Некоторые видовые особенности анатомии гепатобилиарной системы и состава желчи у лабораторных животных

Введение

Желчные кислоты — это органические кислоты, входящие в состав желчи, которые выполняют несколько функций в организме, включая стимулирование оттока, выведение желчи и содействие всасыванию жиров и жирорастворимых витаминов в кишечнике [1, 2]. Желчные кислоты образуются из холестерина, и, следовательно, синтез желчных кислот является основным путем расщепления и выведения холестерина из организма. Желчь поступает из печени через желчные протоки в тонкий кишечник. У человека в среднем вырабатывается 600 мл желчи в сутки [3]. Поддержание гомеостаза желчных кислот также необходимо для достижения их физиологических функций и предотвращения токсического действия. Желчные кислоты являются важными сигнальными молекулами, принимающими участие в регуляции метаболизма липидов в печени, глюкозы, поддержании метаболического и энергетического гомеостаза [4].

Существует необходимость сравнительного изучения метаболизма и состава желчи лабораторных животных и человека в выявлении наиболее важных показателей функции гепатобилиарной системы. Данные показатели могут быть использованы для диагностики заболеваний, связанных с нарушениями функции гепатобилиарной системы, позволят получить информацию о динамике заболевания и облегчить контроль эффективности лечения. Наиболее часто в качестве модельных организмов в фармакодинамических исследованиях используются мыши, крысы, морские свинки и кролики. Это связано с доступностью данных животных, экономической выгодой, простотой содержания и схожестью физиологических и биохимических показателей с таковыми у человека [5].

Цель обзора — сравнение некоторых видовых анатомо-физиологических особенностей гепатобилиарной системы, а также освещение основных аспектов продукции желчи и метаболизма желчных кислот у наиболее часто используемых лабораторных животных (мыши, крысы, морские свинки и кролики) как между собой, так и с таковыми у человека.

Видовые особенности гепатобилиарной системы лабораторных животных

Мыши являются одной из наиболее популярных тест-систем в доклинических исследованиях [6, 7]. Топография гепатобилиарной системы мыши схожа с таковой у человека, однако наблюдаются и различия. Печень состоит из пяти долей — левой и правой медиальных, левой и правой боковых и хвостатой доли. Желчный пузырь расположен между левой и правой медиальной долей, а внепеченочные желчные пути проходят по каудальной поверхности печени и открываются в двенадцатиперстную кишку [8]. Проток поджелудочной железы ответвляется от точки, намного дистальнее двенадцатиперстной кишки, поэтому для мышей характерно наличие длинного гепатопанкреатического протока. У мышей скорость холереза составляет в среднем 100 мл/⁠кг в сут [9].

Желчные кислоты синтезируются из холестерина в перицентральных гепатоцитах, и это представляет собой основной путь катаболизма холестерина у мышей так же, как и у человека. Так, у человека около 0,5 г холестерина в день превращается в желчные кислоты (примерно 7 мг в день на 1 кг массы тела), и это составляет почти половину холестерина, выводимого из организма в день. У мышей количество холестерина, преобразованного в желчные кислоты (около 1,25 мг холестерина в день; примерно 50 мг в день на кг массы тела), количественно больше в расчете на массу тела, что отражает более высокую скорость биосинтеза холестерина. При этом у обоих видов катаболизм холестерина в желчные кислоты составляет одинаковую общую долю (около 45%) ежедневной элиминации холестерина [10].

Состав желчных кислот у мышей существенно отличается от такового у людей, у которых основными желчными кислотами являются холевая, хенодезоксихолевая, дезоксихолевая и литохолевая кислоты, а также их конъюгаты с глицином и таурином. Однако у мышей основные желчные кислоты — это холевая и производное хенодезоксихолевой кислоты мурихолевая, а также их конъюгаты с таурином. Конъюгаты желчных кислот с глицином практически отсутствуют [8].

