Модели псориаза на лабораторных животных: современное состояние проблемы

Резюме

Псориаз - это хроническое иммуноопосредованное воспалительное заболевание кожи, проявляющееся повышенной скоростью деления кератиноцитов. Высокий уровень заболеваемости этим дерматозом, частые психоэмоциональные нарушения и коморбидная патология, а также вероятность инвалидизации определяют актуальность изучения патогенеза заболевания. Существенный вклад в данном направлении могут внести лабораторные модели псориаза. В работе проведен обзор наиболее часто используемых в настоящее время мышиных моделей псориаза, которые можно применять при изучении иммунологических характеристик заболевания. Описаны гистологические и иммунологические различия строения кожи мышей и человека. Представлены основные группы моделей, их клинико-гистологические и иммунофенотипические характеристики. Проанализированы преимущества и недостатки каждой модели.

Ключевые слова:псориаз; мышиная модель; обзор; имиквимод; трансгенная модель; ксенотрансплантаци-онная модель

Статья поступила 18.01.2019. Принята в печать 16.02.2019.

Для цитирования: Жуков А.С., Лавров Н.В., Хайрутдинов В.Р, Самцов А.В. Модели псориаза на лабораторных животных: современное состояние проблемы. Иммунология. 2019; 40 (2): 64-69. doi: 10.24411/0206-4952-2019-12009.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

На сегодняшний день патогенез псориаза полностью не изучен. Исследования кожи и сыворотки зачастую недостаточно для понимания механизмов развития заболевания и оценки действия терапевтических препаратов. Для выявления наиболее значимых медиаторов воспаления при псориазе необходимо иметь возможность в эксперименте воспроизвести фенотипические проявления заболевания.

Весомый вклад в данное направление вносят экспериментальные работы на лабораторных животных. Они позволяют достаточно быстро смоделировать проявления заболевания и в то же время менее строги в этических аспектах, чем при исследовании человека [1].

Большинство таких работ выполняется на мышах, что объясняется рядом преимуществ по сравнению с другими моделями млекопитающих: малый размер животных, относительно недорогое содержание, короткий репродуктивный цикл, удобство использования методов генной инженерии [1].

Общее строение кожи мышей и человека сходно, но в то же время имеются отличительные черты: кожа мышей тоньше, она содержит значительно больше волосяных фолликулов, в ней отсутствуют потовые железы и меланоциты, а митотическая активность базальных кератиноцитов значительно выше. При сравнении иммунофенотипического состава клеток кожи обнаружено, что, помимо присущих человеку Т-, В-лимфоцитов и дендритных клеток, для мышей характерны дендритные CD8+-клетки и дендритные эпидермальные Т-клетки [2, 3].

Опыты по трансплантации пораженной кожи больных псориазом на участки здоровой (аутотрансплантация) были описаны еще в 1961 г. [4]. В этот же период начали создавать мышиные модели псориаза.

В настоящее время существует несколько десятков мышиных моделей псориаза, которые можно принципиально разделить на 4 группы:

- с возникшими спонтанными мутациями (спонтанные);

- с трансплантатами кожи больных псориазом (ксенотрансплантационные/гуманизированные);

- с измененным геномом (генно-инженерные/трансгенные);

- индуцированные внешними факторами (острые).

Модели мышей с возникшими спонтанными мутациями (спонтанные)

Данные модели исторически являются самыми первыми [4]. Их формирование происходило в результате спонтанных мутаций, проявляющихся в изменении синтеза или нарушении функции определенных белков, участвующих в развитии патологического процесса.

В качестве примера данной модели можно привести мышь-асебию (asebia mouse) (Scdlab/Scdlab). Результом мутации гена Scdl у таких мышей будет отсутствие сальных желез и формирование акантоза эпидермиса и гиперваскуляризации дермы [5].

Другим примером является мутантная мышь с чешуйчатой кожей (flaky skin mutant mouse) (Ttcfsn/ Ttcfsn), высыпания у которой проявляются гиперкера-тотическими бляшками, а также воспалительным дермальным инфильтратом. Для таких мышей характерна изоморфная реакция, аналогичная феномену Кебнера у больных псориазом [6, 7].

