文摘
由于当前改善胰岛细胞分离技术和移植免疫抑制剂和协议,胰岛移植已成为有效治疗严重的糖尿病患者。许多糖尿病动物模型导致了这样的改进。在本文中,我们专注于3种模型有不同的机制诱导糖尿病(DM):模型引起的药物包括链脲霉素(STZ), pancreatomized模型,由于自身免疫和自发的模型。STZ-induced糖尿病是一种最常用的实验性糖尿病模型和采用使用许多标本包括啮齿动物,猪和猴子。STZ管理模型建立了胰岛的研究。Pancreatomized STZ-induced模型相比,模型揭示不同方面的损失函数增减的血糖,因此可用于评估总Pancreatomized病人状况。自发模型是有用的临床前研究,包括免疫抑制剂因为这样的模型的评估涉及相同的机制1型糖尿病在临床设置。在结论中,胰岛人员应该选择合适的糖尿病动物模型研究的目的。
1。介绍
胰岛移植的细胞替代治疗严重的糖尿病(DM),包括1型DM,有着悠久的历史。1967年,花边和Kostianovsky孤立小岛建立了一个方法使用胶原酶(从大鼠胰腺1]。组织还首次成功地移植胰岛intraportal和逆转糖尿病大鼠模型(2]。在临床设置,人类胰岛异体移植术的首次成功试验了匹兹堡大学在1990年,和五个胰岛移植后患者实现了没用胰岛素条件(3]。夏皮罗和他的同事们可以显著改善胰岛移植的结果使用“埃德蒙顿协议”基于多个与前者移植免疫抑制方案(2000年4]。临床胰岛移植近期的数据显示,50%的病人胰岛素独立实现5年(5]。这是很大的进步因为没用胰岛素只有10%的利率在1990年代末(6]。许多研究已经完成改善胰岛移植的成功和在未来将继续做。
动物模型的DM胰岛研究作出了重要贡献,并评估人类临床胰岛移植胰岛分离。良好的血糖控制的主要目标是研究胰岛。评估改善胰岛功能和免疫抑制剂的药物保护胰岛移植的免疫系统正在朝着这个目标进展的好例子。本文我们介绍一些动物模型的DM,并澄清为什么和应该如何使用模型,基于我们的经验和出版物。
2。动物模型的DM胰岛的研究
2.1。动物模型的DM的历史
动物实验有很长的历史在糖尿病领域的研究,包括胰岛的研究。动物模型的DM分为自发或二级(药物、pancreatectomized和生物分子方法)。最早的动物模型的DM pancreatomized狗是用来评估肠道功能在1880年代,和许多pancreatomized动物模型(兔子和狗)用于糖尿病的研究包括胰岛素的净化7]。
尽管pancreatomized模型建立了大约100年前,药物引起的模型也有悠久的历史。四氧嘧啶是一种嘧啶衍生物,合成维勒于1838年(8),它被认为是代表糖尿病药物诱导坏死的内分泌β细胞在1940年代9,10]。第一个报告链脲霉素(STZ: N-nitroso葡萄糖胺的导数),最方便的药物诱导糖尿病,出版于1963年(11]。STZ用作癌症化学治疗剂是基于抑制DNA合成,像四氧嘧啶,已被用于制作动物模型的DM (12]。
自发性糖尿病动物模型在1970年代第一次描述了。nonobese糖尿病(NOD)小鼠,称为1型DM模型,建立了由雌性老鼠牧野集团来自JcI-ICR应变发展白内障(13]。育种学(BB)大鼠,建立了描述的生物育种实验室和197414),也是一个1型糖尿病的动物模型。这些模型的小岛患有自身免疫性攻击T细胞,B细胞,巨噬细胞和自然杀伤细胞,诱导胰岛炎,最后导致胰岛损失(15- - - - - -19]。这反映了1型糖尿病的发病机制,和这些模型已用于许多关于这种疾病的研究。药物引起的糖尿病模型类似于自发的1型DM模型的小岛和胰岛素缺乏内部的损失,但机制不同:自身免疫的参与是后者类型的一个特色。
另一方面,有许多2型DM包括动物模型ob / ob老鼠在1949年(20.),db / db老鼠在1974年(21),fa / fa1989年(Zunkar)大鼠(221976年],Goto-Kakizaki老鼠(23),大冢Long-Evans德岛脂肪OLETF大鼠在1992 (24]。他们中的许多人是肥胖动物模型,它们有助于澄清肥胖和2型糖尿病之间的关联。ob / ob老鼠和fa / fa老鼠有高胰岛素血症和胰岛素抵抗时体重增加(7),反映了人类肥胖的状况。最近,澄清,缺乏瘦素抵抗,16 kDa蛋白激素起着关键的作用在调节能量摄入和能量消耗,导致肥胖的发展ob / ob老鼠(这是一个模型的ob基因缺陷)(25),fa / fa老鼠,db / db老鼠(leptin-resistant模型由于突变的瘦素受体)(26,27]。