CYP2C70 мышей метаболизирует хенодезоксихолевую кислоту до гидрофильных мурихолевых кислот. У людей кишечная микробиота способствует превращению первичных желчных кислот (холевой и хенодезоксихолевой) в дезоксихолевую и литохолевую кислоты соответственно. Хенодезоксихолевая кислота — цитотоксическая желчная кислота в отличие от мурихолевой, которая является цитопротекторной. К тому же доля вторичных желчных кислот в желчи у мышей заметно ниже (менее 3%) по сравнению с таковой у людей (примерно 20–30%). Заметное различие в составе желчных кислот между мышами и людьми затрудняет экстраполяцию результатов экспериментов [9].

Необходимо отметить, что у человека в отличие от грызунов конъюгация с таурином и глицином регулируется с помощью диеты [11]. Гомеостаз желчных кислот у мышей строго контролируется, чтобы предотвратить токсичность желчных кислот, не влияя на их физиологические функции. Желчные кислоты метаболизируются посредством амидирования [глицин (G) или таурин (T)], гидроксилирования (с помощью CYP450) или конъюгации [5, 12].

Известно, что сульфатирование является основным путем метаболизма желчных кислот у человека и второстепенным путем у многих других видов, а гидроксилирование в положении 6-α, 6-β и 7-β посредством различных изоформ CYP450 является основным путем детоксикации желчных кислот у грызунов, что приводит к образованию гидрофильных желчных кислот: мурихолевой и урсодезоксихолевой соответственно. Кроме того, G-амидирование преобладает у людей, тогда как Т-амидирование — у мышей. Также у рассматриваемых животных активность гидроксилирования желчных кислот выше по сравнению с таковой у человека, а активность глюкуронирования второстепенна и сопоставима у человека и мыши [5, 12].

В отличие от человека около половины пула желчных кислот у мышей состоит из 6-гидроксилированных мурихолевых кислот, однако их наличие у мышей обусловливает различия метаболического фенотипа по сравнению с людьми. Известно, что мурихолевые кислоты участвуют в обмене холестерина. Так, при отсутствии рассматриваемых кислот снижаются синтез и выведение холестерина из организма [8].

У крыс печень представлена пятью долями, как у мышей [8, 13]. Внепеченочные желчные пути проходят по каудальной части печени и открываются в двенадцатиперстную кишку, тогда как желчный пузырь полностью отсутствует, без рудиментов. У крыс пузырный проток не отходит от уровня точки бифуркации воротной вены, а дистальная часть желчных путей входит в доли печени. За исключением отсутствующего домена желчного пузыря, анатомия гепатобилиарной системы крыс сходна с таковой у мышей — желчные пути проходят вдоль портальной вены, артериальная система образована печеночной артерией, а проток поджелудочной железы ответвляется далеко от стенки двенадцатиперстной кишки, поэтому у крыс, как и у мышей, печеночно-поджелудочные протоки длинные. У таких животных как крысы, у которых отсутствует желчный пузырь, желчь выделяется непрерывно в разбавленной форме и в больших объемах. В отличие от особей с желчным пузырем, желчь крыс не концентрируется и не накапливается в периоды голодания. У крыс скорость холереза составляет в среднем 90 мл/⁠кг в сут [9].

Холевая и хенодезоксихолевая кислоты являются основными желчными кислотами, синтезируемыми непосредственно в печени крысы. В желудочно-кишечном тракте и под влиянием кишечной микрофлоры желчные кислоты, выделяемые печенью, подвергаются молекулярным преобразованиям. В результате чего дезоксихолевая кислота превращается из холевой, а литохолевая кислота — из хенодезоксихолевой, как и у человека. У крыс, как и у мышей, вторичные желчные кислоты превращаются в первичные с помощью 7α-гидроксилазы. В желчи крысы также были найдены урсодезоксихолевая и различные мурихолевые кислоты. Желчные кислоты у крыс конъюгируют преимущественно с таурином. Конъюгаты желчных кислот с глицином, как и у мышей, практически отсутствуют. У крыс активность гидроксилирования желчных кислот выше по сравнению с таковой у человека [5, 12, 14–16].

