Огляд дієти з високим вмістом жиру на мишах як моделі цукрового діабету 2 типу

Альке Гейдеманн

1 Університет Іллінойсу в Чикаго, Чикаго, IL 60612, США

2 Центр серцево-судинних досліджень, Чикаго, Іллінойс, 60612, США

Анотація

Цукровий діабет 2 типу (T2DM) є всесвітньою епідемією, яка, за всіма прогнозами, буде лише наростати. Для допомоги у боротьбі з руйнівним набором фенотипів, пов’язаних з T2DM, для дослідників потрібна високовідтворювана і схожа на людські хвороби модель миші. Поточні варіанти - це генетичні маніпуляції, що викликають симптоми T2DM або ожиріння та симптоми T2DM, спричинені дієтою. Ці методи моделювання T2DM людини мають свої переваги та їхні негативні наслідки. Що стосується моделювання більшості випадків T2DM, HFD встановлює належні етіологічні, патологічні та варіанти лікування. Обмеження HFD полягає в тому, що для досягнення повного спектру симптомів T2DM потрібні місяці годування, а стандартний протокол не встановлений. Цей документ спробує виправити останнє обмеження та аргументувати стандартну групу протоколів HFD та стандартні процедури аналізу.

1. Вступ

У моделюванні миші HFD T2DM з використанням миші є ряд відкритих питань:

Чи будуть ці моделі мишей корисними для доклінічних досліджень?

А як щодо відмінностей, виявлених між штамами мишей дикого типу?

Чому деякі протоколи не викликають DCM?

Чи може дослідницька спільнота домовитись про загальний протокол годівлі HFD? Порівняння між роботами, генетичними маніпуляціями та терапіями буде набагато простішим та інформативнішим, якщо можна узгодити конкретну дієту, тривалість дієти та протоколи аналізу.

Терміново необхідний оновлений огляд HFD для мишей, оскільки на PubMed було знайдено 223 посилання на січень 2016 року, використовуючи “дієту та мишу з високим вмістом жиру” (занадто багато, щоб прочитати всі). Презентація такого великого і надзвичайно важливого твору праці лякає. Основна частина цього огляду буде зосереджена на точці зору дослідника. Мета полягає в тому, що дослідники використовуватимуть цей документ для планування своїх протоколів HFD та для створення певної послідовності в майбутніх експериментальних протоколах та методах аналізу.

Через різницю в літературі існує безліч термінів, які слід визначити перед тим, як рухатися вперед. Ми будемо використовувати наступну домовленість: ожиріння призводить до метаболічного синдрому, який може прогресувати до T2DM [1]. Ожиріння у людей визначається індексом маси тіла (ІМТ = вага/зріст 2) понад 30 кг/м 2. Прогресування до метаболічного синдрому діагностується, коли у пацієнта є 3 із наступних 5 патологій: ожиріння, гіпертонія, гіперглікемія натще, підвищений рівень тригліцеридів у сироватці крові та знижений ліпопротеїн високої щільності. Метаболічний синдром часто позначають як переддіабет. Спочатку T2DM визначають як пацієнта, який є резистентним до інсуліну. Через роки асоційованої гіперінсулінемії підшлункова залоза може впасти, і пацієнт також страждає гіпоінсулінемією. Діабет 1 типу - це захворювання самої підшлункової залози. Підшлункова залоза не виробляє інсулін, і тому пацієнт стає гіперглікемічним, але ніколи не гіперінсулінемічним.

Моделі мишей виявились безцінними для набуття базових знань про захворювання людей. Ці знання прогресують до доклінічних досліджень на тих самих моделях мишей. Прикладів знань та методів терапії, які перейшли від базових знань до доклінічних випробувань на моделях мишей, безліч ([2], а деякі приклади розглянуто в [3–5]). На полях ожиріння та T2DM моделі мишей виявились безцінними в основній науці про хвороби, визначивши роль запалення, резистентності до інсуліну, вмісту жиру в їжі, pAMPK, фізичних вправ та потенційних методів лікування. Крім того, і що дуже важливо, те, що було вивчене з моделей мишей, було сумлінно перенесено на пацієнтів-людей [6]. Ці фізіологічні подібності між двома видами зумовлені генетичною гомологією між двома видами [7].

