Hasnyálmirigy patofiziológiája cisztás fibrózisban

Carver Orvostudományi Főiskola Patológiai Klinikája, Iowa Egyetem, Iowa City, IA 52242, USA

Levelezés: KN Gibson-Corley, Room 1167ML, 200 Hawkins Drive, Iowa City, IA 52242, USA. E-mail: [email protected] További cikkek keresése a szerzőtől

Carver Orvostudományi Főiskola Patológiai Klinikája, Iowa Egyetem, Iowa City, IA 52242, USA

Anatómiai és Sejtbiológiai Tanszék, Carver Orvostudományi Főiskola, Iowa Egyetem, Iowa City, IA 52242, USA

Carver Orvostudományi Főiskola Patológiai Klinikája, Iowa Egyetem, Iowa City, IA 52242, USA

Levelezés: KN Gibson-Corley, Room 1167ML, 200 Hawkins Drive, Iowa City, IA 52242, USA. E-mail: [email protected] További cikkek keresése a szerzőtől

Carver Orvostudományi Főiskola Patológiai Klinikája, Iowa Egyetem, Iowa City, IA 52242, USA

Anatómiai és Sejtbiológiai Tanszék, Carver Orvostudományi Főiskola, Iowa Egyetem, Iowa City, IA 52242, USA

Absztrakt

Bevezetés

A cisztás fibrózist (CF) a CF transzmembrán vezetőképesség-szabályozót kódoló gén mutációi okozzák (CFTR) 1. A CFTR egy klorid- és hidrogén-karbonát-csatorna, amely hozzájárul a hámsejtek folyadék szekréciójához és a szekretált 2, 3 nyálka hidratálásához. CF-ben a hiányos CFTR kóros folyadékváladékhoz vezet, ami diszfunkciókat okoz a szervrendszerekben, beleértve a tüdőt, a gyomor-bél traktust, a májat, a férfi reproduktív traktust és a hasnyálmirigyet. A tüdőbetegség gyakran társul morbiditással és mortalitással CF-betegeknél, és gyakran a CF 4-hez leginkább társított szerv. Mindazonáltal a CF hasnyálmirigy-megbetegedése a legnagyobb penetranciával rendelkezik, és az egyik legkorábban érintett 5, 6 szerv. Itt áttekintjük a CF hasnyálmirigy-betegségét, és kiemeljük a közelmúltbeli előrelépéseket az állatmodellek alkalmazásával, hogy jobban meghatározzuk a CF hasnyálmirigy patogenezisét és annak kapcsolatát a tüdő- és gyomor-bélrendszeri betegségekkel.

A CF jelenlegi állatmodelljei

Történelmileg a CF-vel kapcsolatos legtöbb állatmodell kutatást mutált egér törzsekben végezték Vö 7, 8. A CF egerek azonban nem mutatják ugyanazokat a legfontosabb patológiákat, mint az emberi betegség. Például, bár a gyomor-bélrendszeri obstrukció sok CF egérmodellben gyakori, nincs szignifikáns hasnyálmirigy- vagy tüdőbetegségük 7, 8. Az egér kulcsszerveinek patológiájának hiánya más CF állatmodellek kialakulásához vezetett (1. táblázat). Az elmúlt években új CFTR-Károsodott állatmodelleket fejlesztettek ki, köztük 9. sertést, 10. vadászgörényt, 11. patkányt és 12., 13. zebrafish-t. A nagy állatfajokban a CF állatmodellezésének előnyei vannak, mivel ezek az állatok tüdőszerkezetüket, működésüket és méretüket tekintve jobban hasonlítanak a 7, 14-16 méretre. Természetesen a kisállat-modelleknek is vannak külön előnyei, amelyek magukban foglalják a könnyű kezelhetőséget és az elhelyezést, valamint a reagensek és a genetikai manipulációhoz szükséges eszközök rendelkezésre állását 8, 12. A jelen áttekintés érdeke, hogy azokra az állatmodellekre összpontosítunk, amelyek hasnyálmirigy-patológiát mutatnak a transzlációs vizsgálatokhoz, beleértve a sertést 17, a vadászgörényt és a 12 zebrafish-t. .

A legfontosabb CF patológiák Faj Tüdő Hasnyálmirigy Emésztőrendszer Máj/epehólyag Hivatkozások

Egér	0	1	2	0	8., 55
malac	2	2	2	2	17, 28, 60, 61, 66
Vadászmenyét	2	2	2	1	18, 65, 67, 105
Patkány	0	0	2	0	11.
Zebrafish	u	2	u	u	12.

Pontszám: 0, nincs CF elváltozás; 1, enyhe CF elváltozások; 2, súlyos CF elváltozások.
u, ismeretlen.