Стоит отметить, что перевязка желчных протоков опосредует увеличение синтеза желчных кислот в 2 раза у грызунов (мышей и крыс), в то время как у человека холестаз ассоциирован с подавлением синтеза желчных кислот [17].

В целом метаболизм желчных кислот у мышей и крыс сопоставим между собой и в значительной степени отличается от такового у человека.

Морская свинка наряду с мышами и крысами широко используется в качестве модели in vivo в доклинических исследованиях, в частности, при изучении гепатобилиарной системы и влияния на нее новых тестируемых фармакологических агентов [18]. У рассматриваемого вида выделяют 6 долей печени — правая латеральная, правая медиальная, левая латеральная, левая медиальная, хвостатая и квадратная доли. Желчный пузырь прикреплен к правой медиальной доле связкой, присутствует связка, соединяющая желчный пузырь с четырехугольной долей [19]. Кроме того, для морских свинок характерно явное сужение шейной зоны желчного пузыря. Эта особенность и острый угол, образованный кистозным протоком с желчным пузырем, являются морфологическим субстратом застоя желчи и опосредуют склонность к образованию желчных камней, делая морских свинок релевантной моделью для исследования литолитиков. Общий печеночный проток отсутствует у морских свинок. Для общего желчного протока характерно уникальное ампулярное расширение, из которого небольшой проток впадает в первый сегмент двенадцатиперстной кишки. Открытие общего желчного протока в просвет двенадцатиперстной кишки находится в верхней части двенадцатиперстного сосочка, который располагается дистальнее привратника. У морских свинок скорость холереза составляет в среднем 230 мл/⁠кг в сут [13].

Основными кислотами в желчи морской свинки являются хенодезоксихолевая, урсодезоксихолевая и 7-⁠кетолитохолевая. Холевая (3α,7α,12α-⁠тригидроксихолановая) кислота содержится в желчи взрослых, но не у неполовозрелых морских свинок. В то время как хенодезоксихолевая (3α,7α-дигидроксихолановая) и 7-⁠кетолитохолевая (3α-⁠гидрокси-⁠7-кетохо­лановая) кислоты содержатся в желчи как у неполовозрелых, так и у зрелых морских свинок [20].

Печень кролика состоит из пяти долей — хвостатой, правой боковой, левой боковой, правой центральной и левой центральной. Печень фиксируется на месте в брюшной полости связками, соединенными с диафрагмой и дорсальной стенкой живота. У кролика отсутствует общий печеночный проток. Желчный пузырь представляет собой полый орган грушевидной формы, прилежащий к печени в углублении каудальной поверхности. Желчь выделяется в тонкую кишку через желчные протоки. У кроликов есть желчный пузырь, и общий желчный проток входит в двенадцатиперстную кишку отдельно от протока поджелудочной железы, тем самым его относительно легко канюлировать. Желчь вырабатывается непрерывно и хранится в желчном пузыре до ее выхода в тонкую кишку [21, 22]. Количество желчи, вырабатываемой этим животным в сутки, составляет около 120 мл/⁠кг [13].

Состав желчных кислот у кроликов значительно различается по сравнению с другими млекопитающими. Например, более 80% желчных кислот кролика состоит из дезоксихолевой. В отличие от большинства других млекопитающих, где билирубин является единственным конечным продуктом распада белков, содержащих гем, выделяемый с желчью, у кроликов с желчью выделяется как биливердин (70%), так и билирубин (30%), что, вероятно, связано и с низкой активностью биливердинредуктазы. У кролика конъюгация, по-видимому, почти полностью специфична для глицина. Конъюгированные желчные кислоты секретируются в систему желчных каналов, транспортируются по желчным протокам и хранятся в желчном пузыре [23, 24]. Амидирование у кроликов происходит в основном с глицином, как и у человека [5, 12].

