당뇨병 저격용 마우스 모형 큰 효과 있다

당뇨병 개요

당뇨병은 만성질환의 하나로 상대적으로 인슐린이 부족하거나 절대적으로 결핍되어 고혈당을 일으키는 것이 특징입니다. 만성 고혈당은 여러 합병증을 일으킬 수 있습니다. 예를 들면 신경병변, 신장병 및 망막병변과 심혈관 질환의 위험을 증가시킵니다. 세계보건기구(WHO)에 따르면 2030년까지 당뇨병이 전 세계에서 일곱 번째로 큰 사망원인이 될 것으로 보입니다.

가장 흔한 당뇨병은 I형 당뇨병(T1D)과 II형 당뇨병(T2D)으로 모두 다인성 질환으로 매우 복잡한 유전적 요인이 환경적 요인과 상호작용을 일으켜 질병을 발전시킵니다. I형 당뇨병은 전체 당뇨병의 약 10%, II형 당뇨병은 전체의 약 90%를 차지하고 있으며 비만, 좋지 않은 식생활, 단련 부족 등 생활방식이 II형 당뇨병 발병 위험에서 중요한 역할을 합니다.

당뇨병은 전 세계적으로 발병률 수치가 높기 때문에, 새로운 항당뇨병 약물을 개발하고 그 작용 메커니즘을 확정하기 위해 광범위한 연구가 필요합니다. 이 때문에 최근 몇 년 동안 많은 당뇨병 동물 모형이 발전·보완되었는데, 그 중에서도 생쥐 모형에 대한 묘사가 가장 전면적입니다.

I형 당뇨동물 모형(T1D)

I형 당뇨병의 주요 특징은 췌장 베타세포의 자가면역 파괴로 인슐린 분비가 부족하다는 것입니다. I형 당뇨병의 동물 모델은 자가면역성 당뇨병을 자발적으로 발생시키는 동물과 췌장세포의 화학소융술입니다. T1D 동물모델을 세우는 방법에는 항인슐린 혈청, 췌장절제술, 포도당 주사, 베타세포독성약물, 바이러스 등 다양한 방법이 있습니다. 사람의 T1D를 반영한 동물모델은 기초연구와 임상전 연구에서 모두 중요한 의미를 가지며, 이는 T1D의 발병 메커니즘을 알 뿐만 아니라 치료 잠재력을 가진 새로운 치료법(단일약물 또는 공동치료)을 평가하는 데도 도움이 됩니다. I형 당뇨병에는 5가지의 자발적 상용모델이 있는데, 현재 가장 많이 사용되는 것은 NOD작은 마우스와 BB큰 마우스입니다.

그림 1. T1D 마우스 모형

1. NOD작은 마우스

NOD 쥐는 1974년 일본 오사카 염야목연구소 연구에 의해 개발된 것으로 [4] 자신의 면역성 질환(예: T1D) 병리 생리메커니즘을 이해하는 선호 동물 모델입니다. NOD 생쥐는 3주령 또는 4주령에 췌도염이 발생합니다. 췌도는 선천 면역세포에 침윤됩니다. 주로 CD4+와 CD8+ 림프세포 및 NK와 B세포, 돌상세포, 대식세포와 중성립세포입니다[5,6]. NOD 마우스의 이 과정은 사람과 동일하며 사람의 췌도 침윤에서도 비슷한 면역세포[7]가 발견됐습니다. 약 4-6주령부터 선천성면역세포의 췌도 침윤은 면역체계의 CD4+와 CD8+T세포아군을 더욱 끌어당깁니다[8]. 이 같은 고유 면역세포와 적성 면역세포가 췌도를 적시는 활동을 하면서 면역 응답이나 죽음의 방식을 통해 췌도세포를 파괴하기 시작했는데 이것이 당뇨병 발생의 필수조건이었습니다. 또한 췌도염으로 인해 베타세포가 파괴되고, 인슐린의 약 90%가 현성 당뇨병이 발병한 지 10-14주 내에 소실됩니다. 당뇨병 NOD 마우스는 체중이 빠르게 감소해 인슐린 치료를 받아야 당뇨병 동물이 최장 30주까지 생존할 수 있습니다.