Выделяют также мышиную модель хронического пролиферативного дерматита (chronic proliferative dermatitis mouse model) (Sharpincpdm/Sharpincpdm), у которой мутация гена приводит к гиперпролиферации кератиноцитов и воспалению внутренних органов [7].

К недостаткам всех спонтанных моделей можно отнести то, что развитие воспалительного процесса в коже не связано с активацией адаптивного звена иммунитета. В результате этого в эпидермисе и дерме отсутствуют специфичные для псориаза Т-лимфоциты, к тому же неэффективны препараты, действующие на эти клетки (например, циклоспорин) [8].

Модели мышей с трансплантатами кожи больных псориазом (ксенотрансплантационные/ гуманизированные)

Данные модели создаются трансплантацией человеческих тканей или клеток мышам. Для того чтобы приживляемые ткани не отторгались, выбирают мышей с выраженными дефектами в иммунной системе. Например, используют животных с тяжелым комбинированным иммунодефицитом (SCIDs-мыши - severe combined immunodeficiency) или отсутствием рецепторов к интерферону [AGR129-мыши - deficient in type I (A) type II (B) IFN receptors (R)] [9].

Каждая из этих моделей имеет свои особенности. Так, у SCIDs-моделей трансплантированные клетки лизируются активными у данных мышей NK-клетками, в то время как пересаженные лоскуты ткани не отторгаются. Последующие инъекции Т-клеток донора в область трансплантата позволяют более длительное время поддержать фенотипические проявления псориаза [10].

AGR129-модель характеризуется отсутствием рецепторов интерферона I и II типа, что фенотипически проявляется недостаточностью Т- и В-лимфоцитов. Дефицит у данной модели активных NK-клеток позволяет проводить трансплантацию не только фрагментов тканей, но и делать инъекции отдельных клеток. Интересно отметить, что пересадка непораженной кожи больных псориазом на AGR129-мышь вызывает развитие выраженных псориазиформных высыпаний, причем даже без введения Т-клеток донора, что свидетельствует о наличии в непораженной коже человека иммунных клеток, способных вызвать развитие псориатического воспаления [4].

Основное преимущество ксенотрансплантационных моделей псориаза заключается в том, что использование кожи человека позволяет наиболее близко представить иммунологическую и генетическую основу болезни. В результате чего появляется возможность изучать лекарственные вещества в условиях, близких к естественным. Кроме того, данные, полученные на гуманизированных моделях, будут более воспроизводимыми и их легче интерпретировать при переходе от доклинических исследований к клиническим испытаниям [1].

Широкое использование данного метода ограничивается техническими сложностями при проведении трансплантации, необходимостью большого количества ткани донора, а также возникающими со временем изменениями в пересаженных тканях: уменьшение размера трансплантата, восстановление зернистого слоя, разрешение паракератоза [10]. Также наблюдаются фенотипические вариации пересаженной кожи, обусловленные иммунологическими и генетическими различиями между донорами.

Модели мышей с измененным геномом (генно-инженерные/трансгенные)

Для формирования данных моделей мышам до рождения изменяют структуру необходимых генов. В результате этого возникает избыточная экспрессия или угнетение синтеза определенных белков, участвующих в формировании псориатического фенотипа. Данные модели подразделяются на:

- трансгенные модели мышей, обладающие модифицированными генами во всех клетках организма (истинные трансгенные);

- тканеспецифические (условно-трансгенные) модели мышей, характеризующиеся генетическими изменениями в пределах определенных типов тканей или клеток. Существуют также тканеспецифические модели с возможностью изменять уровень экспрессии генов путем применения медикаментов [11, 12].

Примером трансгенной модели являются CD18-гипоморфные мыши, которые с рождения имеют мутацию в β2-интегринах лимфоцитов. В коже таких мышей формируются гиперплазия эпидемиса, гиперпролиферация кератиноцитов с паракератозом, наблюдается формирование микроабсцессов в эпидермисе, расширение кровеносных сосудов дермы [13].

У мышей при нокауте гена, кодирующего антагонист рецептора ИЛ-1, происходит повышенная экспрессия ИЛ-1α, приводящая к накоплению дендритных клеток и Т-лимфоцитов в коже (ИЛ1rn-модель). При такой модели в эпидермисе развиваются акантоз, паракератоз и образуются микроабсцессы рогового слоя [14].

