francesca Favaretto, Gabriella Milan, Gayle B. Collin, Jan D. Marshall et al. GLUT4 defects in adipose tissue are early signs of metabolic alterations in Alms1 GT/GT, a mouse model for obesity and insulin resistance // PLoS One. 2014. Vol. 9, Is. 10. Article ID e10954. URL: www.plosone.org.

4. Sakata A., Mogi M., Iwanami J. Female exhibited severe сognitive impairment in type 2 diabetes mellitus mice // Life Sci. 2010. Vol. 86, N 17-18. P. 638-645.

5. Yuki Naito, Naoko Ikuta, Daisuke Nakata. Antidiabetic effect of the α-lipoic acid γ-cyclodextrin complex // J. Clin. Biochem. Nutr. 2014. Vol. 55, N 2. P. 97-102.

6. Meiyan Xuan, Mari Okazaki, Naohiro Iwata. Chronic treatment with a water-soluble extract from the culture medium of ganoderma lucidum mycelia prevents apoptosis and necroptosis in hypoxia/ischemia-induced injury оf type 2 diabetic mouse brain // EvidenceBased Complement. Altern. Med. 2015. Article ID 865986. 16 p. URL: http://dx.doi.org/10.1155/2015/865986.

7. Zhang Y., Proenca R., Maffey M. et al. Position cloning of the mouse obese gene and its human homologue // Nature. 1994. Vol. 372. P. 425-432.

8. Pankov Yu. A the ob protein as a product of obese gene expression and some aspects of development of modern endocrinology // Biochemistry (Moscow). 1996. Vol. 61. P. 705-710.

9. Coleman D.L., Burkart D.L. Plasma corticosterone concentrations in diabetic (db) mice // Diabetologia. 1977. Vol. 13, N 1. P. 25-26.

10. Masuzaki H., Ogawa Y., Hosoda K. et al. Glucocorticoid regulation of leptin synthesis and secretion in humans: elevated plasmaleptin levels in Cushing’s syndrome // J. Clin. Endocrinol. Metab. 1997. Vol. 82, N 8. P. 2542-2547.

11. Naeser P. Adrenal function in the diabetic mutant mouse (gene symbol dbm) // Acta Physiol. Scand. 1976. Vol. 98, N 4. P. 395-399.

12. Perello M., Moreno G., Gaillard R.C., Spinedi E. Glucocorticoiddependency of increased adiposity in a model of hypothalamic obesity // Neuroendocrinol. Lett. 2004. Vol. 25, N 1-2. P. 119-126.

13. Patsouris David, Jingwei-Ji Cao, Guillaume Vial. Insulin resistance is associated with MCP1-mediated macrophage accumulation in skeletal muscle in mice and humans // PLoS One. 2014. Vol. 9, Is. 10. P. 1-14. Article ID e110653.

14. Korie B. Brust, Kathryn A. Corbell, Layla Al-Nakkash, Jeganathan Ramesh Babu et al. Expression of gluconeogenic enzymes and 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 in liver of diabetic mice after acute exercise // Diabetes Metab. Syndr. Obes: Targets and Therapy. 2014. Vol. 7. P. 495-504.

15. Sharma A.N., Elased K.M., Garrett T.L., Lucot J. Neurobehavioral deficitsin db/db mice // Physiol. Behav. 2010. Vol. 101. P. 381-388.

16. Tureyen K., Bowen K., Liang J., Dempsey R.J. et al. Exacerbated brain damage, edema and inflammation in type-2 diabetic mice subjected to focal ischemia // J. Neurochem. 2011. Vol. 116, N 4. P. 499-507.

17. Tomohiko Ohno, Masahito Shimizu, Yohei Shirakami. Suppresses Diethylnitrosamine-Induced Liver Tumorigenesis in Obese and Diabetic C57BL/KsJ-+Lepr db /+Lepr db Mice // PLoS One. 2015 April 16.

18. Su Liu, Xuechao Guo, Bing Wu, Haiyan Yu et al. Arsenic induces diabetic effects through beta-cell dysfunction and increased gluconeogenesis in mice // Sci. Rep. 2014. Vol. 4. Article ID 6894.

19. Bowen Lin, Nobutaka Koibuchi, Yu Hasegawa, Daisuke Sueta et al. Glycemic control with empagliflozin, a novel selective SGLT2 inhibitor, ameliorates cardiovascular injury and cognitive dysfunction in obese and type 2 diabetic mice // Cardiovasc. Diabetol. 2014. Vol. 13. P. 148.

20. Gault V.A., Kerr B.D., Harriott P, Flatt P.R. Administration of an acylated GLP-1 and GIP preparation provides added beneficial glucose-lowering and insulinotropic actions over single incretins in mice with Type 2 diabetes and obesity // Clin. Sci. (Lond.). 2011. Vol. 121. P. 107-117.

21. Степанова О.И., Онищенко Н.А., Абдрашитова Э.Х., Степанова Е.А. и др. Мононуклеарная фракция клеток костного мозга мышей линии В.0.GPF нормализует углеводный обмен у мышей линии с57bl/ksjyleprdb/+ с моделью сахарного диабета 2 типа // Биомедицина. 2008. Т. 1, № 1. С. 26-35.

22. Степанова О.И., Каркищенко В.Н., Баранова О.В. Генетическая модель сахарного диабета 2 типа на мутантных мышах линии с57bl/ksjyleprdb/+ // Биомедицина. 2009. Т. 2, № 2. С. 28-40.

23. Hirayama I., Yi Z., Izumi S., Arai I. et al. Genetic analysis of obese diabetes in the TSOD mouse // Diabetes. 1999. Vol. 48, N 5. P. 1183-1191.

24. Kazutoshi Murotomi, Aya Umeno, Mayu Yasunaga. Type 2 diabetes model TSOD mouse is exposed // Clin. Biochem. Nutr. 2014. Vol. 55, N 3. P. 216-220.

25. Yongliang Zhang, Thang Nguyen, Peng Tang. Regulation of adipose tissue inflammation and insulin resistance by MAP kinase phosphatase 5 // JBC Papers in Press. 2015. April 28. URL: www.jbc.org/cgi/doi/10.1074/jbc.M115.660969.

26. Yongliang Zhang, Hong Ying Teh, Richard Flavell, Chen Dong. MAP kinase phosphatase 5 regulates innate immune response to influenza via type1 interferon // J. Immunol. 2012. Vol. 188. P. 108.

27. Мазо В.К., Сидорова Ю.С., Зорин С.Н., Саркисян В.А. и др. Алгоритм оценки антидиабетической активности инновационных ингредиентов // Материалы Международной конференции новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии (Гурзуф, 02-12 июня 2015 г.). 2015. С. 202-209.