Метаболический синдром (МС) представляет собой комплекс патологических состояний, критериями которого, согласно National Cholesterol Education Program-Adult Treatment Panel III, являются три или более из следующих нарушений: абдоминальное ожирение, гипергликемия натощак, гипертриглицеридемия, гипертензия, низкий уровень холестерина ЛПВП [17]. Наиболее распространена точка зрения о роли инсулинорезистенности как механизма, запускающего весь каскад метаболически взаимосвязанных нарушений МС [4]. Важную роль в развитии и прогрессировании инсулинорезистентности и связанных с ней метаболических расстройств играет жировая ткань абдоминальной области [1]. Жировая ткань секретирует пептидный гормон лептин, который представляет собой центральный регулятор массы жира в организме, функционирующий путем снижения количества потребляемой пищи и увеличения расхода энергии. Помимо этого он может быть вовлечен в индукцию резистентности к инсулину, возможно через периферические механизмы действия [5]. Снижение концентрации лептина или нарушение передачи его сигнала в клетки ведет к развитию ожирения и сопровождает развитие метаболического синдрома [2].
Высокий процент заболеваемости МС обусловливает повышенный интерес исследователей к его моделированию, поиску причин его возникновения и разработке новых методов лечения. Наиболее часто в качестве экспериментальных моделей используются животные с каким-либо генетическим дефектом, приводящим к развитию различных патологических изменений, характерных для МС у людей [3]. В настоящем обзоре мы предприняли попытку систематизировать генетические модели метаболического синдрома, разработанные для мелких лабораторных животных (мышей и крыс), в отношении реализации сигнала лептина. Нарушение реализации биологического действия лептина может быть следствием мутации генов лептина, что приводит к его дефициту, а также резистентности к нему, которая является результатом мутации генов, кодирующих рецепторы лептина. Лептин индуцирует чувство сытости, и, таким образом, отсутствие действия лептина у этих животных вызывает гиперфагию и последующее ожирение. К наиболее изученным моделям с дефицитом лептина или его рецепторов относят мышей линий Lepob/ob, LepRdb/db, а также крыс линий Zucker fatty rats, Zucker Diabetic Fatty rats, подштаммы Spontaneoulsy hypertensive rats, а также DS/obese rats [13].
Линии мышей Lepob/ob (C57BL/6J-ob/ob) имеют моногенные аутосомно-рецессивные мутации в гене лептина на 6-ой хромосоме [15]. У них развивается ожирение, гиперинсулинемия и гипергликемия после 4-недельного возраста. Нарушение толерантности к глюкозе было найдено после 12-недельного возраста, гипертрофия левого желудочка со снижением функции сердца была отмечена на 24 неделе, фиброз сердца установлен после 20-недельного возраста, а стеатоз печени обнаружен в возрасте 12 недель. В отличие от людей с метаболическим синдромом, эти мыши показали снижение артериального давления и отсутствие дислипидемии [15 ].
Мыши линии LepRdb/db (C57BL/KsJ-db/db) унаследовали аутосомно-рецессивную мутацию в гене рецептора лептина, присутствующего на хромосоме 4 [15]. Масса тела у этих животных повышалась после 6-недельного возраста, а концентрация глюкозы в крови натощак после 8 недель жизни. Увеличение содержания триглицеридов, общего холестерина и неэтерифицированных жирных кислот в плазме крови происходило вместе с уменьшением соотношения ЛПВП/ЛПНП старше 13-недельного возраста. Гиперинсулинемия и нарушение толерантности к глюкозе наблюдались после 12-недельного возраста. В этом же возрасте в сердце развивались как инфильтрация с воспалением, так и фиброз, отмечалась дисфункция сосудистого эндотелия, но изменений артериального давления не обнаружено. Стеатоз печени развивался после 20-недельного возраста [15].
Метаболические профили мышей линий Lepob/ob и LepRdb/db почти идентичны. Обе модели характеризуются наличием ожирения, гиперинсулинемии, гипергликемии, и имеют повышенный общий уровень холестерина. Кроме того, в обеих моделях отмечали нарушение размножения (бесплодность) и работы гормонального тракта гипоталамус-гипофиз-кора надпочечников и щитовидной железы. Основное различие между двумя моделями заключается в том, что у мышей LepRdb/db повышена концентрация в крови циркулирующего лептина, которая пропорциональна их степени ожирения, в то время как у Lepob/ob мышей отсутствует в крови циркулирующий лептин [15]. Поэтому LepRdb/db модель может быть использована для выяснения влияния лептина на различные типы клеток.
