Возможности моделирования эндокринопатий на примере заболеваний надпочечников

Авторы

Автор для корреспонденции

Финансирование

Конфликт интересов

Поступила

Принята к печати

Аннотация

Ключевые слова

Для цитирования

DOI

Введение

Впервые надпочечники были описаны в 1564 году в книге Бартоломео Эустахио, который назвал данный парный орган «железой, расположенной около почек». На протяжении нескольких столетий исследования надпочечников ограничивались изучением их анатомической структуры, до тех пор, пока Томас Аддисон в 1855 году не связал соматические и висцеральные симптомы пациентов и дисфункцию надпочечников в единую нозологию, выделенную в отдельный синдром, теперь названный в его честь. Сам орган гетерогенен, что является следствием его эмбрионального развития из разных клеточных источников: корковое вещество развивается из мезодермального зачатка клеток спланхнотома между урогенитальным гребнем и аортой, мозговой – из мигрировавших в эту область клеток нервного гребня [1]. Такая сложность развития морфологического субстрата надпочечников обуславливает их включение в различные функциональные системы, отвечающие за поддержание артериального давления, реализацию половой, иммунной и когнитивной функции, стресс-реакций, контроль метаболизма углеводов, белков, липидов, электролитов. Регуляция деятельности надпочечников также осуществляется различными иерархическими системами. Секреция минералокортикоидов регулируется ренин-ангиотензин-альдостероновой системой, глюкокортикоидов и половых стероидов – гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой (ГГН) системой, а секреция катехоламинов мозговым слоем зависит от работы симпатоадреналовой системы.

В связи с таким разнообразием функций надпочечников и надорганных систем их регуляции остро стоит вопрос моделирования эндокринопатий, поражающих их, что является довольно непростой задачей, для реализации которой необходим учет большого количества факторов. Как известно, создание подконтрольных систем с множеством переменных – непростая задача, ещё сложнее – экстраполяция на популяцию данных, полученных в ходе такого исследования, из-за высоких рисков погрешности. Однако создание новых лекарственных средств или развитие имеющихся тактик лечения невозможно без проведения доклинических испытаний, основанных на процессах моделирования патологий и апробации способов их лечения. В связи с этим, очевидна необходимость расширения знаний в области патологической физиологии, экспериментальной эндокринологии и фармакологии и совершенствование, валидация новых методов моделирования патологий адреналовых желез.

Стандартные методы моделирования долгое время были радикальными: для создания условия гипофункции применялась односторонняя или двусторонняя адреналэктомия экспериментальных животных, в то время как для изучения гиперфункции вводились дополнительные супрафизиологические дозы в основном глюкокортикоидных гормонов (ГКГ). Сегодня, учитывая свежие сведения об участии надпочечников в патогенезе ряда нозологий, создаются новые методы более тонкого изучения патологий этих желез. В частности наиболее популярные и доступные методы связаны с генной инженерией и выведением новых линий животных с повреждением в том или ином гене регуляторе функций надпочечников. Более экономичный способ исследовать патологии надпочечников человека заключается в поиске аналогичных нарушений среди «нестандартных» животных моделей, что также нашло свое применение. Тем не менее, в контексте поиска новых методов диагностики и лечения некоторых заболеваний надпочечников сохраняется большой интерес, что обусловлено ограниченностью знаний о внутри- и экстраорганных процессах, начиная с молекулярного уровня.

Цель исследования

Провести анализ имеющихся экспериментальных методов моделирования эндокринных патологий на примере заболеваний надпочечников для оценки современных возможностей доклинических исследований в эндокринологии и фармакологии, дальнейшего совершенствования фармакотерапии данных патологий.

Задачи

1. Провести систематический обзор литературных данных о существующих экспериментальных моделях дисфункций надпочечников.

2. Оценить преимущества имеющихся экспериментальных моделей, их ограничения и соответствие ключевым патогенетическим механизмам у человека.

3.  Обозначить перспективные направления для разработки новых или усовершенствования существующих моделей, включая использование современных технологий (геномного редактирования, компьютерного моделирования).

