Генетические модели сахарного диабета 2 типа на мышах для оценки эффективности минорных биологически активных веществ пищи

Резюме

Данное краткое сообщение посвящено обсуждению моделирования сахарного диабета (СД) 2 типа на генетических линиях мышей, поскольку этих лабораторных животных наряду с генетическими линиями крыс весьма широко используют при экспериментальном моделировании СД 2 типа. В обзоре достаточно подробно рассмотрено моделирование СД 2 типа на мышах, страдающих наследственным ожирением. Дана краткая характеристика конгенной линии мышей ККАУ, страдающих наследственным ожирением и гиперинсулинемией. Подробно описаны особенности моделирования СД 2 типа на мышах линий ob/ob и db/db, фенотип которых проявляется в ожирении, бесплодии, некоторой задержке роста тела в длину, гиперинсулинемии, нарушении иммунитета.

У мышей линии ob/ob не синтезируются ни мРНК лептина, ни сам гормон, что ведет к образованию ob фенотипа, тогда как у мышей линии db/db присутствуют 2 мутантные копии гена рецептора лептина, что приводит к постепенному развитию гипергликемии и ожирения с последующей гиперинсулинемией, схожей с СД 2 типа у человека. В качестве перспективной отечественной генетической модели СД 2 типа рассматриваются мутантные мыши линии C57BL/KsLepr db/+, которые несут рецессивный ген leptin receptoi-Lepiнlb (db). В качестве еще одной альтернативной модели СД 2 типа с ожирением в статье предложены мыши линии TSOD (Tsumura Suzuki, СД с ожирением), проявляющие признаки диабета и ожирения с выраженной гиперинсулинемией и гипертрофией поджелудочной железы. Таким образом, представленные в настоящем обзоре научные сообщения свидетельствуют о достаточно широких возможностях эффективного использования генетических линий мелких лабораторных животных (мышей) для моделирования СД 2 типа.

Ключевые слова:сахарный диабет 2 типа, генетические линии мышей, гипергликемия, ожирение, гиперинсулинемия, специализированные пищевые продукты

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.