转基因动物模型已用于糖尿病研究自1990年代以来,这样的模型揭示了许多基因与糖尿病相关的角色包括1型和2型DM。胰岛素受体基因敲除小鼠有严重的高血糖症和新生儿死亡的酮症酸中毒28]。此外,胰岛素受体底物(IRS),这是一个重要的胰岛素反应配体,函数根据不同类型的动物。例如,IRS1基因敲除小鼠有轻微的胰岛素抵抗normoglycemia [29日),而IRS2基因敲除小鼠减少患有严重的高血糖和胰岛素抵抗的细胞群(30.,31日]。这些发现可以理解一些2型DM患者normoglycemia或轻度高血糖,而其他人则严重的高血糖。
许多动物模型的DM已经开发和选择取决于研究(表的目的1)。在胰岛移植研究中,STZ-induced糖尿病动物主要是使用,而自发的和pancreatomized模型也可以。
2.2。STZ-Induced糖尿病胰岛移植模型
2.2.1。背景
STZ,白色粉末的分子量265.221克/摩尔,是glucosamine-nitrosourea化合物。STZ导致毒性细胞损害DNA和其他机制。一个是激活多adp核糖基化,这可能是更重要的比DNA损伤诱导的DM (32]。STZ类似于葡萄糖,它是运输细胞的葡萄糖转运蛋白GLUT2,但不认可其他葡萄糖转运蛋白。因此,细胞相对高水平的GLUT2 [33,34]。这就解释了具体的STZ毒性细胞。在1970年代早期,花边和他的合作者首先执行实验胰岛移植与STZ-induced DM大鼠(35,36]。STZ不仅老鼠也很多其他哺乳动物包括鼠标(37],猴子[38),和狗39]。从那时起,STZ-induced糖尿病模型用于胰岛的研究。
2.2.2。诱导DM的剂量和方法
的剂量STZ不同(表根据动物种类和压力2)[40- - - - - -87年]。例如,需要更高的剂量STZ诱导糖尿病小鼠与其他动物相比。在ICR小鼠DM可以诱导相对低剂量(90 - 150毫克/公斤),C57BL / 6小鼠需要大约200毫克/公斤剂量STZ [40,42- - - - - -48]。免疫缺陷小鼠,往往需要剂量STZ低于其他野生型菌株。例如,NOD-SCID小鼠诱导DM与120 - 140毫克/公斤剂量STZ [88年- - - - - -90年]。STZ注入是用两个方法:一个注入和多个注射低剂量。连续低剂量注入已经使用在许多研究中,特别是这些使用啮齿动物49- - - - - -57]。单一注射的优点是它的便利(只有1注入),但这种方法诱导的糖尿病模型是不稳定的糖尿病状态,和突然死亡造成大约10% -20%的动物由于海拔血糖和STZ的毒性。另一方面,低剂量多次注射的方法可以实现高血糖没有或极少死亡病例(91年]。认为低剂量多个注入模型优于单一注射模型的安全。腹腔内(i.p)注入往往是用于啮齿类动物而静脉注射(注射)用于更大的动物,因为ip比输液容易在啮齿动物静脉输液的优点是直接注射STZ没有损失相比STZ i.p。因此输液注射能引起糖尿病患者较低剂量的ip,因为需要更多的时间来吸收STZ i.p。之前,一些STZ是灭活的吸收。静脉输液的剂量STZ是大约90%的ip在以前的出版物(表1)。柠檬酸缓冲液pH值在4.5已经作为溶剂在很多研究中因为STZ仍然稳定在低pH值(表2),但是使用生理盐水没有问题如果STZ溶解后立即使用。
2.2.3。我们的DM使用STZ诱导的方法和讨论为胰岛移植STZ-Induced DM模型
STZ (Sigma-Aldrich有限公司LLC,圣路易斯,密苏里州,美国)必须存储在冰箱(−20°C条件下),因为它不稳定。为了防止失活,我们把20毫克STZ分成1.5毫升离心管使用前。的一些划分STZ每管老鼠(3 - 4),1毫升注射器29-gauge针,一个冰盒碎冰,溶剂(柠檬酸缓冲溶液,0.09米,pH4.8 (Sigma-Aldrich)或生理盐水),准备和18-gauge针治疗(图1(一))。STZ管应该放在冰直到溶解。首先,老鼠尾巴上都标有和测量体重,最后卷STZ解决方案的决定。我们与STZ诱导糖尿病200毫克/公斤体重。20毫克STZ与1毫升溶剂溶解(浓度为20毫克/毫升)。我们粉碎了大集群的STZ 18-gauge针轻轻摇晃然后溶解(数字1 (b)- - - - - -1 (e))。诱导糖尿病的老鼠体重20克,例如,200μL (STZ解决方案是必要的。STZ溶液溶解后应尽快使用,因为STZ致糖尿病的活动却降低了溶剂(92年]。