В настоящее время наиболее известной животной моделью для изучения метаболического синдрома являются крысы линии fa/fa Zucker fatty rats (ZFR, Leprfa) [8]. У этих грызунов обнаружена мутация гена рецептора лептина на 5 хромосоме, что приводит к снижению связывания лептина с поверхностью рецептор-экспрессирующих клеток (без изменения сродства к лептину) и к развитию устойчивости к лептину в головном мозге, вследствие чего у них развивается гиперфагия и ожирение уже на 4-ой неделе их жизни. Эти нарушения сочетаются с небольшой гипергликемией, резистентностью к инсулину, гиперинсулинемией, гиперлипидемией и умеренной гипертензией [18]. Островки Лангерганса гипертрофированы, их количество увеличено. Кроме того, у животных фиксируется поражение почек. В плазме крови этих крыс повышено содержание холестерина, жирных кислот и триглицеридов, а в печени обнаружена гиперпродукция липопротеинов. Увеличение концентрации триглицеридов в крови связано с накоплением ЛПОНП, а увеличение холестерина крови связано с его увеличением во фракциях ЛПОНП и ЛПВП [18].
Крысы линии Zucker diabetic fatty rat (ZDF) избирательно инбредные к гипергликемии и являются подштаммом линии ZFR. Они несут аутосомно-рецессивный дефект транскрипции β-клеток, что наследуется независимо от мутации гена рецептора лептина (Lepr). Ген, ответственный за дефект не был определен, но этого дефекта недостаточно, чтобы вызвать диабет, и только в сочетании с мутацией гена Lepr он может привести к гипергликемии [21]. Крысы линии ZDF менее страдают ожирением, но больше инсулинустойчивы, чем крысы ZFR. Мужские особи более склонны к развитию диабета, который развивается, как правило, на 7-10 неделе после рождения. У женских особей отмечены ожирение, резистентность к инсулину, но без развития диабета [18]. У ZDF-крыс гипергликемия, гиперинсулинемия и гипертриглицеридемия развиваются после 12-15-недельного возраста наряду с диастолической и систолической дисфункцией. В этот же период жизни у них отмечалось умеренное увеличение систолического артериального давления. В возрасте двадцати недель содержание холестерина в сыворотке крови у ZDF-крыс было в 2.5 раза выше по сравнению с Leprfa штаммом. Альбуминурия в возрасте 31-ой недели сопровождалась утолщением базальной мембраны и клубочковым фиброзом (после 47 недель жизни). Увеличение триглицеридов в печени наблюдалось после 20-недельного возраста [15]. Исследования β-клеток этих крыс показали, что основной дефект состоит в увеличении скорости их апоптоза [18]. Снижение синтеза инсулина и подавление функции транспортера глюкозы GLUT-2 считаются причинами гипергликемии у этих крыс. Снижение транспорта глюкозы также связано с уменьшением уровня GLUT-4 в жировой ткани и скелетных мышцах ZDF крыс [18].
Таким образом, данные модели демонстрируют множество нарушений, характерных для МС [8]. Они могут быть использованы для скрининга эффектов различных инсулин-чувствительных агентов и агентов против ожирения [18]. Крысы линии ZFR могут быть полезны в оценке роли жировой ткани в развитии ожирении и в изучении нарушений лептинового пути передачи сигнала [6]. Однако данные по развитию гипертензии у этой линии крыс являются противоречивыми, что послужило причиной для создания новой модели [8]. Это линия крыс DahlS.Z-Leprfa /Leprfa или (DS/obese rats), выведенная путем скрещивания DS крыс (Dahl salt-sensitive rats) и ZFR крыс, которые имеют мутацию в гене рецептора лептина (Lepr). У DS крыс развивается соль-индуцированная гипертензия, что впоследствии приводит к сердечной недостаточности [9]. У DS/obese крыс, получавших нормальную диету, развивается ожирение, а также гипертония, дислипидемия и резистентность к инсулину [9].
Спонтанно гипертензивные крысы (Spontaneoulsy hypertensive rats, SHR-крысы) - хорошо известная экспериментальная модель для изучения гипертензии, которая также может быть использована как модель инсулинорезистентности. У этих крыс развивается гипертензия, абдоминальное ожирение, гипертриглицеридемия. На основе этого штамма выведены такие линии крыс как спонтанно гипертензивные крысы с ожирением (Obese spontaneously hypertensive rats/Koletsky rats) и SHR/NDmc-тучные крысы (SHR/NDmc-corpulent rats), которые считаются более успешными моделями для создания МС, чем SHR-крысы, поскольку ген рецептора лептина у них выключен [8].