Материалы и методы

Тип исследования – обзор литературы.

Был выполнен анализ актуальных российских и зарубежных исследований. Поиск и отбор литературы проводился по ключевым словам: «моделирование эндокринопатий», «патологии надпочечников», «экспериментальная эндокринология», «modeling of endocrinopathies», «adrenal pathology», «experimental endocrinology» в базах данных PubMed, eLIBRARY, Web of Science, Google Scholar. Глубина поиска соответствовала периоду 2005-2025 гг.

Критериями включения в обзор являлись полнотекстовые статьи и монографии на английском или русском языке, представляющие собой оригинальные экспериментальные исследования, патенты, а также метаанализы и систематические обзоры. При обнаружении в литературе противоречивых данных для минимизации субъективности и повышения достоверности выводов приоритет отдавался более крупным исследованиям, работам с высоким уровнем доказательности и публикациям в журналах с высоким импакт-фактором.

После исключения дублирующих публикаций, а также работ, не соответствующих целям обзора, в настоящий обзор были включены 25 наиболее релевантных источников, одобренных всеми авторами публикации.

Результаты и их обсуждение

Говоря о проявлениях патологии надпочечников, можно глобально выделить: тотальную и частичную надпочечниковую недостаточность (например, болезнь Аддисона и некоторые формы адреногенитального синдрома соответственно), тотальную и частичную надпочечниковую гиперфункцию (например, синдром Иценко-Кушинга и синдром Конна, соответственно), нейроэндокринные опухоли (феохромоцитома) [2]. В среднем, в мире на 1 миллион населения Земли приходится около 371 пациента с различными видами надпочечниковой недостаточности, а врожденной дисфункцией коры надпочечников страдают 83 ребенка на 1 миллион новорожденных [3, 4].  Что касается феохромоцитомы, то систематический обзор на 14 исследований свидетельствует об её общей распространенности – 19,8 случаев на 1 000 000 человек [5].

Для оказания помощи пациентам с различными видами надпочечниковой недостаточности, по большей части, используется заместительная гормональная терапия. С подбором заместительной терапии при врожденной гипоплазии надпочечников, однако, до сих пор возникают такие трудности, как необходимость учитывать взаимосвязь между действием глюкокортикоидов и минералокортикоидов; склонность надпочечников к повышенной выработке андрогенов, что требует избыточного применения ГКГ; опасные для жизни надпочечниковые кризы с гипогликемией [6]. В свою очередь, введение регулярное экзогенных гормонов ассоциировано с развитием ряда нежелательных  эффектов со стороны сердечно-сосудистой системы, обмена веществ, костно-мышечной системы, иммунитета и т.д. Гормонотерапия представляет собой особую проблему в контексте лечения младенцев и детей младшего возраста [‎4, ‎7]. Кроме того, терапевтический режим не позволяет точно воспроизвести сложный физиологический суточный ритм секреции гормонов. Кроме этого, длительное воздействие глюкокортикоидов также может привести к развитию глюкокортико-индуцированной надпочечниковой недостаточности, которая возникает в результате отрицательной обратной связи в отношении высвобождения как кортиколиберина, так и адренокортикотропного гормона с последующим нарушением секреции кортизола надпочечниками [8, 9, 10].

С целью обхода ограничений по исследованию эндокринопатий и расширения терапевтических возможностей создаются различные способы моделирования, которые будут описаны ниже.

Еще в 1992 году был смоделирован гипокортицизм, что вызвало интерес к дальнейшим попыткам получения ценной информации путем моделирования. Тюленев В.И. с соавт. вводили экспериментальному животному внутрибрюшинно гистоны, выделенные из тимуса телят, в дозе 100-500 мкг на 100 г массы тела однократно. Они выяснили, что это не вызывает гибели животных, а приводит к снижению содержания кортикостероидов в крови за более короткий срок и позволяет получить обратимую модель гипокортицизма [‎11].