CF hasnyálmirigy-betegség

A betegeket hat különböző csoportba sorolják, azok alapján CFTR mutációk 29-31. Az I., II., III., IV. És VI. Osztályba tartozók olyan mutációkkal rendelkeznek, amelyek miatt a CFTR gyakran hiányzik vagy nem működőképes, és általában hasnyálmirigy-elégtelenek (PI), ami egész életen át tartó hasnyálmirigy-enzim-pótlást igényel. A CF betegek kb. 85% -a tartozik ezekbe az osztályokba, míg a többi, vagy az V. vagy az enyhe IV. Osztályba tartozók általában kevésbé hasnyálmirigy-elégtelenek (PS), a kevésbé súlyos CFTR mutációk 5. Természetesen azok, akik PS-nek számítanak, nem kerülik el teljesen a hasnyálmirigy-betegséget. A hasnyálmirigy pusztulása továbbra is kimutatható, amit a szérum immunreaktív tripszinogén emelkedett szintje bizonyít, de gyakran klinikailag nem éri el azt a pontot, hogy befolyásolja a normális emésztést 32. Érdekes módon a PS-ben szenvedő CF-betegek hajlamosak az akut és/vagy krónikus hasnyálmirigy-gyulladás visszatérő rohamaira a 33-35-ös PI betegekhez képest, ami a hasnyálmirigy-csatornák tartósan részben károsodott működésére utal. Genetikai vizsgálatokkal bebizonyosodott, hogy az akut hasnyálmirigy-gyulladás és a mutációk között jelentős összefüggés van CFTR, ami nem meglepő, a CFTR kulcsfontosságú szerepe alapján a hasnyálmirigy ductalis váladékában 36 .

Exokrin hasnyálmirigy-elváltozások a CF állatmodelljeiben

Egér modellek

Bár a CF-nek több egérmodellje is van, a legjobb modellek csak enyhe exokrin hasnyálmirigy-betegséget érnek el 7, 8. Folyékony étrenden tartott idős CF egerek szerény hasnyálmirigy-megbetegedést mutattak, amelyet a hasnyálmirigy-csatornák dilatációja inspirált váladékkal, enyhe gyulladással és acináris atrófiával 55 jellemez. Néhány tanulmány is beszámolt a hasnyálmirigy változásairól Cftr tm1Unc egerek elválasztva és folyékony étrenden tartva őket. Ezeknek az egereknek alacsonyabb volt a hasnyálmirigy-súlyuk és csökkent a lipázaktivitásuk, valamint az acini enyhe dilatációja és a zymogen felhalmozódása volt az 56, 57 csatornákban. Hasonlóképpen egy másik CF egér modell, Vö. Tm1CAM egereknél a hasnyálmirigy-csatornák körülbelül felét bedugták, de ez még mindig meglehetősen enyhe kóros megállapítás volt, az embereknél tapasztalt progresszív pusztulás hiányával 58. Újabban egy tanulmány kimutatta, hogy a polietilén-glikollal 400 vízben táplált CF egerek megnövelték a Muc6 expresszióját a hasnyálmirigyben, egy mucin, amely szintén bőségesen növekszik az emberi CF betegség 59 során. A CF egér modelleknél a hasnyálmirigy patológiájának relatív hiányát elméletileg alacsonyabbnak köszönheti Vö expresszió a hasnyálmirigyben és esetleg alternatív szekréciós csatornák jelenléte, amelyek kompenzálják a CFTR 7 elvesztését .

Sertés modellek

A CF sertésmodelljeiben null, ΔF508 szerepel CFTR mutánsok és CFTR -/-; Tg FABP> pCFTR vonalak. A Tg FABP> pCFTR vonal lehetővé teszi a transzgén expresszióját CFTR cDNS a bél zsírsavkötő fehérje (iFABP) ellenőrzése alatt, amely helyreállítja a CFTR expressziót specifikusan a belekben, enyhítve az újszülött bélelzáródás előfordulását 9, 21, 60. A sertéseknek külön csatornarendszere van, amely a hasnyálmirigy és az epe váladékát a duodenumba szállítja. Ez az előny lehetővé teszi mind a hasnyálmirigy, mind a máj szekréciójának fiziológiai vizsgálatát külön-külön a CF-betegség alatt 61. A CFTR újszülött malacok hasnyálmirigy-ductalis hámsejtjeiben lokalizálódik, hasonlóan az emberhez 61, 62 .