이 모델은 인간과 유사한 자발적 질병을 발전시키기 때문에 질병의 표상 면에서 인간과 매우 가깝습니다. 이 모델은 질병의 병리 생리를 이해하는 데 매우 중요한 역할을 하는데, 새로운 인간과 유사한 자신의 항원과 생체표지물을 식별하고, 연구진의 치료 표적지[9]의 설계와 선별을 돕습니다.

NOD 마우스와 인간에서 발견된 50여개의 유전자 위점은 면역기능과 조절, 췌장의 베타세포 기능과 관련된 유전자로 T1D의 쉬운 감성에 있어서 중요한 역할을 합니다[10]. 그러나 NOD마우스와 인간의 감성은 대부분 MHC II 같은 단일 유전자자리에서 비롯됩니다[11]. 많은 연구결과 NOD 마우스의 MHC II 단백질은 인간과 구조적으로 비슷하며, 이는 NOD 마우스와 인간 모두 이 질환에 저항력을 가지거나 감수성이 좋은 원인일 수 있습니다[12]. 이 때문에 NOD마우스는 자가면역반응 조절과 관련된 치료에 이상적인 임상동물 모델로 꼽힙니다.

2. BioBreeding Diabetes Prone (BB) 큰 마우스

BB마우스는 비친연성 Wistar 큰 마우스로 자발적인 자가 면역성 당뇨병 모델을 대표합니다. 1974년 캐나다 식민지에서 이런 특징을 가진 쥐가 처음 발견됐습니다. 이 품계는 자교계(BBDP/W)와 원교계(BBDP)라는 두 가지 하위 품계로 발전했습니다[2]. BB큰 마우스는 일반적으로 발육기 이후(약 90%) 당뇨병이 발생하는데, 암수 사이에는 성별 차이가 없습니다. BB쥐의 당뇨병 표형은 매우 극단적이며, 고혈당, 저인슐린혈증, 체중감량, 케톤뇨가 특징입니다[3]. BB쥐는 즉각적인 인슐린 치료를 통해 생존을 유지해야 합니다. 췌도염에 걸린 BB 마우스는 주요 면역 세포를 가지고 있습니다. 예를 들면 T세포, B세포, 대식세포 및 NK세포입니다. 하지만 CD4+T세포가 심각하게 감소하고 CD8+T세포가 거의 없습니다. 또 마우스에서도 ART2+T세포의 결핍이 확인됐는데, 이 중 ART2는 성숙한 T세포의 동종 이체항원을 의미하며 이는 면역조절 특성을 가진 세포를 인식하는 데 필수적입니다. BB큰 마우스는 췌도 이식에 견딜 수 있도록 유도하는 가장 좋은 작은 동물 모형으로 당뇨병 신경병변의 관여와 유전학 연구에 사용되고 있습니다[2]. 췌장염을 발생시킨 뒤 베타세포를 선택적으로 파괴하여 50~90일령에 당뇨병을 일으킬 수 있습니다. 자발성 당뇨병 BB마우스의 췌도염은 자연병정이 NOD마우스와 다릅니다.

II형 당뇨병동물 모형(T2D)

II형 당뇨병은 비만과 비비만 동물 모델에서 모두 인슐린 저항과 베타세포 부전이 다릅니다. 따라서 II형 당뇨병의 동물 모델은 주로 인슐린 저항 모델과/또는 베타세포부전 모델을 포함합니다. 많은 2형 당뇨병 동물 모델이 비만 모델인 것은 비만이 인간의 2형 당뇨병 발전과 밀접한 관련이 있음을 말해줍니다. T2D 동물모델 수립은 단일유전자 비만, 다유전자 비만, 고지방 음식, 비비만 모델, 유전유도 모델 등 다양한 방법을 다루고 있습니다. T2D 동물 모델의 건립은 기초와 임상 전 연구에 매우 중요한 의의를 갖습니다[13]. 자발적 II형 당뇨병의 단골모델은 Lepob/ob 작은 마우스, Zucker지방 마우스, Zucker당뇨병 지방마우스 등입니다.