Однією з найбільших проблем - або, можливо, одним із найвигідніших аспектів - моделей мишей для T2DM є різні патологічні реакції між штамами миші. Ці відмінності також виявляються у багатьох інших мишачих моделях людських захворювань. У кількох публікаціях виявлено специфічні для штаму відмінності у сприйнятливості до ВЧЧ (кілька останніх прикладів [8–13]). Вигідні аспекти цих відмінностей полягають у пошуку механізмів, які викликають стійкість штаму миші до патологій HFD і, отже, забезпечують можливості для визначення цілей для майбутньої терапії. Однак дослідники також повинні знати про ці фенотипові відмінності при порівнянні з попередніми публікаціями, в яких використовувались різні штами мишей або навіть різні джерела для штаму миші [13].

У галузі HFD також спостерігаються диспропорції щодо розвитку діабетичної кардіоміопатії (ДКМ). Багато рукописів ідентифікували DCM після відносно короткого вживання дієти [14–17], тоді як інші експерименти не ідентифікували DCM після 8-місячного протоколу HFD [18] або 6-місячного протоколу HFD [19]. Деякі з цих диспропорцій легко ідентифікувати в конкретних складах HFD або конкретних штамах миші, що використовуються, або навіть у знанні, які характеристики DCM розглядаються для порівняння. Однак деякі невідповідності не так легко виявити, і наявність стандартизованих протоколів HFD допоможе визначити, де виникають відмінності, і чи варто їх переслідувати для збільшення механістичних знань T2DM. Для подальшого розуміння DCM читач користується недавно оглядовою статтею [5], що стосується DCM як в моделях мишей T1DM, так і в T2DM.

Ряд останніх публікацій та оглядів стосуються корисності протоколу HFD моделі миші. Ці огляди мають чудові подробиці, і тому я посилатимусь на них до відповідних розділів, замість того, щоб повторюватись. Calligaris та співавт. обговорити фенотип серцевої хвороби при годуванні HFD мишами та представити важливий часовий курс фенотипового прогресування [18]. Нещодавня оглядова стаття представляє використання експериментальних моделей для діабетичної кардіоміопатії [5]. Іслам та Лутс дуже грамотно представляють подібність між мишачою моделлю HFD та людьми, які страждають на T2DM [6]. Інший оглядовий рукопис описує використання HFD-мишей для виявлення факторів, що впливають на стійкість до ожиріння або чутливість [43]. Недавній огляд детально описав різні методології метаболічного фенотипування [44]. Крім того, в недавній главі було описано корисні моделі мишей для виявлення наркотиків T2DM [4]. Крім того, нещодавно було опубліковано ґрунтовне обговорення резистентності до інсуліну в багатьох тканинах [45]. Тому ці теми не будуть тут детально викладені.

Додаткові публікації описують генно-інженерні моделі мишей T2DM, які нещодавно були розглянуті [46]. Однак через безліч ідентифікованих генів, які спричиняють T2DM, понад 50 генів були виявлені в ході досліджень GWAS на людині [47] - жодна з цих мишачих генетичних моделей не може моделювати етіологію захворювання більше ніж кількох пацієнтів. Багато з цих мишей достовірно повторюють деякі фенотипи T2DM, і тому можуть бути корисними для доклінічних випробувань і можуть бути використані для дослідження конкретних частин фенотипу. Однак вони не моделюють етіологію захворювання більшості пацієнтів [46]. Більшість людей, хворих на T2DM, захворіли через дієту, а не через генетику (CDC, http://www.cdc.gov/diabetes/data/statistics/faqs.html). Тому HFD є найбільш підходящою моделлю захворювання [18].

2. Міркування щодо розробки протоколу з високим вмістом жиру

Існує багато важливих міркувань при розробці прототилу HFD для мишей (табл. 1). Найголовнішим є, мабуть, тривалість HFD. Іншими міркуваннями є вік мишей та рецептура HFD. Як вже обговорювалося, який штам миші використовувати також дуже важливо враховувати при розробці протоколу HFD.

Таблиця 1

Міркування щодо розробки протоколу дієти з високим вмістом жиру.