Görény modell

Zebrafish modell

A közelmúltban egy zebrafish CF modellről számoltak be a 12, 13 nagyobb állatfaj alternatívájaként. A zebrafish kis mérete elősegíti a kezelést és az elhelyezést, és viszonylag gyors genetikai és/vagy kémiai szűréseket is lehetővé tesz, amelyek nehezebbek a nagyobb állatmodellekben. A zebrafish expresszálja a CFTR-t a hasnyálmirigyben lévő csatornák apikális membránján és annak elvesztése CFTR funkció hasnyálmirigy pusztulást eredményez 12. Beszámoltak arról, hogy a megtermékenyítés után 10 nappal (míg a zebrafish-t lárvának tekintik) a mutánsokban fokozott a halálozás; a megtermékenyítést követő 16. napon nyilvánvaló az exokrin hasnyálmirigy-szövet elvesztése, a megtermékenyítés utáni 22. napig pedig az exokrin szövetek elvesztése. A felnőtt CF zebrafish (a megtermékenyítést követő 3 hónapban) jelentősen elpusztítja a hasnyálmirigy-acinit csatorna dilatációval és periodikus sav-Schiff (PAS) -pozitív nyálkával, neutrofil infiltrációval és markáns fibrózissal 12 (1I, J ábra).

Endokrin hasnyálmirigy elváltozások a CF állatmodelljeiben

Egér modell

A PI kockázati tényező a CFRD kialakulásában emberben. A CF egereknek nincs súlyos exokrin betegségük, és spontán nem is fejlődik ki CFRD 37, 68, 69. Eszerint CF egereket alkalmaztak a CFRD lehetséges következményeinek tanulmányozására, különösen az immunrendszerre és a pulmonális működésre, cukorbetegség kiváltásával streptozotocin alkalmazásával, amely a hasnyálmirigy β sejtjeire mérgező vegyi anyag 68, 69 .

Sertés modell

Születéskor úgy tűnik, hogy a CF sertések endokrin hasnyálmirigye megkímélte a környező exokrin pusztulástól 20, 28. A sertések szigeteinek mélyrehatóbb elemzése a magzattól az 1 éves korig arra a következtetésre jutott, hogy a szigetek szerkezete az idő múlásával sértetlen maradt, az inzulin-immunreaktív szigetek preferenciális lokalizációjával a maradék lobularis szövetre (2A. Ábra). Ennek ellenére sem az inzulin, sem a glükagon termelő sejtek sejtsűrűségében nem volt különbség 66. Mindazonáltal az újszülött malacok vércukorszintjében és inzulinszekréciójában rendellenességeket azonosítottak, ami szekréciós hibára utal, amelyet a CFTR. Az újszülött CF malacok kórosan alacsony inzulinszekrécióval és emelkedett szérum glükózzal rendelkeznek iv. bolus glükóz kihívás. A felnőtt CF sertések vércukorszintje a kontrollokhoz képest magasabb volt, ami azt jelzi, hogy spontán hiperglikémia alakul ki 66 .

Görény modell

Zebrafish modell

A zebrafish modell figyelemre méltó endokrin hasnyálmirigy-dezorganizációval rendelkezik, amint arról Navis beszámolt et al 12. A CF zebrafish-szigetek megváltoztatták az inzulin- és glükagonfestés térbeli eloszlását a szigeteken belül, és a szigetek kisebbek és nagyobbak a vad típusú testvér-kontrollokhoz képest 12 .

A hasnyálmirigy-betegség kapcsolata a gyomor-bélrendszeri betegséggel CF-ben

Az 1930-as években, még mielőtt a CF-t felismerték volna, beszámoltak hasnyálmirigy-elégtelenségről, steatorrhoea-ról, A-vitamin-hiányról és a gyermekek boldogulásának sikertelenségéről, amelyek boncolásakor számos esetben súlyos exokrin hasnyálmirigy-betegségre utaló jelek voltak, 19, 20, 70-74. Számos ilyen jelentésről azt gondolják, hogy másodlagosak a CF 75-nél. Manapság a CF ezen megnyilvánulásai közül sok már történelem, mivel a hasnyálmirigy-elégtelen CF-es betegeket ma már napi hasnyálmirigy-enzim-pótlással kezelik 76. A roncsolás és a megváltozott váladék kombinációja a CF hasnyálmirigyben klinikai PI-t okozhat, ami szükségessé teszi az enzim kiegészítést. Ezenkívül a hasnyálmirigy és más szövetek, például a Brunner mirigyek és az epe csökkent bikarbonátszintje csökkenti a pH 5, 77, 78 értéket. Az alsó duodenális pH korlátozza számos hasnyálmirigy-enzim aktiválódását a duodenumban, és epesavak kicsapódásával, a bélelzáródás kialakulásával és a hasnyálmirigy-gyulladásra való hajlammal jár együtt. 5, 36, 79 .