그림 2. T2D 마우스 모형

1. Lepob/ob 작은 마우스

C57BL/6 마우스의 6번 염색체가 자발적으로 돌연변이를 일으켜 중비만 Lepob/ob 생쥐 모형입니다. 이 돌연변이는 1949년 잭슨랩의 한 원교군에서 처음 발견됐습니다. 그러나 돌연변이 단백질은 1994년에야 렙틴[14]이라는 사실이 밝혀졌습니다. Lepob/ob 마우스는 2주령부터 체중이 증가하기 시작하며, 고인슐린혈증을 동반하여 야생형 정상 마우스보다 체중이 3배나 더 나가게 됩니다. 4주 후 고혈당이 눈에 띄게 나타나면서 혈당농도가 점점 높아져 3-5개월에 최고조에 달하고 이후 마우스의 나이가 들수록 혈당농도가 떨어지기 시작합니다[15]. 10 일째에는 산열 손상을 검사 할 수 있고, 많이 먹고 에너지 소모가 감소합니다. 체지질이 증가하고, 비만이 뚜렷하다는 것을 알 수 있습니다. 기타 이상 증상으로는 고지혈증, 체온 조절 안 함, 체력활동 감소, 불임 등이 있습니다[16]. 또한 Lepob/ob 생쥐에서는 인슐린 세포가 급격히 감소하고 인슐린 방출 이상이 있습니다[17]. 비만 쥐에 렙틴을 주사하면 체중 증가를 감소시키고 음식 섭취를 감소시켜 에너지 소비를 증가시켜 인슐린 민감성을 높일 수 있습니다[18]. Lepob/ob 생쥐는 비만이 심하고 고인슐린혈증과 평생 인슐린저항을 동반하며 이러한 증상들로 인해 외주 인슐린 민감성 개선과 체중저감 약물 연구에 중요한 역할을 합니다(예를 들면 인슐린증민제, 항비만, 기타 고혈당제들)[19].

2. Zucker지방 큰 마우스와 Zucker당뇨병지방 큰 마우스

Zucker 지방 큰 마우스는 Merck M-strain 과 Sherman 마우스가 1961 년에 교잡하여 되었습니다[20]. ZDF 큰 마우스는 4 주 후에 비만이 되어 당뇨병으로 발전했습니다. 이들은 렙틴 수용체 돌연변이가 호식증을 유발하는 것이 특징입니다. 비만 쥐는 고인슐린혈증, 고지혈증, 고혈압 등의 대사 이상과 함께 당내량 손상을 동반합니다[21]. 고에너지 설치류 음식에 렙틴 수용체가 fa/fa(순합 돌연변이)를 일으켜 수컷 쥐에게 T2D가 나타났습니다. 또 3 ~ 8 주령 사이에 심각한 인슐린 저항성과 포도당 불내성이 나타났습니다. ZDF 큰 마우스는 8 ~ 10 주령에 고도의 당뇨병을 앓고 있으며, 10 ~ 11 주령에 먹는 상태의 포도당 수준은 500MG/DL 로 더욱 증가합니다. 췌도 DNA 함량이 높아지는 것은 혈청 인슐린과 관련이 있다는 증거가 있어, 췌도 증식이 ZDF 큰 마우스 고인슐린 혈증의 발생발전에 중요한 역할을 한다는 것을 시사합니다 [22].

