Материал: Черешнев ВА, Шилов, Черешнева. Экспериментальные модели в патологии

вивается атеросклероз с его грозными осложнениями в виде инфаркта миокарда и инсультов.

Экспериментальные модели сахарного диабета 2-го типа

уживотных

Кнастоящему времени создано относительно большое коли­ чество экспериментальных моделей спонтанно развивающегося и ге­ нетически обусловленного сахарного диабета 2-го типа у животных. В большинстве из этих моделей комбинируются два главных проявления этого типа диабета: 1) инсулинорезистентность, ассоциированная с ожирением, 2) нарушение функций β-клеток в сочетании с уменьше­ ние общего количества β-клеток или без него. Эти модели имеют, с одной стороны, много общих закономерностей с проявлением сахар­ ного диабета 2-го типа у человека, а с другой – ряд отличий. Тем не

менее, они удобны для выяснения патогенеза этого заболевания у че­ ловека и создания новых лекарственных препаратов.

Важная особенность многих моделей сахарного диабета 2-го типа у животных – наличие выраженного полового диморфизма. У самцов в сравнении с самками во многих экспериментальных моделях развивается значительно более тяжелое заболевание. Для людей, на­ оборот, характерно преобладание и более тяжелое течение сахарного диабета 2-го типа у женщин в сравнении с мужчинами.

Для разработки новых экспериментальных моделей этой фор­ мы диабета важную роль сыграли подходы с повреждением (нокау­ том) определенных генов, а также с их переносом (трансгенные жи­ вотные).

1. Модели спонтанного сахарного диабета 2-го типа

Мутации гена лептина (мыши Lepob) и рецептора к лептину

(мыши db). Мутация гена лептина Lepob (ранее ее обозначали как ob) впервые описана в 1950 г., но идентификация гена проведена значи­ тельно позднее, после открытия лептина. У мышей, гомозиготных по этой мутации, лептин не синтезируется. Для них характерно развитие выраженной гиперфагии (повышение потребления пищи), ожирения, инсулинорезистентности и гиперинсулинемии. У животных развива­ ются множественные нарушения функций гипоталамуса, приводящие как к расстройствам метаболизма и ожирению, так и к бесплодию. Введение лептина приводит к снижению потребления пищи и к вос­ становлению многих нарушений обмена веществ. Инсулинорезистент­ ность выявляется при исследовании влияния инсулина на метаболизм мышечной и жировой ткани, печени, а метаболические изменения в

305

них отменяются при введении животным инсулина. Гипергликемия и выраженная гиперинсулинемия сочетается с развитием гиперплазии β­ клеток, общее количество которых повышается в 10 раз.

У мышей db выявлены множественные дефекты рецептора к лептину. Как и у мышей Lepob, у db-мышей развиваются гиперфагия и ожирение, гиперинсулинемия, а в возрасте 6–8 недель – гиперглике­ мия вследствие снижения функции β-клеток. Заболевание протекает более тяжело, чем у мышей Lepob. Терапия синтетическими лекарст­ венными препаратами, снижающими инсулинорезистентность (в част­ ности, производными тиазолидиндионов), предупреждает развитие диабета.

Мыши с мутацией гена агути. У мышей с доминантной «жел­ той» мутацией гена агути, определяющего характерную для этого вида животных серую (или агути) окраску шерсти и кожи, развивается ожи­ рение и гипергликемия. В зависимости от исходной линии мышей му­ тация гена агути приводит к варьирующим изменениям фенотипа. У мышей с повышенной предрасположенностью гиперинсулинемия раз­ вивается в возрасте 6 недель, в дальнейшем уровень инсулина про­ должает нарастать, при гистологическом исследовании отмечается β­ клеточная гиперплазия и гипертрофия. Характерна системная продук­ ция белков, в норме выявляющихся только в коже, что связано со вставкой в промоторный регион гена агути. Несколько групп генов, включая гены ферментов синтеза жирных кислот, имеют в промотор­ ном регионе отвечающие элементы и для инсулина и для окраски агу­ ти. Поэтому характерно значительное увеличение синтеза жирных кислот в печени и их повышенное использование для синтеза жира в жировых клетках. Функция гена агути к настоящему времени оконча­ тельно не выяснена, но у животных с его мутацией отмечаются гипер­ фагия и ускоренный рост.

