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慢性胰腺炎動(dòng)物模型是如何開(kāi)發(fā)的?
閱讀:776 發(fā)布時(shí)間:2020-2-24波士頓大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院的Andrea Geisz和Miklós Sahin-Tóth開(kāi)發(fā)出一種T7D23A基因敲入小鼠,以填補(bǔ)此領(lǐng)域的空白。這種小鼠攜帶陽(yáng)離子胰蛋白酶原(T7亞型)的雜合p.D23A突變,為胰腺炎的研究和治療提供了出色的模型。
圖1. p.D23A突變對(duì)胰蛋白酶原T7亞型的影響
胰腺炎是因?yàn)橐鹊鞍酌傅淖陨硐饔枚鸬募膊。毙砸认傺住?fù)發(fā)性急性胰腺炎和慢性胰腺炎。這些疾病常常引起腹痛、惡心、嘔吐、發(fā)熱等癥狀,但并沒(méi)有特異性療法。
以往的研究表明,編碼消化蛋白酶或其抑制劑的基因若發(fā)生突變,則往往會(huì)促進(jìn)急性胰腺炎的發(fā)生,并逐漸發(fā)展成慢性胰腺炎。例如,PRSS1(陽(yáng)離子胰蛋白酶原)、CTRC(胰凝乳蛋白酶C)以及SPINK1(Kazal型絲氨酸蛋白酶抑制劑1)的致病突變通過(guò)刺激自發(fā)激活或干擾保護(hù)機(jī)制,從而促進(jìn)胰蛋白酶原轉(zhuǎn)化成有害的胰蛋白酶。
不過(guò),基因突變引起的胰腺內(nèi)胰蛋白酶原自發(fā)激活具有直接致病作用,這雖然獲得了大量的遺傳和生化證據(jù)支持,但目前還缺乏適當(dāng)動(dòng)物模型的確認(rèn)。更重要的是,動(dòng)物模型的缺乏還阻礙了胰蛋白酶抑制劑的臨床前試驗(yàn)。
為此,波士頓大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院(Henry M. Goldman School of Dental Medicine)的Andrea Geisz和Miklós Sahin-Tóth開(kāi)發(fā)出一種T7D23A基因敲入小鼠,以填補(bǔ)此領(lǐng)域的空白。這種小鼠攜帶陽(yáng)離子胰蛋白酶原(T7亞型)的雜合p.D23A突變,為胰腺炎的研究和治療提供了出色的模型。這項(xiàng)成果近日發(fā)表在《Nature Communications》上。
T7D23A基因敲入小鼠的開(kāi)發(fā)
小鼠基因組包含20個(gè)胰蛋白酶原基因。之前的研究表明,只有四種胰蛋白酶原高水平表達(dá),它們分別是:T7、T8、T9和T209亞型。其中,T7亞型占胰蛋白酶原總量的40-50%,并且與其他亞型相比自發(fā)激活更快,產(chǎn)生的胰蛋白酶水平也更高。
為了產(chǎn)生自發(fā)激活增加的T7突變體,研究人員在激活肽中引入了Ala突變,以取代Asp23(p.D23A)。為了在體外測(cè)試T7 p.D23A突變體的激活特性,他們純化了重組野生型和突變型T7胰蛋白酶原,并測(cè)定了自發(fā)激活。與野生型相比,p.D23A突變體的自發(fā)激活顯著增加了50倍,同時(shí),其他胰蛋白酶激活和降解途徑不受影響。
之后,研究人員委托賽業(yè)生物(Cyagen)制備了T7D23A基因敲入小鼠,具體是通過(guò)C57BL/6胚胎干細(xì)胞中的同源重組將p.D23A突變引入小鼠基因組(圖1)。DNA測(cè)序表明,這些雜合小鼠在突變位點(diǎn)顯示出兩個(gè)高度相當(dāng)?shù)姆澹砻饕吧秃屯蛔冃偷任换虻谋磉_(dá)水平相當(dāng)。新的T7D23A品系未出現(xiàn)明顯的表型改變,并且正常繁殖。
T7D23A小鼠出現(xiàn)自發(fā)的急性和慢性胰腺炎
研究人員對(duì)T7D23A小鼠的胰腺形態(tài)進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)2-3周時(shí)是正常的,但4-5周時(shí)變化較大,而2個(gè)月后胰腺明顯變小。組織學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),T7D23A小鼠從第3周開(kāi)始出現(xiàn)典型的急性胰腺炎,在4-5周出現(xiàn)得更加頻繁(~40%)。水腫破壞了緊密排列的組織結(jié)構(gòu),大量炎性細(xì)胞浸潤(rùn),且小葉出現(xiàn)中心局部壞死(圖2)。