비만 마우스의 트리글리세리드과 콜레스테롤 수준이 마른 마우스보다 높으며 이는 뼈근육과 췌도의 지방산 대사 과잉으로 인한 지방독성 때문입니다[23]. 뚱뚱한 ZDF 마우스에게 고포화지방과 자당을 먹이는 식사를 통해서도 매우 높은 수준의 지방 생성을 유도할 수 있습니다. ZDF 마우스에서 돌연변이를 유도하면 Zucker Fatty 마우스보다 비만도가 적은 근친 교배 ZDF 마우스아계가 생기지만 β세포의 사망 수준이 증가해 인슐린 저항이 심하고 8주 때 고인슐린혈증이 나타나며 나이가 들수록 인슐린 수준이 낮아지는 것이 특징입니다(24). 그러나 암컷 ZDF 마우스는 당뇨병이 뚜렷하게 나타나지 않는다. 렙틴 수용체 결함의 수컷 ZDF 마우스(ZDF/CrlCrlj)는 임상 전 연구에서 유행한 T2D 모델로 인슐린 구조가 중단되고 B세포가 탈입과립, B세포의 사망이 증가하는 것으로 나타났습니다.

Cyagen 바이오 당뇨병 연구 서비스

Cyagen는 종합 솔루션 제공 업체로서 품계가 풍부한 유전자 편집 생쥐 자원 라이브러리, 효율적이고 지능화된 패턴 동물 맞춤형 플랫폼, 약물 선별 평가 생쥐 모형 플랫폼, 원스톱 동물 표형 분석 플랫폼, 원스톱 무균 쥐 기술 서비스 플랫폼 및 선진 세포 기술 서비스 플랫폼에 힘입어 다중 일체형 혁신적인 CRO 플랫폼 서비스 네트워크를 구축했습니다. Cyagen의 다양한 당뇨병 마우스 모델: NOD 마우스, 고지방 음식 유도 비만 마우스 모형(DIO), 고당 고지식 결합 저선량 복강주사 체스트렙토조토신(STZ) 구축 T2DM 마우스 모형 등 다양한 종류의 당뇨병 마우스 모델을 제공할 수 있습니다.

또 Cyagen 붉은쥐 자원은행은 Cd28, Abcc8, Gck, Hkdc1 등 다양한 당뇨병 관련 유전자 편집 생쥐 모델을 제공할 수 있습니다. 과학 연구 기관, 의약 연구 개발 실체의 동물 모델에 대한 다양한 수요를 만족시킵니다. 필요하다면 당신의 연구를 위한 맞춤 제작을 위해 [email protected]로 연락 주십시오.

참고 문헌

[1] Jia G, Whaley-Connell A, Sowers J R. Diabetic cardiomyopathy: a hyperglycaemia- and insulin-resistance-induced heart disease[J]. Diabetologia, 2018, 61(1): 21-28.

[2] Mordes J P, Bortell R, Blankenhorn E P, et al. Rat models of type 1 diabetes: genetics, environment, and autoimmunity[J]. ILAR J, 2004, 45(3): 278-291.

[3] Rees D A, Alcolado J C. Animal models of diabetes mellitus[J]. Diabet Med, 2005, 22(4): 359-370.

[4] Hanafusa T, Miyagawa J, Nakajima H, et al. The NOD mouse[J]. Diabetes Res Clin Pract, 1994, 24 Suppl: S307-S311.

[5] Yoon J W, Jun H S. Viruses in type 1 diabetes: brief review[J]. ILAR J, 2004, 45(3): 343-348.

[6] Diana J, Simoni Y, Furio L, et al. Crosstalk between neutrophils, B-1a cells and plasmacytoid dendritic cells initiates autoimmune diabetes[J]. Nat Med, 2013, 19(1): 65-73.

[7] Willcox A, Richardson S J, Bone A J, et al. Analysis of islet inflammation in human type 1 diabetes[J]. Clin Exp Immunol, 2009, 155(2): 173-181.

[8] Al-Awar A, Kupai K, Veszelka M, et al. Experimental Diabetes Mellitus in Different Animal Models[J]. J Diabetes Res, 2016, 2016: 9051426.

[9] Pearson J A, Wong F S, Wen L. The importance of the Non Obese Diabetic (NOD) mouse model in autoimmune diabetes[J]. J Autoimmun, 2016, 66: 76-88.