В дальнейшем было показано, что широкий спектр химических и физических факторов стресса окружающей среды изменяет репродуктивные процессы у рыб, вмешиваясь в эндокринную функцию. Нарушения репродуктивной функции у самок были выявлены на основании изменения уровня половых стероидных гормонов, атипичные концентрации гонадотропина и вителлогенина в кровотоке, а также аномальный рост гонад и ооцитов. Указанное иллюстрирует потенциальную пользу данной модели для интерпретации репродуктивных эндокринных биомаркеров, измеренных у рыб, собранных из деградировавших сред [‎12].

Совсем недавно Bilyalova A. и др. привели подробный анализ гистологической структуры, путей стероидогенеза и генетических характеристик нестандартных животных моделей (рис. 1).

Рис. 1. Сравнительная характеристика «неклассических» животных моделей (адаптировано из [‎13]).

Среди рассматриваемых видов выделяются иглистая (колючая) мышь и золотистый хомяк, имеющие морфологическое и функциональное сходство с надпочечниками человека. Их анатомическое строение, синтез стероидных гормонов, который инициируется острым стероидогенным регуляторным белком, и в дальнейшем зависит от зоны коры надпочечников и экспрессии ферментов реакций гидроксилирования, делает их наиболее перспективной моделью для исследований в области этих эндокринопатий [‎13].

Развитие молекулярных генетических и физиологических исследований мышей Acomys и золотистых хомячков могут помочь установить их полное сходство с человеческими надпочечниками и выявить потенциальные сходства и различия в патологиях [‎14]. Это может привести к разработке «золотого стандарта» модели животных для изучения заболеваний надпочечников человека, что, в свою очередь, способствует более точному пониманию механизмов этих заболеваний и разработке новых методов лечения [‎13].

Наряду с моделированием тотальных патологий надпочечников, особый интерес представляет биомоделирование состояний частичных гипер- и гипофункций надпочечников, что, в свою очередь, довольно часто бывает связано с врожденными мутациями генов. Экспрессия этих мутантных генов приводит к частичной или полной нехватке ферментов различных зон адреналовых желез, направляющих стероидогенез по цепочкам реакций, приводящих к синтезу определенных гормонов в определенных зонах (рис. 2).

Рис. 2. Схема строения зон коры надпочечников человека с указанием основных экспрессируемых генов и соответствующих им стероидов (адаптировано из [15]).

Моделирование стероидогенных путей могут помочь преодолеть некоторые ограничения, которые часто сопровождают экспериментальное изучение этих процессов. Так, еще в 1988 году был выведен штамм мышей (H-2W18) с мутацией в гене, кодирующем Cyp21a1, гомозиготность по которому приводит к отсутствию активности 21-гидроксилазы, катализирующей превращение прогестерона в дезоксикортикостерон, что в дальнейшем приводило к остановке синтеза кортикостерона (основной глюкокортикоид грызунов, аналог человеческого кортизола). В дальнейшем штамм этих мышей использовался для проведения доклинических испытаний генно-инженерной терапии с введением в клетки надпочечников аденовирусного вектора с человеческим геном Cyp21a1, также исследовались векторы на основе аденоассоциированного вируса, вводимого в мышцу бедра, а также внутривенно. Во всех случаях у мышей наблюдалось снижение прогестерон-дезоксикортикостеронового соотношения, что говорит об успешности проведения терапии [15].

Также известны модели изучения гиперальдостеронизма, в частности семейного гиперальдостеронизма II типа, не связанного с повышенной секрецией ренина. При данной патологии была обнаружена мутация CLCN2, кодирующая ClC-2 – хлорные каналы. Такая модификация трансмембранного белка приводит к повышенной проницаемости мембраны для анионов хлора, что в свою очередь повышает концентрацию внутриклеточного кальция клубочковой зоны (ZG) коры надпочечников. Такое изменение ионного состава приводит к индукции Cyp11b2 (активность альдостерона синтазы). С помощью методов генной инженерии был выведена линия мышей, Clcn2R180Q/+, с мутацией в гомологическом локусе, соответствующей человеческой мутации. Такие мыши имеют повышенное содержание альдостерона в крови, повышенное альдостерон-рениновое соотношение, а также отклоняющиеся от нормы показатели артериального давления [16]. Исследования на этой линии мышей позволят подробно изучать первичный гиперальдостеронизм и подбирать методы его лечения и коррекции симптомов.