Мыши KK. Были первоначально выведены вследствие не­ обычно больших размеров, но у большинства из них ожирение выра­ жено не в большей степени, чем у других мышей obese (масса чаще меньше 60 г). При скрещивании KK-мышей с животными разных ис­ ходных линий у потомков выраженность резистентности к инсулину, гиперинсулинемии и гипергликемии варьирует. Наиболее исследована линия мышей KKAy, полученная в Японии. У мышей этой линии зна­ чительно повышается концентрация инсулина в крови (более 1000 мкЕД/мл). Мутация, ответственная за KK-фенотип, не изучена.

Новозеландские тучные мыши (NZO, англ. New Zealand obese mice). Получены методом инбридинга (близкородственного скрещива­ ния) тучных аутбредных мышей. Новорожденные NZO-мыши имеют

306

повышенную массу тела. Животные обоего пола более крупные, чем обычные мыши, и имеют повышенное количество жировой ткани. При скрещивании мышей без дефекта с NZO-самцами (но не с самками этой линии) у 40–50% потомков развивается сахарный диабет 2-го типа в возрасте 12–20 недель при их кормлении диетой, содержащей 4,5% жира. Ожирение у мышей линии NZO характеризуется выражен­ ным увеличением подкожной и висцеральной жировой ткани. Инсули­ норезистентность в отличие от инсулинорезистентности у мышей Lep­ tob и db характеризуется неизмененным ответом на инсулин генов, кодирующих большинство ключевых ферментов глюконеогенеза и гликолиза в печени, однако выявляется нарушение активности фрукто­ зо-1,6-бисфосфатазы. Описано нарушение секреции инсулина β­ клетками как in vivo, так и in vitro, связанное с нарушением гликолиза, что ведет к дефекту высвобождения инсулина под воздействием глю­ козы. Генетические нарушения у NZO-мышей являются полигенными. Характерно развитие аутоиммунных нарушений, в том числе повреж­ дение почек, сходное с системной красной волчанкой, а также появле­ ние аутоантител против инсулинового рецептора. Показано, что от­ дельные проявления заболевания развиваются и у мышат, вскармли­ ваемых грудным молоком мышей NZO.

Рассмотренные модели спонтанного сахарного диабета 2-го типа у мышей являются наиболее известными, их полный список от­ нюдь не исчерпывается вышеприведенными примерами. Работа в этом направлении постоянно продолжается. Кроме животных со спонтан­ ным сахарным диабетом 2-го типа, сопровождающимся ожирением, выведены линии мышей с развитием заболевания без ожирения.

Помимо экспериментальных моделей у мышей создано не­ сколько линий крыс, мини-свиней, обезьян со спонтанным сахарным диабетом 2-го типа. Заболевание у этих животных также в зависимо­ сти от линии протекает либо с ожирением, либо без него.

2. Модели сахарного диабета 2-го типа на генетически модифицированных животных (нокаут генов / трансгенные животные)

Показано развитие сахарного диабета 2-го типа в сочетании с ожирением у мышей с нокаутом гена β3-адренорецепторов. Для моде­ лирования сахарного диабета 2-го типа без ожирения использованы трансгенные и генетически нокаутированные животные (главным об­ разом мыши) с модификацией генов, ответственных:

1) за развитие инсулинорезистентности, в частности генов, кодирующих IRS-1, IRS-2, которые участвуют в передаче сигнала с инсулинового рецептора, а также гена транспортера глюкозы в жиро-

307

вой и мышечной тканях GLUT-4;

2)за метаболизм липидов и глюкозы, в частности генов ядер­ ных рецепторов PPARs (англ. peroxisome-proliferator-activated receptors);

3)за регуляцию секреции инсулина, в частности генов транс­ портера глюкозы в β-клетках поджелудочной железы GLUT-2, глюко­ киназы, рецептора инсулиноподобного фактора роста-1 (IGF-1R).

Впоследние годы интенсивно исследуется сахарный диабет и

утрансгенных грызунов с геном человеческого островкового амило­ идного полипептида (англ. human islet amyloid polypeptide, hIAPP).