A hasnyálmirigy-betegség és a tüdőbetegség kapcsolata CF-ben

A CFRD közvetlenül kapcsolódik a tüdőbetegség súlyosságához is. A CF betegek kb. Felénél 30 éves korig alakul ki CFRD, és ez a társbetegség a 42, 43, 85 CF betegeknél a pulmonalis funkció csökkenésével is jár. A tüdőfunkció csökkenését gyakran a CFRD diagnosztizálása előtt azonosítják, és ezek a csökkenések arányosak a 42, 44 inzulinhiány súlyosságával. Érdekes, hogy az általános populációban (akiknek nincs CF-je) cukorbetegek csökkentek a tüdőfunkcióik (2–4% -kal alacsonyabbak) a nem cukorbetegekhez képest, ami további közvetlen összefüggésre utal. A cukorbetegséget összefüggésbe hozzák a restriktív tüdőfunkcióval, amely valószínűleg mechanikusan a megnövekedett gyulladásnak köszönhető 93. A cukorbetegség az immunrendszer normál működését is befolyásolja, ami kifejezetten a komplementrendszer hiányaihoz, a természetes gyilkos sejtek és a neutrofilek aktivitásának csökkenéséhez és a 94-98 limfociták csökkent válaszához vezet. Az inzulinhiány a katabolikus állapot és az alultápláltság elősegítésével alultápláltsághoz vezet, ismert, hogy (a) károsítja a tüdő működését az izomtömeg csökkentésével, különösen a rekeszizom és a bordaközi izmok 44, 99, 100, és (b) közvetlenül befolyásolja az immunállapotot 101 .

A hiperglikémia befolyásolhatja a tüdő működését, és a cukorbetegség patkánymodellje azt mutatta, hogy változások vannak a kötőszövet szintézisében és forgalmában, ami a pulmonalis septum falainak megvastagodásához vezet 102. A CFRD tüdőfunkciójának másik mechanizmusa a baktériumok hibás kiürülése a tüdőben 103. A CFRD következtében megnövekedett glükózszint a légutakban fokozott baktériumok szaporodását eredményezte in vitro a normál glükózszinttel rendelkező tenyészetekhez képest 103. Ez érdekes, mivel el lehet képzelni, hogy a tüdőfunkció bármilyen csökkenése megnő a CF-ben szenvedő, tüdőbetegségben szenvedő betegeknél 44, 46 .

Állatmodellekben beszámoltak arról, hogy a streptozotocinnal kezelt CF egerek csökkent képességgel képesek eltávolítani a baktériumokat a tüdőből, és hogy fokozott, de kevésbé hatékony tüdőgyulladásos sejtválaszuk van 68, 69. Érdekes továbbá, hogy az újszülött CF görények rosszul szabályozták a vércukor- és inzulinszintet 18, miközben a baktériumok kolonizációja előtt fokozott gyulladásos választ mutatnak a tüdőben 104. Továbbá a tüdeje CFTR- a kieső görényeket a baktériumok nagyon gyorsan kolonizálják, több antibiotikumra van szükségük felnőttkorukig történő nevelésük alatt, és gyorsan fejlődő hasnyálmirigy-betegségük is van, amely befolyásolja a glükóz anyagcseréjét 18. Azt, hogy ezek a tüdőgyulladással és fertőzéssel kapcsolatos megfigyelések összefüggenek-e a hasnyálmirigy-gyulladás és az endokrin diszfunkció súlyosságával, még meg kell határozni. Kimutatták, hogy a cukorbetegség során fellépő hiperglikémia gátolja a leukociták működését, ezért hozzájárul a gazdaszervezet védekezésének csökkenéséhez a fertőzések során, beleértve a 106, 107 tüdőét. Mindezek az eredmények arra utalnak, hogy a korai és tartós inzulinkezelés és táplálékkiegészítés előnyös lehet a CF-betegek számára, még a klinikailag nyilvánvaló CFRD 108-110 megjelenése előtt is .

Jövő irányok a CF állatmodelljeihez

Köszönetnyilvánítás

Köszönjük az Iowai Egyetem összehasonlító patológiai laboratóriumának a szövettani szolgáltatásokat, valamint Dr. Michel Bagnat és Elsevier számára, hogy lehetővé tették számunkra a zebrafish pancreata ábrájának bemutatását. Ezt a tanulmányt támogatta az Országos Szív-, Tüdő- és Vérintézet (HL51670, HL091842 és HL123482 támogatásszám), az Országos Cukorbetegség és Emésztőrendszeri és Vesebetegségek Intézete (P30 DK054759 és R24 DK096518 támogatásszám) és a Cisztás Fibrosis Alapítvány.

Szerzői hozzájárulások

A KNGC, a DKM és a JFE kidolgozta a koncepciót, elkészítette a kéziratot, elkészítette az ábrákat, szerkesztette és átdolgozta a kéziratot, és jóváhagyta a végleges verziót.