Экспериментальные модели опухолеобразования с использованием лабораторных мышей

Лабораторных мышей используют в медико-биологических исследованиях по многим причинам. Это животные маленького размера, требуют небольшого количества пищи и места для содержания, просты в обращении и имеют достаточно многочисленные пометы.

Еще одна важная причина, использования мышей, – это генетическое сходство мыши и человека. Мышь была первым млекопитающим, геном которого был секвенирован, когда расшифровка последовательности генома человека была почти завершена. Геномное секвенирование мышей и многих других млекопитающих показывает степень геномного сходства кросс-видов. Это значительно увеличило ценность экспериментальных моделей на животных для исследований онкологических и многих других заболеваний человека.

Экспериментальные модели опухолеобразования с использованием лабораторных мышей наиболее часто применяются при изучении механизмов канцерогенеза, прогрессирования и метастазирования злокачественных новообразований. Также экспериментальные модели in vivo широко используются для изучения влияния факторов окружающей среды на образование и развитие опухолей [1]. Многими исследованиями доказана связь влияния экологических факторов, неионизирующей и ионизирующей радиации и химических веществ, диеты, а также состояния организма, например, уровень гормонов, с заболеванием злокачественными новообразованиями у человека [2]. Использование мышей в экспериментальных онкологических моделях обеспечило исключительное понимание биологии канцерогенеза человека.

В последние десятилетия рак легких занимает лидирующие позиции среди онкологических заболеваний. При этом отмечается непрерывный рост как заболеваемости, так и смертности от злокачественных новообразований легкого во всем мире [3]. Исследование развития опухолей легких в экспериментальных моделях на лабораторных животных является актуальным в связи с необходимостью разработки новых подходов диагностики, лечения и профилактики рака легких.

Имеющиеся классификации опухолей легких мышей основаны на исследованиях спонтанных пролиферативных поражений, а также на исследованиях новообразований индуцированных различными канцерогенами [4, 5]. При этом, как правило, классифицируют новообразования в соответствии с их клеточным происхождением и / или расположением в дыхательных путях. Например, в последнем издании  классификации опухолей грызунов [4] пролиферативные повреждения легких подразделяют в зависимости от их расположения либо в гортани, трахее, бронхе и бронхиоле (эпителиальная гиперплазия, плоскоклеточная метаплазия, папиллома, аденокарцинома и плоскоклеточная карцинома) или в легких (бронхиоло-альвеолярная гиперплазия, метаплазия слизистых клеток, плоскоклеточная метаплазия, бронхиоло-альвеолярная аденома, бронхиоло-альвеолярная карцинома, и др.).

В отличие от классификации новообразований у мышей, классификации человека в основном используют описательный морфологический подход для диагностики первичных опухолей легких с особым вниманием к фенотипическим признакам, несущим значительные прогностические значения [6]. Обычно опухоли классифицируются и оцениваются по их наиболее хорошо и слабо дифференцированным компонентам, соответственно. В этом контексте имеет значение происхождение от конкретной линии клеток и анатомической структуры, что, однако, часто, трудно идентифицировать в развившихся новообразованиях. Согласно нынешней классификации новообразований легкого и дыхательных путей ВОЗ все эпителиальные опухоли разделяют на доброкачественные (папилломы и аденомы), преинвазивные (плоскоклеточная дисплазия и карцинома in situ, атипичная аденоматозная гиперплазия и др.), и злокачественные (плоскоклеточный рак, мелкоклеточный рак, аденокарцинома, карцинома и др.). Примечательно, что гистологическая классификация опухолей дыхательной системы для домашних животных соответствует общим принципам классификации человека [7]. Современные классификации новообразований у мышей основаны на клеточном и/или анатомическом происхождении.

Однако, при исследовании канцерогенеза на мышах, следует учитывать некоторые особенности. Так у людей термин «доброкачественная опухоль» (папилломы и аденомы) зарезервирован для новообразований, которые редко или никогда не прогрессируют до рака.  В легочной патологии мышей аденомы обычно интерпретируются как часть континуума аденомы – карциномы [7-9]. Кроме того, гиперпластические и метапластические поражения интерпретируются как важная потенциальная часть канцерогенеза [8, 9] и включены в некоторые классификации рака легких мышей [4].

Изначально в экспериментальных моделях рака легких использовались инбредные линии мышей, восприимчивые к спонтанному и химически индуцированному развитию опухоли [8]. Заболеваемость спонтанными опухолями легких является зависимой от линии и пола. В высокочувствительном штамме A/J начало проявления опухолей легкого происходит в возрасте 3-4 месяца, а затем в возрасте 18-24 месяцев частота опухолеобразования возрастает вплоть до 100%. В менее восприимчивых линиях (Swiss, CD-1, BALB/c) заболеваемость опухолями легких колеблется от 15 до 50% [7]. Спонтанные опухоли легких распространены (до 40%) среди старых мышей линии 129 и FVB/N, а также у гибридов 129,B6, которые обычно используются в генной инженерии. В то время как другие линии варьируют от менее чувствительных (O20 и BALB/с) до более устойчивых (CBA и C3H) и, до практически полной устойчивости к опухолеобразованию в легких (C57BL/6 и DBA).

Наиболее распространенными первичными пролиферативными поражениями в легких стареющих мышей являются опухоли, которые возникают в периферической паренхиме легкого. В отличие от распространенности карцином у людей, большинство легочных опухолей у мышей описываются как гиперплазии и аденомы. Кроме того, наличие комбинации разных гистологических типов в одной опухоли нехарактерно для мышей, в отличие от общей гистологической неоднородности, наблюдаемой с частотой 30-60% в карциномах легких человека [4]. Возможные объяснения различий в гетерогенности включают образование спонтанных опухолей мыши из более совершенных клеток-предшественников, более низкую восприимчивость клеток-предшественников с потенциалом для плоскоклеточной метаплазии и нейроэндокринной дифференцировки к злокачественным преобразованиям и возможные различия в видах фенотипической пластичности клеток-мишеней [9].