3. Модели индуцированного сахарного диабета 2-го типа

Диабет, индуцированный у мышей введением ауротиоглюко-

зы. Является примером химически индуцированного сахарного диабе­ та. Ауротиоглюкоза (AuSC6H11O5) – лекарственный препарат, перво­ начально предложенный для лечения ревматоидного артрита. Введе­ ние ауротиоглюкозы мышам приводит к повреждению вентромеди­ ального гипоталамуса с последующим развитием гиперинсулинемии, гиперфагии, ожирения, инсулинорезистентности. Уровень глюкозы вначале снижается, а затем повышается. Эта экспериментальная мо­ дель может служить примером регуляторной панкреатической дис­ функции, приводящей к формированию инсулинорезистентности с последующей ее компенсацией.

Сахарный диабет 2-го типа, индуцированный хирургическими вмешательствами. После хирургического повреждения вентромеди­ ального гипоталамуса на фоне кормления крыс специальной диетой, обогащенной липидами, у них развивается сахарный диабет 2-го типа с ожирением. Другой моделью является сахарный диабет, развиваю­ щийся у животных после операции частичной панкреатэктомии.

Сахарный диабет 2-го типа, развивающийся у крыс при введении стрептозотоцина в субпороговой дозе (40 мг/кг однократно) и замене питьевой воды на 10% раствор фруктозы. Учитывая, что ме­ ждународный обмен животными со спонтанным диабетом (в том чис­ ле, приобретение за рубежом племенного ядра с последующей транс­ портировкой по международным правилам пограничного ветеринар­ ного контроля) – процедура крайне сложная в организационном пла­ не, эта модель, хорошо воспроизводимая на обычных белых лабора­ торных крысах, представляет значительный интерес. Авторы из Юж­ но-Африканской Республики D. Rachel, R.D. Wilson, M.S. Islam пред­ ставили, на наш взгляд, убедительные доказательства развития при введении крысам стрептозотоцина в субпороговой дозе (40 мг/кг мас­

308

сы тела однократно внутрибрюшинно) в сочетании с заменой питьевой воды на 10% раствор фруктозы сахарного диабета 2-го типа, а также возможности использования этой экспериментальной модели для оценки биологического действия новых противодиабетических лекар­ ственных препаратов2. Развитие инсулинорезистентности при ограни­ ченном химическом повреждении β-клеток поджелудочной железы на фоне воздействия фруктозы связано с тем, что концентрация этого моносахарида в крови контролируется через другие нейроэндокрин­ ные механизмы, чем уровень глюкозы. В плане выяснения роли раз­ личных факторов в развитии диабета 2-го типа представляются важ­ ными данные о диабетогенном действии фруктозы, так как этот угле­ вод входит в состав многих пищевых продуктов и безопасность его в высоких концентрациях ранее не изучалась. Более того, фруктоза в настоящее время используется как заменитель сахара у больных са­ харным диабетом.

Общие механизмы нарушения метаболизма при сахарном диабете

Независимо от того, является ли недостаточность инсулина абсолютной (снижение концентрации инсулина в циркуляции и в тка­ нях вследствие уменьшения его секреции поджелудочной железой) или относительной (инсулинорезистентность из-за нарушения переда­ чи сигнала с мембранного рецептора к инсулину внутрь клетки), са­ харному диабету присущи общие механизмы нарушения обмена ве­ ществ, связанные с одинаковыми изменениями в конечных звеньях регуляторной цепи на внутриклеточном уровне.

Для сахарного диабета характерны нарушения всех видов об­ мена веществ: углеводного, липидного, аминокислотного и белкового, водно-электролитного.

Типовые нарушения углеводного обмена. Дефицит инсулина или нарушение его действия на клетки-мишени приводят к нарушению утилизации тканями ключевого метаболита всего углеводного обмена

– глюкозы. В норме уровень глюкозы в крови натощак после сна со­ ставляет 3,33–5,55 ммоль/л. Глюкоза крови используется для энерге­ тических и пластических целей в основном следующими шестью ор­ ганами и тканями: мозгом (40–60%), скелетной мускулатурой и мио­ кардом (15–20%), почками (10–15%), клетками крови (5–10%), пече­ нью и органами брюшной полости (3–6%), жировой тканью (2–4%). В

2 Rachel D., Wilson R.D., Islam M.S. Fructose-fed streptozotocin-injected rat: an alternative model for type 2 diabetes // Pharmacological Reports. 2012. Vol. 64(1). P. 129–139.

309