Тканеспецифические (условно-трансгенные) модели обладают преимуществами по сравнению с полностью трансгенными. Например, модификация гена только в определенных тканях или популяции клеток часто предотвращает летальный исход, нередко наблюдаемый при использовании трансгенных моделей. Ограниченные генные перестройки в изучаемых тканях или типах клеток позволяют выявить вклад отдельного гена в развитие и прогрессирование заболевания.

Такие модели тканеспецифических мышей, как K14-AREG, K14-VEGF и K5-Stat3C [11, 15, 16], способны сверхэкспрессировать заданный ген для формирования псориатического фенотипа. Примером модели с тканеспецифической потерей функции белка является мышь K14-Cre-Ikk2 (fl/fl) и K5-CreERT2 (JunBfl/ fl c-Junfl/fl) [17]. А модели K5-Kn-17C и KC-Tie2, кроме того, обладают возможностью подавления экспрессии исследуемого гена путем применения доксициклина [18, 19].

Открытие технологии CRISPR (кластеризованные короткие палиндромные повторы) позволило усовершенствовать создание трансгенных моделей мышей, используемых для исследований псориаза [20, 21]. Данная технология позволяет более качественно и избирательно генерировать модели генетически модифицированных лабораторных животных, обладает высокой точностью механизмов генной модификации, способностью изменять несколько генов одновременно через одну направляющую РНК, а также уменьшенным временем создания трансгенной модели по сравнению с традиционными технологиями.

Основным преимуществом трансгенных мышиных моделей является возможность исследования in vivo эффектов генно-специфических модификаций, возникающих в результате изменения структуры генов.

Главные недостатки данного метода: трудоемкость, длительность подготовки, высокая стоимость и частая эмбриональная или ранняя пренатальная смерть. Кроме того, нарушения отдельных генов не позволяют воспроизвести все особенности патогенеза псориаза, а изменение генома всего организма ограничивает способность исследователя определить, какие популяции клеток в первую очередь ответственны за наблюдаемый псориатический фенотип.

Модели мышей, индуцированные внешними факторами (острые/индуцированные)

Для формирования острой модели псориаза используют топическое нанесение или внутрикожные инъекции различных веществ. Из наружных препаратов применяют имиквимод, 12-O-тетрадеканоилфорбол-13-ацетат, оксазолон и 2,4-динитрофлуоробензен. В качестве инъекционных форм описано использование провоспалительных цитокинов (например, ИЛ-23) [21].

Особый интерес сегодня вызывает имиквимод-индуцированная модель, на которую приходится значительная доля исследований мышиных моделей псориаза [22]. Это объясняется как доступностью условий для формирования модели, так и ее патогенетической схожестью с болезнью у человека. Например, имиквимод индуцирует синтез в коже, помимо провоспалительных цитокинов, присутствующих при любом неспецифическом воспалении (ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-8, ФНО-α, ИФН-γ), также цитокинов, характерных для аутоиммунных процессов (ИЛ-17А, ИЛ-HF) [3]. Кроме того, описаны обострения псориаза или появление его впервые после применения имиквимода больными для лечения новообразований кожи [23].

Другим вариантом является мышиная модель, индуцированная 12-О-тетрадеканоил-форбол-13-ацетатом (TPA) - активатором протеинкиназы С. В результате использования ТРА возникают воспалительная реакция в коже и гиперплазия эпидермиса. Помимо общевоспалительных цитокинов, в пораженной коже отмечены повышенный уровень интерлейкина HH-17F и инфильтрация ее нейтрофилами [24, 25].

При индукции модели псориаза инъекционным введением цитокина ИЛ-23 повышается продукция ИЛ-19 и ИЛ-24, которые влияют на дифференцировку и пролиферацию кератиноцитов посредством ФНОα-зависимого механизма. В результате возникают гиперплазия, паракератоз и акантоз эпидермиса [10].

Главные преимущества острых моделей: возможность быстрого развития воспаления, простота создания и относительно низкие затраты на проведение эксперимента.

Основной недостаток проявляется в неспецифическом характере индуцированного воспаления кожи. В результате этого иногда одна и та же модель может применяться для описания различных кожных заболеваний. Например, 12-0-тетрадеканоилфорбол-13-ацетат используется для создания модели не только псориаза, но и острого дерматита, а имиквимод-индуцированное воспаление кожи - также для модели системной красной волчанки [26].