Концентрация желчных кислот в сыворотке крови до и после приема пищи — маркер функции гепатобилиарной системы у лабораторных животных. Однако цекотрофия кроликов делает практически невозможным их голодание, необходимое для препрандиальной пробы, поэтому измерение желчных кислот в доклинических исследованиях проводится редко [25].

В таблице 1 представлена обобщенная информация по анатомо-физиологическим особенностям рассмотренных животных в качестве тест-систем.

Мыши и крысы являются достаточно распространенными тест-системами, однако существенное различие в составе желчных кислот (наличие мурихолевых кислот) ограничивает их трансляционность. Хотя холевая и хенодезоксихолевая кислоты являются основными желчными кислотами у крыс, все же общий состав желчи в большей степени схож с таковым у мышей. Небольшой размер тела мышей может вызвать трудности при хирургических манипуляциях, связанных с процедурой отбора желчи. Использование крыс в отличие от мышей таких трудностей не вызывает, однако у них отсутствует желчный пузырь, что указывает на анатомическое различие с гепатобилиарным трактом человека. Кролик обладает оптимальным размером тела и анатомическим сходством билиарной системы с человеческой, но присутствие биливердина и значительного количества дезоксихолевой кислоты в желчи указывает на различия в составах желчных кислот в сравнении с человеком.

Заметные различия в составе и метаболизме желчных кислот между лабораторными животными и людьми ограничивают трансляционность. Кроме того, видовые различия в метаболизме желчных кислот опосредуют таковые в гепатотоксичности желчных кислот. Например, у кроликов и морских свинок, хенодезоксихолевая и литохолевая кислоты вызывают поражение печени в связи с отсутствием способности к сульфатированию желчных кислот. При этом мыши и крысы более устойчивы к токсическому воздействию желчных кислот.

Морская свинка обладает оптимальным размером тела, что удобно для проведения манипуляций, анатомическим сходством с гепатобилиарной системой человека, высокой скоростью холереза и в целом схожим составом желчных кислот, также для нее разработано достаточное количество экспериментальных модельных патологий, что делает ее релевантной тест-системой для изучения гепатобилиарных патологий и соответствующих терапевтических агентов.

Заключение

Использование лабораторных животных продолжает играть решающую роль в изучении патологий гепатобилиарного тракта, метаболизма желчных кислот, разработке лекарственных агентов. Стоит отметить, что выбор определенного вида животного должен быть обусловлен многими факторами, к числу которых можно отнести анатомо-физиологическое сходство тест-системы и человека, также необходимо учитывать особенности метаболизма и состава желчи.

Мыши, крысы, морские свинки и кролики — распространенные лабораторные животные, используемые для изучения веществ, способных влиять на продукцию желчи. Так, основные анатомо-морфологические аспекты строения гепатобилиарной системы рассматриваемых животных соответствуют таковым у человека. Однако присутствуют и различия, например, у крыс отсутствует желчный пузырь. Кроме того, есть различия в метаболизме и составе желчных кислот — выработка у грызунов мурихолевых кислот снижает их трансляционную ценность.

У мышей, крыс и морских свинок желчные кислоты являются чувствительным индикатором функции и целостности печени. Однако у кроликов, хотя и происходит изменение уровня желчных кислот при патологии гепатобилиарной системы, все же цекотрофия значительно ограничивает возможность проведения препрандиальной пробы.

Анатомические особенности гепатобилиарной системы морской свинки, высокая скорость холереза и в целом схожий состав желчных кислот делают ее релевантной тест-системой для фармакодинамических исследований.

Стоит отметить, что выявленные особенности лабораторных животных не исключают использование тех или иных животных, а указывают на необходимость обоснованного выбора релевантной тест-системы с учетом специфики каждой из них.