Спонтанно гипертензивные крысы с ожирением (SHROB-крысы, obese spontaneously hypertensive rats/Koletsky rats) - это животная модель с фенотипическими признаками, присущими метаболическому синдрому. Она выведена на основе SHR-крыс и имеет моногенетическое ожирение на гипертоническом генетическом фоне. У этих крыс развивается гипертония, гиперинсулинемия, гиперлипидемия и нефропатия. Ожирение развивается с 5-недельного возраста и связано с мутацией гена рецептора лептина, в результате чего уровень циркулирующего лептина увеличивается в 30 раз, что приводит к гиперфагии и увеличению массы тела. У крыс развивается гиперлипидемия, даже если они содержатся на стандартной диете, что характеризуется заметным увеличением концентрации триглицеридов, умеренным повышением уровня холестерина в плазме крови. Гиперинсулинемия у них сочетается с нормальным или умеренно повышенным уровнем глюкозы в крови. Спонтанная гипертензия развивается с 3-месячного возраста и к 30-ой неделе у них поднимается артериальное давление до 200 мм рт.ст. У SHROB-крыс также обнаружены сосудистые заболевания, особенно артерий брюшной полости, напоминающие атеросклероз сосудов человека [11].
Крысы линии SHR/NDmc-тучные крысы (SHR/NDmc-corpulent rats, SHR-cp) также могут быть использованы в качестве животной модели для изучения метаболического синдрома. Это инбредный подштамм SHR/N-тучных крыс, который демонстрирует развитие таких метаболических изменений, как увеличение массы тела и жировой ткани, вследствие гиперфагии, что сопровождается гипертонией, гипертрофией сердца, сахарным диабетом и гиперлипидемией [8].
Линия крыс Stroke-prone-SHR (SHRSP-крысы) является животной моделью, у которой развивается тяжелая гипертензия и сопутствующие ей расстройства, такие как нефропатия, гипертрофия сердца, атеросклероз и развитие инсульта со 100% смертностью. Как SHR-модель, SHRSP-крысы также используются для моделирования инсулинорезистентности. Однако они весят меньше, чем нормотензивные крысы, и имеют более низкий уровень общего холестерина и жирных кислот в крови [8].
Недавно Hiraoka-Yamamoto J. и др. (2004) создали новую животную модель метаболического синдрома путем введения сегмента мутантного гена рецептора лептина от линии гетерозиготных fa/fa Zucker fatty rats в геном SHRSP-крыс. Новый конгенный штамм SHRSP-fatty (fa/fa)-крысы (SHRSP fatty (fa/fa) rats) отличается развитием гипертонии, ожирения, гиперлептинемии, гиперлипидемии и гиперинсулинемии [10]. Исследованиями Ueno Т. и др. (2008) показаны гистопатологические изменения у этих крыс со стороны сердечно-сосудистой системы, сопровождающиеся утолщением сердечных, сонных, почечных артерий и стенки аорты. У них отмечали гломерулосклероз почек и гиперплазию панкреатических островков. Авторы утверждают, что фенотип SHRSP-fatty (fa/fa)-крыс аналогичен метаболическому синдрому человека [19].
Хотя резистентность к инсулину может быть определяющим в развитии жировой болезни печени, предположили, что и стеатоз печени может играть весомую роль в патогенезе метаболического синдрома и способствовать резистентности к инсулину печени и скелетных мышц [8]. Qi N.R. et al., (2005) создали новую модель крыс Sterol-regulatory element-binding protein-SHR (SREBP-SHR-крысы) путем трансгенной гиперэкспрессии белков, связывающих стеролрегуляторные элементы у спонтанно гипертензивных крыс (SHR-крыс). У крыс данной линии развивается стеатоз печени, гиперинсулинемия, гипергликемия и гипертриглицеридемия в отсутствие ожирения. SREBP-SHR-модель крыс может быть полезна для исследования взаимосвязи жировой болезни печени и метаболического синдрома [16].