Для изучения патологий надпочечников используются и более современные методы моделирования, такие как компьютерное моделирование. Хотя анализ системы in silico не обязательно устраняет необходимость экспериментальной работы, он может преодолеть разрыв между экспериментальными результатами in vitro и динамикой надпочечникового расстройства in vivo. Данный подход был продемонстрирован при моделировании гипокортицизма, наблюдаемого у южно-африканской ангорской козы. Этот метод потенциально может быть применен для управления моделями биосинтеза стероидов у человека, в частности, баланса в производстве кортизола и предшественников андрогенов и возможных нарушений [‎17].

Исследования подтверждают, что системный подход к биомоделированию, в частности гибридное моделирование, демонстрирует высокую эффективность при решении задач современной науки, в том числе при создании моделей высших нервных функций и сложных интегративных процессов. Данная методология, базирующаяся на принципах функциональных систем, рассматривает организм как комплекс нелинейных, вероятностно-детерминированных систем, обладающих обратными связями. Для анализа устойчивости таких биологических систем к различным воздействиям, включая фармакологические, применяется математический аппарат теории автоматического управления. Суть гибридного моделирования заключается в интегративном процессе, который выходит за рамки решения стандартных уравнений и сочетает в себе формально-логические, математические и экспериментальные методы, применяя полидисциплинарный инструментарий [‎18].

В данном контексте особый интерес представляет моделирование кодирования сигнала синтеза и секреции глюкокортикоидных гормонов в системе ГГН. В конце 40х Harris G. выдвинул свою нейрогуморальную теорию, согласно которой контроль уровня ГКГ в крови осуществляется непосредственно по иерархической системе от гипоталамуса, секретирующего кортикотропин-рилизинг гормон (кортиколиберин, КЛ). Он, в свою очередь, стимулирует выделение адренокортикотропного гормона (АКТГ) из переднего гипофиза, что в дальнейшем способствует усилению синтеза и секреции ГКГ корой надпочечников. И гормоны надпочечников оказывают влияние на высший центр регуляции их концентрации – гипоталамус. Однако современные взгляды на реализацию этих сигналов отличаются. Анализ гормонального статуса у людей и грызунов, позволил выделить два ритмичных паттерна секреции ГКГ: циркадный и ультрадианный [19]. За реализацию первого, действительно, отвечает гипоталамус, а точнее мелкоклеточные нейроны супрахиазмотичского ядра. Но ритмы, период которых составляет меньше суток (примерно час), регулируются субгипоталомически. Предположительно генератором ульрадианновых коллебаний концентрации ГКГ является передняя доля гипофиза. Это доказывается различными моделями in vivo (на моделях мышей, обезьян), а также in silico. Было показано, что при физическом разъединении гипоталамуса и гипофиза ультрадианные ритмы все равно сохраняются, более того эти ритмы также имеют место при поддержании сигнала КЛ на постоянном уровне [20].

Для изучения динамики секреции ГКГ и роли их рецепторов проводились эксперименты на мышах линии Спрег-Доули. Животных подвергли билатеральной адреналэктомии для полного устранения эндогенной секреции кортикостерона. Это позволяло контролировать гормональный профиль с помощью заместительной инфузии кортикостерона через подкожно имплантированные помпы, подключенные к автоматизированной системе инфузии. Система была запрограммирована на создание серии импульсов гормона, что точно имитировало естественный ультрадианный ритм. В этих строго контролируемых условиях было установлено: минералокортикоидные рецепторы (МР), благодаря высокому сродству к кортикостерону, постоянно активированы даже в фазу низкой концентрации гормона между импульсами. Через этот механизм МР в нейронах гипоталамуса опосредуют тоническое ингибирование и отвечают за стабильность базового циркадного ритма. В отличие от них, низкоаффинные глюкокортикоидные рецепторы (ГР), преимущественно находящиеся в переднем гипофизе, активируются волнообразно с каждой пульсацией кортикостерона и роста его концентрации, следовательно, они ответственны за ультрадианные ритмы, являющиеся как бы срочным ответом на изменение уровня кортикостерона в крови [21, 22]. Это также было показано в теоретической модели Walker J.J., в которой с помощью метода численного продолжения и построения дифференциальных уравнений удалось охарактеризовать, как поведение системы зависит от ее параметров и выяснить механизмы, вызывающие естественные колебательные ритмы в ГГН оси, путем введения в уравнения динамики ответов ГР [23]. Модель демонстрирует, что именно нелинейность в ответе ГР гипофиза на различные концентрации кортизола является «мотором» ультрадианных пульсаций.