在4-5周時(shí),研究人員發(fā)現(xiàn)超過(guò)一半的小鼠表現(xiàn)出明顯的疾病進(jìn)展。它們的胰腺切片顯示出廣泛的再生指征,包括假管復(fù)合物出現(xiàn)、胰管擴(kuò)張和彌漫性間質(zhì)纖維化,這些都是早期慢性胰腺炎的特征。從2個(gè)月開(kāi)始并持續(xù)到6至12個(gè)月,脂肪開(kāi)始在組織學(xué)圖像中占據(jù)主導(dǎo)地位,而炎性細(xì)胞和假管復(fù)合物的數(shù)量開(kāi)始減少。在擴(kuò)張胰管的周圍纖維化更普遍,有時(shí)還充滿嗜酸性物質(zhì),這些是晚期慢性胰腺炎的特征。
圖2. T7D23A小鼠的胰腺組織學(xué)
之后,研究人員將T7D23A小鼠的胰腺重量與C57BL/6N對(duì)照小鼠進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)約40%的小鼠在4-5周齡表現(xiàn)出明顯增加。這種增加與組織切片上觀察到的水腫性急性胰腺炎一致。大約50%的小鼠在4-5周齡時(shí)胰腺重量明顯減輕,表明早期慢性胰腺炎的出現(xiàn)。所有T7D23A小鼠在2月、6月和12月齡時(shí)顯示出與晚期慢性胰腺炎相關(guān)的胰腺萎縮,與對(duì)照小鼠相比胰腺重量減輕約70%。
T7D23A小鼠的酶活檢測(cè)
淀粉酶是診斷急性胰腺炎常用的指標(biāo)。因此,研究人員也測(cè)定了各個(gè)年齡的T7D23A小鼠血漿中的淀粉酶活性。在4-5周時(shí),他們?cè)诩s40%的小鼠中觀察到淀粉酶值偏高,這與之前的結(jié)果一致。不過(guò),并非所有小鼠都能捕獲到急性胰腺炎的指標(biāo),這可能與采樣時(shí)間和發(fā)病年齡有關(guān),也可能是小鼠在沒(méi)有急性發(fā)作的情況下患上慢性胰腺炎。
接著,他們以3周齡(無(wú)病理變化)、4周齡(急性或早期慢性胰腺炎)和2月齡(晚期慢性胰腺炎)T7D23A小鼠為對(duì)象,測(cè)定了新鮮制備的胰腺勻漿液中的胰蛋白酶活性。與相同年齡的對(duì)照小鼠相比,3周時(shí)未檢測(cè)到胰蛋白酶活性的升高,但在4周時(shí)檢測(cè)到高值。盡管功能性腺泡細(xì)胞減少,但在2個(gè)月時(shí)仍觀察到酶活的升高,表明胰腺內(nèi)胰蛋白酶的激活在整個(gè)疾病過(guò)程中持續(xù)存在。這些結(jié)果支持了,胰蛋白酶原的自發(fā)激活可引起急性胰腺炎發(fā)作,且隨后發(fā)展成慢性胰腺炎。
為了排除與胰蛋白酶原自發(fā)激活無(wú)關(guān)的疾病機(jī)制,研究人員還制備了p.D23A、K24G雙突變的小鼠品系,除了帶有雜合的T7D23A等位基因,胰蛋白酶原激活位點(diǎn)Lys24也經(jīng)過(guò)突變。這種小鼠在5.5個(gè)月時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)自發(fā)的胰腺病理變化。這個(gè)結(jié)果提供了令人信服的證據(jù),說(shuō)明胰蛋白酶原錯(cuò)誤折疊等機(jī)制并不引起T7D23A小鼠的表型。
T7D23A小鼠與人類胰腺炎的特征比較
研究人員認(rèn)為,這種新模型概括了人類胰腺炎的臨床疾病特點(diǎn),它總是先發(fā)展為急性胰腺炎,然后再發(fā)展為不可逆的慢性胰腺炎。不過(guò),他們沒(méi)有觀察到人類經(jīng)常出現(xiàn)的急性病情反復(fù)發(fā)作。這種差異可能是由此處所用的胰蛋白酶原突變?cè)斐傻摹?/p>
研究人員認(rèn)為,他們展示了一個(gè)慢性胰腺炎的臨床前小鼠模型,該疾病是由胰腺內(nèi)胰蛋白酶原自發(fā)激活的增加所驅(qū)動(dòng)的。這個(gè)模型概括了人類慢性胰腺炎的顯著特征。值得一提的是,盡管T7D23A小鼠出現(xiàn)明顯的病理變化,但它們能夠正常繁殖并發(fā)育到成年期,這是臨床前應(yīng)用的先決條件。
“在概念層面,這個(gè)模型提供了直接的體內(nèi)證據(jù),表明胰蛋白酶原的自發(fā)激活可驅(qū)動(dòng)慢性胰腺炎的發(fā)作和發(fā)展,且治療方法應(yīng)針對(duì)胰腺內(nèi)的胰蛋白酶,”研究人員總結(jié)道。