注射应该解散后10分钟内完成。对于i.p。,the STZ solution is injected via the lower abdomen with care taken to prevent organ injury (Figure1 (f))。在注射的情况下。,STZ solution is injected via a tail vein. Tail veins are located at the dorsal and left and right sides of the tail. After dilating the tail vein by warming, the 29-gauge needle is inserted in the upper 1/2~1/3 of the tail and the STZ solution is injected slowly (Figures2(一个)和2 (b))。完成注射后,针被移除而紧迫的一部分穿刺与STZ拇指防止泄漏解决方案(图2 (c))。注射STZ后,我们每天检查血糖,小鼠的血糖超过350 mg / dL连续两个测量被认为是DM小鼠适合胰岛移植。我们的数据显示,160毫克/公斤的影响通过静脉输液注射STZ等于200毫克/公斤的注射STZ通过ip在血糖水平(图3)。实现高血糖的利率(超过350 mg / dL)在BALB / c小鼠58.8% (33.3% - -70%,通过ip方法)和81.8% (80% - -83.3%,由静脉输液方法)。在我们看来,糖尿病胰岛移植研究模型应该严重高血糖因为老鼠有轻度高血糖(低于300 mg / dL)可以显示normoglycemia根据测量时间,和很难确定normoglycemia是由于原始受体小鼠的胰腺内分泌功能或由于胰岛移植。禁食并不是必须的,但血糖的测量应该同时防止摄入的影响。我们测量血糖从6到10点。下午下午被排除在外,因为血糖往往高于在早上。我们定义normoglycemia低于200 mg / dL血糖,因为它是上层的血糖在正常范围(治疗)的老鼠。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(一)
(b)
(c)
2.3。Pancreatomized糖尿病胰岛移植模型
Pancreatomized动物是最古老的DM模型。这个模型被认为是和用作1型DM模型由于胰腺的消除细胞。这个模型的区别和1型糖尿病血糖的稳定:1型DM模型缺乏胰岛素释放但保护其他激素功能,增加血糖(即。胰高血糖素)。Pancreatomized糖尿病动物被用作胰岛自体移植模型。明尼苏达州集团1976年在猪胰腺切除术和胰岛自体(93年]。这个群体也表现胰岛自体pancreatomized狗和成功地实现normoglycemia同时[39]。他们的成功之后,许多实验模型的全胰切除术使用狗与胰岛自体发表在1970年代和证明治疗的有效性94年- - - - - -96年]。这些研究结果有助于临床试验总与胰岛自体移植对慢性胰腺炎胰腺切除术(97年]。大型pancreatomized动物模型也被用于低温贮藏小岛的评价98年- - - - - -101年)和最佳移植网站(102年- - - - - -107年]。大pancreatomized糖尿病动物模型不仅胰岛自体移植研究,也用于allotransplant研究。许多团体进行免疫抑制剂包括环孢霉素使用的有用性胰岛allotransplanted狗(108年- - - - - -110年)和猪模型(111年]。Pancreatomized糖尿病大型动物也被用于研究生物人工胰腺(即。,islet encapsulation technology using high molecular compound to prevent from immune attack) in allo- and xenotransplantation [112年- - - - - -118年]。大型pancreatomized胰岛移植动物模型,包括猪、狗和猴子,被认为是临床前评价模型和倾向于选择一些治疗方法在临床设置。