Резистентность к лептину может развиваться и в результате дефекта передачи сигнала лептина в клетку, связанного с действием его различных посредников. Центральная система меланокортина является посредником многих действий лептина и играет важную роль в регуляции энергетического гомеостаза [12]. Механизм, посредством которого изменения в передаче сигналов в ЦНС модулируют хранение триглицеридов в печени, опосредован этой системой. Меланокортиновый рецептор 4-го типа (МС4R) экспрессируется в ряде ядер мозга грызунов, которые связаны с нейроэндокринными путями [12]. Изменения в гене рецептора меланокортина 4-го типа (ген MC4R) являются наиболее распространенной моногенной причиной ожирения, которая известна у человека. Кроме того, у мышей, которые дефицитны по меланокортиновому рецептору 4-го типа, отмечаются многие из тех же фенотипических характеристик, что и у людей с мутациями гена MC4R. МС4R-дефицитные мыши имеют синдром ожирения, который характеризуется гиперфагией, гипергликемией, гиперинсулинемией, гипометаболизмом, увеличением мышечной массы и линейного роста. Гиперинсулинемия в этой модели не является полностью зависимой от ожирения, так как у молодых МС4R-дефицитных животных наблюдался повышенный уровень циркулирующего в крови инсулина перед началом ожирения. Несмотря на тяжелое ожирение в зрелом возрасте, МС4R-дефицитные животные не страдают гипертонией. Другой примечательной особенностью MC4R-дефицитных мышей является их повышенная чувствительность к высокому содержанию жиров в питании, что усугубляет гиперфагию, ожирение и гиперинсулинемию. Несмотря на развитие многих типичных признаков МС, очень мало известно о дислипидемии у этой модели. В частности не отмечено изменений в содержании триглицеридов и неэтерифицированных жирных кислот в плазме крови, но наблюдался стеатоз печени [12].
Мыши линии Agouti yellow (А*) (Ау/а-мыши) имеют несколько спонтанных мутаций, влияющих на экспрессию белка Агути, транскрибирующегося агути-геном (А). Белок Агути в норме у грызунов экспрессируется только в меланоцитах и контролирует окраску шерсти. Доминантная мутация Agouti yellow (А*) в локусе агути в хромосоме 2 вызывает повсеместную эктопическую экспрессию белка Агути [6]. Этот белок действует как антагонист меланокортинового сигнального пути, который реализует действие лептина. Такие мыши показывают разную окраску шерсти, возрастное ожирение и инсулинорезистентность за счет гиперфагии и гипоактивности. У особей с ожирением отмечена гипертензия без атеросклеротического поражения. Они являются детородными до 4-х месячного возраста, в отличие от мышей линий Lepob/ob и LepRdb/db [6].
Модель мышей KKAy/a создана на основе линии мышей Kuo Кондо (KK mice, КК-мыши) путем введения гена ожирения Agouti yellow в Kuo Кондо штамм [7]. Таким образом, у этих мышей присутствует ген ожирения и диабетический ген, в отличие от КК-мышей, у которых есть только диабетический ген. У данной модели развивается ожирение в зрелом возрасте, более серьезная гиперинсулинемия и более заметные изменения в панкреатических островках, чем у КК-мышей. Причиной этих изменений является эктопическая экспрессия агути-антагонистического белка-рецептора меланокортина 4-го типа (MCR4) в гипоталамусе. У этой линии мышей панкреатические островки гипертрофированы, а β-клетки дегранулированы, что приводит к резистентности к инсулину [13].
Мыши линии New Zealand Obese mice (NZO-мыши) являются полигенной моделью ожирения, созданной путем селективного скрещивания. У них развивается гиперфагия и ожирение, которое может быть следствием резистентности к лептину, что связано с нарушением транспорта лептина через гемато-энцефалический барьер. Эти мыши гиперлептинемичны с 9-12 недельного возраста, они также имеют гиперинсулинемию, что связано с печеночной резистентностью к инсулину с раннего возраста. Содержание глюкозы в крови у них повышено, а также нарушена толерантность к глюкозе, что усугубляется с возрастом. Примерно у 50% мужских особей развивается сахарный диабет [13].
Таким образом, все рассмотренные модели грызунов могут быть потенциально использованы для изучения метаболического синдрома. Большинство из этих моделей относятся к моногенным, т.е. развитие нарушений у них связано с дефектом одного гена. Однако стоит отметить, что развитие МС у человека обусловлено многими факторами, и не только изменением метаболического действия лептина. Полигенные модели, которые также представлены в настоящем обзоре, могут обеспечить более точную копию человеческого состояния [13]. Тем не менее, в отличие от моногенной модели, в случае полигенных моделей нет контроля дикого типа. Кроме того, мужские особи моногенных моделей обнаруживают более существенные изменения, чем женские [14]. Хотя не существует идеальной модели животных для имитации заболеваний человека, но каждая из описанных моделей грызунов имеет специфические свойства, которые делают их полезными для изучения как механизмов развития МС, так и потенциальных методов лечения.
Рецензенты:Петрова М.Б., д.б.н., профессор, заведующая кафедрой биологии ГБОУ ВПО «Тверской государственный медицинский университет», г. Тверь.
Макарова И.И., д.м.н., профессор, заведующая кафедрой физиологии ГБОУ ВПО «Тверской государственный медицинский университет», г. Тверь.