Примітки

Дизайн
Тривалість дієти	Адаптивна (8 тижнів)
	Формулювання	Відповідність західного раціону людини
	Формулювання	Підкреслити патологію
Вік	Патології посилюються з віком
Стать	Самці переважно використовуються, щоб уникнути жіночих циклів
Процідити	Сприйнятлива до гіперглікемії: C57Bl/6J (C57Bl/6N здоровіша, ніж C57Bl/6J після HFD), DBA2/J, BXD66	[12, 13, 48–50]
Процідити	Стійкий до гіперглікемії: MRL, Lrg, A/J, BXD77, BALB/cJ	[12, 13, 48–50]
Оцінки
Ваги	Все тіло та специфічні тканини: різні ділянки адипоцитів, печінка, серце
Щотижня глюкоза в крові	Голодування проти годування, час доби
Ехокардіографія
Кров'яний тиск	Петлі PV проти неінвазивних
Глюкоза ТТ	Голодування проти годування, час доби, гостре проти довгострокового	[44, 51]
Глюкоза ТТ	Доставка глюкози: перорально, ІР або IV	[44, 51]
ТТ інсуліну	Голодування проти годування, час доби, гостре проти довгострокового
Збір сироватки	Голодування проти годування, час доби
DEXA	Дозволяє часовий курс будови тіла
ЯМР	Дозволяє часовий курс складу тіла, більш надійний, ніж DEXA	[44]
Гістологія	Фіброз, пікросіріус червоний, періодичний зсув кислоти, імунний інфільтрат, адипоцит, скелетні м’язи, розмір серцевих клітин
Фіброз	TGFβ, pSMAD2/3, αSMA, IL6, IL13, IL33	[48]
Додаткові фенотипи
Гіперглікемічний затискач	Визначає чутливість до глюкози шляхом вимірювання рівня інсуліну в сироватці крові	[44]
Гіперінсулінеміко-еуглікемічний затискач	Важливо врахувати час затискання та наскільки жорстко регулювати вливання глюкози	[44, 52, 53]
Гіперінсулінеміко-еуглікемічний затискач	Визначає вживання глюкози	[44, 52, 53]
Специфічне поглинання тканини глюкозою	Використовується у поєднанні з вищезазначеними методами затиску	[44]
	Потрібні МРТ та радіоактивно мічені джерела енергії
	Набагато простіше у щурів
	Визначає чутливість до інсуліну в декількох тканинах
Запалення	Проточна цитометрія для певних типів клітин	[48]
	Гістологія також може ідентифікувати конкретні клітини
	Рівні цитокінів у сироватці або тканинних екстрактах
Печінка, НАЖХП	Аспартат-трансаміназа та аланін-трансаміназа
Печінка, НАЖХП	Прогресування захворювання: стеатоз> стеатогепатит> цироз> HCC
Електронні мікрофотографії	Детально проаналізуйте мітохондрії та місця зберігання ліпідів

ТТ, тест на толерантність; DEXA, рентгенівська абсорбціометрія енергії дуелі; HCC, гепатоцелюлярна карцинома; ІП, внутрішньочеревно; IV, внутрішньовенно; НАЖХП, неалкогольна жирова хвороба печінки. # Посилання даються там, де недоречно.

AT, жирова тканина; ФС, дробове вкорочення; HCC, гепатоцелюлярна карцинома; ЛШ, лівий шлуночок; НАЖХП, неалкогольна жирова хвороба печінки. # Посилання даються там, де недоречно.

Найбільш ранні ефекти HFD, які ми виявили в літературі, були через 3 дні дієти як збільшення проліферації β-клітин підшлункової залози [60]. Ці автори також дотримувались часового курсу через 11 тижнів ВЧС, який виявив важливі відмінності між результатами раннього (1 тиждень) та пізнього (11 тижнів) внутрішньочеревного ГТТ та динаміки прогресування захворювання. Толерантність до інсуліну також поступово погіршувалась з плином часу, тоді як гіперінсулінемія була очевидною лише на 11 тижні дієти і не спостерігалася на 1 або 5 тижнях дієти [60]. Це чудова ілюстрація того, що тривалість ВЧД повинна бути ретельно продумана залежно від того, які змінні зацікавлені в дослідженні. Крім того, вищезгадана рання фаза адаптації, спостерігана у мишей MRL, не відбулася у мишей, які годували HFD C57Bl/6, ще раз наголошуючи на важливості вибору правильного штаму миші залежно від бажаних досліджень.