最近的用途之一是评估pancreatomized模型胰腺切除术后细胞再生。胰腺切除术超过70%引发一些胰腺regeneration-related因素如胰腺和十二指肠同源框1 (PDX1)和neurogenin-3 (Ngn3)造成的再生细胞在动物模型中(119年- - - - - -121年]。最近,容格和他的同事发现的再生残留胰腺的细胞可以检测到BALB / c小鼠胰腺切除术70%,以及再生的影响更加突出在pancreatomized小鼠胰岛自体(122年]。有趣的是,在残留胰腺胰岛群众增加更大的Ngn3表达式和BrdU(增殖标记)和低表达的TUNEL (pancreatomized小鼠胰岛细胞凋亡标记)自体pancreatomized相比没有移植的小鼠。他们得出的结论是,胰岛素释放诱导胰岛移植胰岛的作用对残余胰岛增殖和凋亡的影响。Pancreatomized动物是一个古老的糖尿病模型,但仍是重要的和有用的临床前试验胰岛移植和理解DM的机制,包括胰岛再生。
2.4。自发的1型糖尿病患者胰岛移植模型
自发的1型糖尿病动物模型是有用的了解1型DM因为这个模型有自身免疫机制,导致中胰岛损伤这样的1型糖尿病患者。一般来说,很难研究这种疾病在人类也难以分析发现接受胰岛移植的病人因为道德考虑123年]。这也是一个可靠的模型,分析了诱导移植耐受(124年)和宽容的特殊问题由自身免疫诱导(125年]。代表自发性糖尿病模型BB鼠和老鼠点头。
机制诱导糖尿病NOD小鼠胰岛炎,这是在出生后4到5周,堂和结果大约有90%的女性和60%的男性发展中DM 7个月大时(123年]。点头老鼠的特点是许多异常的自身免疫调节性T细胞在免疫系统包括缺陷,也出现在人类在1型DM (123年]。调节性T细胞维持免疫耐受的作用。因此,认为调节性T细胞缺陷导致他们对公差在胰岛移植126年]。1型DM模型,点头的老鼠已经用于许多免疫抑制剂的评估。
第一个成功的政权胰岛移植的免疫抑制剂的结合是一个anti-interleukin (IL) 2单克隆抗体daclizumab感应,钙调磷酸酶抑制剂他克莫司和哺乳动物雷帕霉素靶(mTOR)抑制剂西罗莫司对于维护称为埃德蒙顿协议在2000年(4]。政权的效用被迈阿密组与动物研究证明使用点头老鼠[127年]。这组执行使用糖尿病NOD小鼠胰岛异体移植术,证实他克莫司和西罗莫司能延长移植物存活(超过100天在受体小鼠的28.6%)和一个组合的三个代理能达到更好的移植物存活率在75%)(超过100天。明尼苏达州组检查的有效性antithymocyte球蛋白(ATG)和抗肿瘤坏死因子(TNF)α受体抑制剂道感应作为单一的新型政权的供体移植和达到62.5%没用胰岛素在移植后1年128年]。最近,他们评估一种新的免疫抑制剂政权使用货代不具约束力anti-CD3抗体或T cell-depleting抗体和TNF -α抑制剂通过比较收件人参与协作的胰岛移植注册表和显示组合可能导致一个没用胰岛素的5年(大约50%)(129年]。这些新的免疫抑制剂同时进行使用由许多团体点头老鼠。Vergani和同事相比ATG治疗与细胞毒性t淋巴球4抗原和抗体(CTLA4-Ig)和免疫抑制剂BALB / c小鼠胰岛移植的点头老鼠和显示延长移植物存活(130年]。Anti-CD 3单克隆抗体已被证明是有效地抑制自身免疫。Baeke和他的同事们发现anti-CD3单克隆抗体的结合,ciclosporin,和维生素D延长移植物存活在胰岛allotransplanted糖尿病NOD小鼠通过减少T细胞和增加调节性T细胞(131年]。此外,Mamchak和他的同事们证明anti-CD3单克隆抗体治疗口腔摄入胰岛素改善糖尿病NOD小鼠的血糖水平增加调节性T细胞和减少T细胞,表明抑制自身免疫的132年]。
在临床胰岛移植成功,有必要控制紧密相联的,自身免疫。点头老鼠适合评估的影响这两种类型的胰岛移植的免疫。
3所示。结论
总之,许多糖尿病动物模型被用来评估治疗干预措施的影响胰岛移植的结果。所有的动物,我们提到模型与胰岛功能的不足,但他们的机制诱导DM明显不同,和,因此,重要的是要选择模型根据研究的目的。
利益冲突
在任何公司不存在利益冲突。
承认
作者感谢Masafumi Goto教授与他的合作者的技术支持与静脉注射STZ诱导糖尿病。这项研究支持从教育部科学研究补助金,文化,日本体育科技(B: 22390253 s Egawa),具有挑战性的探索性研究:24659582和C: 22591513 (n .坂田),武田科学基金会,Gonryo医学基金会Suzuken纪念基金会(n .坂田),和网络医学Global-COE程序从教育部,日本文化、体育科学与技术(m .班次)。