[10] Noble J A, Erlich H A. Genetics of type 1 diabetes[J]. Cold Spring Harb Perspect Med, 2012, 2(1): a7732.

[11] Chen Y G, Mathews C E, Driver J P. The Role of NOD Mice in Type 1 Diabetes Research: Lessons from the Past and Recommendations for the Future[J]. Front Endocrinol (Lausanne), 2018, 9: 51.

[12] Todd J A, Wicker L S. Genetic protection from the inflammatory disease type 1 diabetes in humans and animal models[J]. Immunity, 2001, 15(3): 387-395.

[13] Defronzo R A, Ferrannini E, Groop L, et al. Type 2 diabetes mellitus[J]. Nat Rev Dis Primers, 2015, 1: 15019.

[14] Zhang W, Kamiya H, Ekberg K, et al. C-peptide improves neuropathy in type 1 diabetic BB/Wor-rats[J]. Diabetes Metab Res Rev, 2007, 23(1): 63-70.

[15] Park J S, Rhee S D, Kang N S, et al. Anti-diabetic and anti-adipogenic effects of a novel selective 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 inhibitor, 2-(3-benzoyl)-4-hydroxy-1,1-dioxo-2H-1,2-benzothiazine-2-yl-1-phenylethanone (KR-66344)[J]. Biochem Pharmacol, 2011, 81(8): 1028-1035.

[16] Lindstrom P. The physiology of obese-hyperglycemic mice [ob/ob mice][J]. ScientificWorldJournal, 2007, 7: 666-685.

[17] Lavine R L, Voyles N, Perrino P V, et al. Functional abnormalities of islets of Langerhans of obese hyperglycemic mouse[J]. Am J Physiol, 1977, 233(2): E86-E90.

[18] Asensio C, Cettour-Rose P, Theander-Carrillo C, et al. Changes in glycemia by leptin administration or high- fat feeding in rodent models of obesity/type 2 diabetes suggest a link between resistin expression and control of glucose homeostasis[J]. Endocrinology, 2004, 145(5): 2206-2213.

[19] Chakrabarti R, Vikramadithyan R K, Misra P, et al. Ragaglitazar: a novel PPAR alpha PPAR gamma agonist with potent lipid-lowering and insulin-sensitizing efficacy in animal models[J]. Br J Pharmacol, 2003, 140(3): 527-537.

[20] Phillips M S, Liu Q, Hammond H A, et al. Leptin receptor missense mutation in the fatty Zucker rat[J]. Nat Genet, 1996, 13(1): 18-19.

About Cyagen

Cyagen 바이오테크놀로지 그룹은 모델 동물 약물 개발을 기반으로 하는 국제화된 혁신적인 CRO 플랫폼입니다. 품계가 풍부한 유전자 편집 생쥐 자원 라이브러리, 효율적이고 지능적인 패턴 동물 맞춤형 플랫폼, 약물 선별 평가 생쥐 모형 플랫폼, 원스톱 생쥐 표형 분석 플랫폼, 원스톱 무균 쥐 기술 서비스 플랫폼 및 선진 세포 기술 서비스 플랫폼에 의해 다중 일체화된 혁신적인 CRO 플랫폼 서비스 네트워크를 구축하여 종양, 면역, 대사, 내분비, 심혈관, 신경 및 전염병 등의 방향에 대한 과학적 연구 및 약물 개발, 또한 전 세계 100여개국 수만명의 과학자 및 기업체들과 광범위한 협력을 맺고 제품과 기술은 CNS(Cell, Nature, Science) 3대 저널을 포함한 5700여편의 학술논문에 직접 활용되고 있습니다. Cyagen은 ISO9001:2015와 AAALAC의 인증을 받았으며, 많은 전문가 학자들에게 제공되는 모든 제품과 기술 서비스가 국제 표준에 적합함을 확보함과 동시에 동물 복지와 윤리를 존중하고 생물 안전을 중시하는 우리의 책임 있는 태도를 나타냈습니다. 필요하시면 백스테이지 댓글이나 [email protected]로 문의 주세요.