Кроме того, в данный момент остро стоит проблема нехватки стандартизованных процедур для создания индуцированных моделей псориаза. Необходимо разработать шаблоны частоты нанесения препарата, продолжительности действия, дозировки или химической концентрации, условий содержания животных. Эти различия затрудняют анализ или сравнение исследований и, вероятно, объясняют некоторые трудности, возникающие при попытке воспроизвести результаты других исследований.

Обсуждение

Перечисленные в данном обзоре модели предоставляют ученым широкий спектр инструментов для изучения иммунных механизмов развития псориаза, оценки прогноза его течения и исследования эффективности новых лекарственных веществ. Каждая из приведенных моделей, не являясь универсальной, позволит изучить отдельные этапы развития заболевания и обладает своими преимуществами и недостатками (табл.).

Для правильной интерпретации полученных результатов и экстраполяции их на человека необходимо знать механизмы формирования данной модели, а также принимать во внимании гистологические и иммунофенотипические различия строения кожи мышей и человека [28, 29].

Интересно отметить, что в исследованиях псориаза, кроме мышиных, применяют ряд лабораторных моделей клеточных линий, которые выращивают на искусственных средах. К ним относятся 2D- (NHEK, HaCaT) и 3D-модели (Reconstituted Human Epidermal Models), BioMAP-моделирование и другие [10].

Заключение

Сегодня во всем мире идет активное изучение и внедрение моделей псориаза в экспериментальные исследования. Создаются новые клеточные линии и совершенствуются условия их содержания.

Потенциал применения моделей псориаза еще до конца не раскрыт, что определяет необходимость их более активного изучения и внедрения в научно-исследовательскую практику.

Применение в научных работах новых методов исследования псориаза, включая различные модели, позволит лучше разобраться в особенностях патогенеза данного заболевания и улучшить разработку новых препаратов для его терапии.

Литература

1. Соболева А.Г., Мезенцев А.В., Брускин С.А. Генетически модифицированные животные как модели патологического процесса при псориазе. Молекул. биол. 2014; 48 (4): 587-93.

2. Соболева А.Г. Соболев В.В., Брускин А.С., Мезенцев А.В. Трехмерная модель мышиного эпидермиса для лабораторных исследований псориаза. Acta Naturae (русскоязычная версия). 2013; 5 (9): 121-8.

3. Mestas J., Hughes C.C. Of mice and not men: differences between mouse and human immunology. J. Immunol. 2004; 172 (5): 2731-8.

4. Long P.I. Jr. Behavior of psoriatic and normal skin transplants. Arch. Dermatol. 1961; 84: 593-6.

5. Josefowicz W.J., Hardy M.H. The expression of the gene asebia in the laboratory mouse. I. Epidermis and dermis. Genet. Res. 1978; 31 (1): 53-65.

6. Sundberg J.P., Beamer W.G., Shultz L.D., Dunstan R.W. Inherited mouse mutations as models of human adnexal, cornification, and papulosquamous dermatoses. J. Invest. Dermatol. 1990; 95 (5): 62S-3S.

7. Sundberg J.P., France M., Boggess D., Sundberg B.A., et al. Development and progression of psoriasiform dermatitis and systemic lesions in the flaky skin (fsn) mouse mutant. Pathobiology. 1997; 65 (5): 271-86.

8. Madsen M., Hansen P.R., Nielsen L.B., Hartvigsen K., et al. Effect of 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate-induced psoriasislike skin lesions on systemic inflammation and atherosclerosis in hypercholesterolaemic apolipoprotein E deficient mice. BMC Dermatol. 2016; 16 (1): 9.

9. Gates A.H., Karasek M. Hereditary Absence of Sebaceous Glands in the Mouse. Science. 1965; 148 (3676): 1471-3.

10. Bochenska K., Smolinska E., Moskot M., Jakobkiewicz-Banecka J., et al. Models in the research process of psoriasis. Int. J. Mol. Sci. 2017; 18 (12): E2514.

11. Gunschmann C., Chiticariu E., Garg B., Hiz M.M., et al. Transgenic mouse technology in skin biology: inducible gene knockout in mice. J. Invest. Dermatol. 2014; 134 (7): 1-4.