Створюються постійні дані, що вказують на гендерні відмінності у відповідь на протоколи HFD. Наприклад, миші-самці більш сприйнятливі до гіперглікемії від HFD [61]. Інші виявили відмінності в базових рівнях адипоцитів, які спостерігаються у мишей дикого типу, які харчуються нормальним раціоном між самцями та самками мишей в метаболізмі глюкози [62]. У дуже всебічному дослідженні Morselli et al. виявили, що завдяки змінам HFD у чоловічому гіпоталамусі C57Bl/6 чоловічі миші були більш сприйнятливі до HFD-опосередкованого хронічного запалення, тоді як самки мишей набирали стільки ж ваги; вони не страждали патогенним запаленням [63]. Подібним чином було виявлено, що множинні жирові відкладення у самок мишей C57Bl/6T та кастрованих мишей-самців є більш чутливими до інсуліну, ніж у інтактних мишей-самців [62]. Ці відмінності повинні бути використані для пошуку нових терапевтичних цілей.

Загальновідомо, що вікове хронічне запалення сильно корелює з резистентністю до інсуліну [64]. Оскільки T2DM все ще вважається хворобою людей похилого віку, цілком доречним є аналіз літніх мишей. Однак, якщо хтось не відповідає віку, порівняння з молодшими мишами слід проводити з обережністю.

Потрібно зазначити додаткову обережність щодо варіацій у складі дієт, особливо важливих з огляду на постійні дані про те, що тип жиру є надзвичайно важливим для захисту або патології [69]. Повний огляд дієт виходить за рамки цього огляду; ось кілька важливих моментів, на які слід звернути увагу. У Сполучених Штатах є кілька основних постачальників основних постачальників лабораторних дієт: Teklad (http://Envigo.com/), LabDiet/Purina (http://labdiet.com/), Research Diets (http: // researchdiets.com/) та Bio-Serve (http://bio-serve.com/). Teklad має два основні варіанти HFD із 2 модифікаціями для одного з них. Крім того, Teklad пропонує безліч жирових добавок для спеціальних дієт з певними типами ліпідів. Ми могли знайти два HFD на веб-сторінках LabDiet. Research Diets продає 8 різних складів HFD. Bio-Serve продає одну форму HFD. Важливе значення має не тільки кількість та тип жиру, але й грами вуглеводів у кожному складі. Як згадувалося раніше, справжня “західна дієта” мала б багато жирів і вуглеводів.

Багато дослідників використовують у своїх протоколах простий HFD, але деякі використовують додаткові стресові фактори для моделювання T2DM людини. Додатковим стресором є ін’єкція стрептозотоцину в низьких дозах для посилення тяжкості захворювання та моделювання більш пізньої прогресуючої стадії захворювання після гіперінсулінемії, коли з’явилася гіпоінсулінемія [54, 73, 74]. Доза стрептозотоцину не викликає жодних фенотипів у мишей, що годували чау, і не завжди спричиняє DCM у мишей з HFD. Крім того, для компенсації додаткових калорій, що надаються HFD, деякі вчені мають калорії, які відповідають кількості HFD, що надається їх миші [75, 76]. Таким чином, мишам HFD дозволяється споживати таку ж кількість калорій, як когорта CD, спожита за попередні 24 години. Ці варіації забезпечують дуже корисні протоколи для дослідження різних та специфічних аспектів T2DM.

Хоча існували припущення, що сахароза з жиром або без нього також повинна спричиняти T2DM, цього не виявлено. У людей є ретроспективні епідеміологічні докази того, що сахароза не є причиною T2DM [77]. У мишей, де експеримент можна проводити з усіма належними контролями, сахароза не змінювала прогресування до T2DM із компонентом HFD або без нього [50]. Тому прямий HFD може бути оптимальною дієтою для моделювання раннього T2DM у мишей з додатковою ін’єкцією стрептозотоцину для моделювання пізніх стадій захворювання, коли також присутня гіпоінсулінемія.

3. Патогенні механізми

Цукровий діабет 2 типу (T2DM) та мишача модель HFD є складними захворюваннями зі складними та перекриваючимися патогенними механізмами (рис. 1). Характер цих механізмів, що перекривається, однозначно викликає у дослідників та клініцистів занепокоєння при розгляді стратегій профілактики та лікування. Наприклад, у багатьох пацієнтів з нормоглікемією все ще розвиваються патології нижче за течією. Як альтернатива, у деяких пацієнтів з хронічно поганим контролем глюкози патології, що перебувають за течією, не розвиваються. Тому очевидно, що як тільки присутній T2DM, потрібні додаткові терапевтичні засоби, що не піддаються контролю глюкози. Цілі для додаткової терапії вимагають врахування багатьох патогенних механізмів T2DM та HFD.