В заключение, следует отметить, что одной из наиболее важных стратегий моделирования в экспериментальной медицине является принцип 3R (Replacement – замена, Reduction – сокращение и Refinement – уточнение), который впервые выдвинули Russell & Burch в 1959 году [‎24]. 1R (Replacement) является сугубо индивидуальным компонентом, так как только определенные животные могут подойти под воссоздание нужной клинической ситуации. 2R (Reduction) заключается в снижении до минимума количества используемых экспериментальных животных, однако при слишком жестком подходе может возникнуть ситуация, при которой выборка составит слишком малое количество «первичного материала». И, наконец, 3R (Refinement) – это соблюдение благополучия лабораторных животных, проявляющегося в достаточной анальгезии, условиях содержания на время проведения опытов, гуманной эвтаназии. Высокие результаты также демонстрирует дрессировка животных, вследствие чего можно было избежать дополнительного воздействия седативными ЛС [‎24, 25].

Успешное развитие клинической медицины вне базирования на результатах доклинических исследований невозможно, поэтому совершенствование и расширение возможностей экспериментальных in vivo и in vitro исследований представляется крайне важным. При этом моделирование ряда состояний ассоциировано с большими трудностями и, в частности, это касается моделирования эндокринопатий. Особенно ограничено число подобных методических подходов в отношении моделирования надпочечниковых дисфункций, что обусловлено, в том числе, и анатомо-физиологическими особенностями самого органа, в частности, гетерогенной и уникальной структурой, разнообразием его функций, сложностью иннервации, а также циркадным ритмом гормональной активности.

Выводы

1. Моделирование эндокринопатий и, в частности, патологий надпочечников, до сих пор остается ещё не совершенной областью экспериментальной медицины, не теряет своей актуальности и имеет перспективы для дальнейшего развития.

2. Современные модели отходят от стандартных и «грубых» методов подавления секреции надпочечниками большими дозами ГКС, или другими агентами, а также проведения радикальной адреналэктомии.

3. Новые методы, в целом, фокусируются на поисках животных моделей, имеющих морфологическое и функциональное сходство с организмом человека и более подходящих под стандарты человеческих патологий, как, например, мыши Acomys, золотистые хомячки. Также выводятся специфические линии с определенной редкой нозологией, не воспроизводимой без методов генной инженерии: мыши Н-2W18, Clcn2R180Q/+. Нельзя не заметить тенденцию к переходу эксперимента в теоретическое поле математического моделирования патологических процессов, однако, на примере модели гипокортицизма у южно-африканской ангорской козы можно отметить, что появление таких возможностей не заменяет эксперименты in vivo, но дополняет их, делая исследования более валидными и менее затратными.

4. В ходе множества исследований научный мир нашел близкие к физиологическим способы лечения эндокринных нозологий, однако многие патофизиологические особенности невозможно изучить в связи с ограниченностью экспериментальных исследований.

5. Дальнейшее совершенствование методик для моделирования надпочечниковых эндокринопатий способствует как изучению патологии надпочечников, так и коррекции имеющихся тактик применения лекарственных средств, реализующих свою фармакодинамическую активность через гормональные системы адреналовых желез.

Список литературы

Possibilities of modeling endocrinopathies using adrenal diseases as an example

Authors

Corresponding Author

Conflict of interest

Funding

Received

Accepted for publication

Abstract

Key words

DOI

References