12. Scharfenberger L., Hennerici T., Kiraly G., Kitzmuller S., et al. Transgenic mouse technology in skin biology: generation of complete or tissue-specific knockout mice. J. Invest. Dermatol. 2014; 134 (1): 1-5.

13. Bullard D.C., Scharffetter-Kochanek K., McArthur M.J., Chosay J.G., et al. A polygenic mouse model of psoriasiform skin disease in CD18-deficient mice. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996; 93: 2116e21.

14. Shepherd J., Little M.C., Nicklin M.J. Psoriasis-like cutaneous inflammation in mice lacking interleukin-1 receptor antagonist. J. Invest. Dermatol. 2004; 122: 665e9.

15. Cook P.W., Piepkorn M., Clegg C.H., Plowman G.D., et al. Transgenic expression of the human amphiregulin gene induces a psoriasis-like phenotype. J. Clin. Invest. 1997; 100 (9): 2286-94.

16. Detmar M., Brown L.F., Schon M.P., Elicker B.M., et al. Increased microvascular density and enhanced leukocyte rolling and adhesion in the skin of VEGF transgenic mice. J. Invest. Dermatol. 1998; 111 (1): 1-6.

17. Zenz R., Eferl R., Kenner L., Florin L., et al. Psoriasis-like skin disease and arthritis caused by inducible epidermal deletion of Jun proteins. Nature. 2005; 437 (7057): 369-75.

18. Johnston A., Fritz Y., Dawes S.M., Diaconu D., et al. Keratinocyte overexpression of IL-17C promotes psoriasiform skin inflammation. J. Immunol. 2013; 190 (5): 2252-62.

19. Wolfram J.A., Diaconu D., Hatala D.A., Rastegar J., et al. Keratinocyte but not endothelial cell-specific overexpression of Tie2 leads to the development of psoriasis. Am. J. Pathol. 2009; 174 (4): 1443-58.

20. Guitart J.R. Jr, Johnson J.L., Chien W.W. Research techniques made simple: the application of CRISPR-Cas9 and genome editing in investigative dermatology. J. Invest. Dermatol. 2016; 136 (9): e87-93.

21. Ippagunta S.K., Gangwar R., Finkelstein D., Vogel P., et al. Keratinocytes contribute intrinsically to psoriasis upon loss of Tnip1 function. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2016; 113 (41): E6162-71.

22. van der Fits L., Mounts S., Voerman J.S., Kant M., et al. Imiquimod-induced psoriasis-like skin inflammation in mice is mediated via the IL-23/IL-17 axis. J. Immunol. 2009; 182 (9): 5836-45.

23. Patel U., Mark N.M., Machler B.C., Levine V.J. Imiquimod 5% cream induced psoriasis:a case report, summary of the literature and mechanism. Br. J. Dermatol. 2011; 164 (3): 670-2.

24. Gijbels M.J., Elliott G.R., Hogen Esch H., Zurcher C., et al. Therapeutic interventions in mice with chronic proliferative dermatitis(cpdm/cpdm). Exp. Dermatol. 2000; 9 (5): 351-8.

25. Stanley P.L., Steiner S., Havens M., Tramposch K.M. Mouse skin inflammation induced by multiple topical applications of 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate. Skin Pharmacol. 1991; 4 (4): 262-71.

26. Yokogawa M., Takaishi M., Nakajima K., Kamijima R., et al. Epicutaneous application of toll-like receptor 7 agonists leads to systemic autoimmunity in wild-type mice: a new model of systemic Lupus erythematosus. Arthritis Rheumatol. 2014; 66 (3): 694-706.

27. Hawkes J.E., Adalsteinsson J.A., Gudjonsson J.E., Ward N.L. Research techniques made simple: murine models of human psoriasis. J. Invest. Dermatol. 2018; 138 (1): e1-8.

28. Chuang S.Y., Lin C.H., Sung C.T., Fang J.Y. Murine models of psoriasis and their usefulness for drug discovery. Expert Opin. Drug. Discov. 2018; 13 (6): 551-62.

29. Gudjonsson J.E., Johnston A., Dyson M., Valdimarsson H., Elder J.T. Mouse models of psoriasis. J. Invest. Dermatol. 2007; 127 (6): 1292-308.

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License («Атрибуция - Всемирная»)


Журналы «ГЭОТАР-Медиа»