Мышиные линии, восприимчивые к спонтанным опухолям легких, также чувствительны к химически индуцированным пролиферативным повреждениям. В литературе описаны много разнообразных химических веществ, которые могут вызывать образование опухолей легкого у мышей, включая уретан, металлы, афлатоксин и такие компоненты табака, как полициклические ароматические углеводороды и нитрозамины и их метаболиты [5, 8, 9]. Подобно спонтанным опухолям, большинство опухолей легких, вызванных канцерогенами, считаются аденомами [7]. Однако системное введение уретана и нитрозаминов может вызвать образование аденокарциномы [8].

Некоторые химические канцерогены, применяемые внутритрахеально (полициклические ароматические углеводороды) или системно (производные нитрозомочевины и 4-нитрохинолин-1-оксид), приводят к появлению новообразований легких, сходных с плоскоклеточными карциномами человека, а также с соответствующими предраковыми поражениями, такими как метаплазия и дисплазия бронхиального эпителия [10, 11].

При этом, в опухолях легкого мышей отмечены генетические изменения, общие с легочными новообразованиями человека, такие как активация онкогена K-ras и инактивация p16INKa [11-13]. Ген K-ras является одной из наиболее перспективных моделей для изучения механизмов наследственной предрасположенности к развитию опухолей легких, поскольку он идентифицирован как ген, детерминирующий чувствительность к пульмоноканцерогенезу, и у человека и у экспериментальных животных.

Недавние разработки с изменением генома мыши открыли возможность имитировать различные типы раковых заболеваний легких человека на основе их генетического состава. Создан ряд трансгенных и целевых моделей мутантных мышей, которые подвержены спонтанному развитию пролиферативные поражений легкого от эпителиальной гиперплазии до аденокарцином и/или проявляют повышенную восприимчивость к химическому канцерогенезу. Канцерогенез в этих моделях индуцируется специфической экспрессией онкогенов (SV40 Large T antigen, c-myc, H-ras, K-ras) под контролем промоторов самостоятельно или в сочетании с инактивацией генов восприимчивости опухоли, таких как p53, Rb1 и p16INK4a [11- 13].

В большинстве новых генетических моделей развиваются аденомы и аденокарциномы, которые похожи на спонтанные и химически индуцированные новообразования мышей [7, 9].

Разработка подходов к условной регуляции генов позволила решить такие важные проблемы патологии, как ранние стадии формирования опухоли и роль инициирующих событий в поддержании фенотипа опухоли [9]. В целом, прогрессирование новообразований к открытой злокачественности объясняется постепенным накоплением множественных генетических изменений. Однако, используя обратимую доксициклин-зависимую систему, исследователи продемонстрировали, что инициирующая мутация K-ras постоянно требуется для поддержания злокачественного фенотипа, а морфологически неопластические легочные поражения могут регрессировать в течение нескольких дней после удаления экспрессии онкогена [12].

Недавно разработанные генетические методы открывают новые перспективы для изучения молекулярных механизмов сайт-направленных генных мутаций, а также для развития представлений о роли регуляторных систем клетки в инициации и развитии канцерогенного процесса.

Конечно, существуют различия в физиологии лёгких между мышью и человеком, и прогнозирующая способность моделей опухолей легких мыши должна быть доказана. Но, модели рака легкого мыши, несущие похожие генетические поражения, и показывающие близкое фенотипическое сходство с человеческими опухолями легких, скорее всего будут аналогично реагировать при терапевтическом вмешательстве, что делает их несомненно полезными при доклинических исследованиях противораковой терапии.

Литература

  1. Meuwissen R., Berns A. Mouse models for human lung cancer. // Genes Dev.– 2005. – N.19.–  Р.643-664.
  2. Канцерогенез / Под ред. Д. Г. Заридзе. – М.: Медицина, 2004. – 576 с.
  3. Lung Cancer Estimated Incidence, Mortality and Prevalence Worldwide in 2012 // http://globocan.iarc.fr/old/FactSheets/cancers/lung-new.asp
  4. Dungworth DL, Rittinghausen S, Schwartz L, et al. Respiratory system and mesothelium. In: Mohr U, editor. International classification of rodent tumors. The mouse. Heidelberg: Springer-Verlag. 2001. – P. 87–137.
  5. Rehm S., Ward J.M., Sass B. Tumours of the lungs. In: Turusov VS and Mohr U, editors. Pathology of tumours in laboratory animals. Tumours of the mouse. 2nd ed. Vol 2. Lyon: International Agency for Research on Cancer. 1994. –  p. 325–355.
  6. Travis W.D., Colby T.V., Corrin B., Shimosato Y., Brambilla E. Histological typing of lung and Pleural Tumours. 3rd ed. Berlin: Springer Verlag. – 1999. – 156 p.
  7. Nikitin A.Y., Alcaraz A., Anver M.R., Bronson R.T., Cardiff R.D., Dixon, D., Fraire A.E., Gabrielson E.W., Gunning W.T., Haines D.C., et al. Classification of proliferative pulmonary lesions of the mouse: Recommendations of the Mouse Models of Human Cancers Consortium. // Cancer Res. – 2004. – 64. – Р. 2307–2316.
  8. Foley J.F., Anderson M.W., Stoner G.D., Gaul B.W., Hardisty J.F., and Maronpot R.R. Proliferative lesions of the mouse lung: Progression studies in strain A mice. Exp. Lung Res. 1991. – 17. – Р. 157–168.
  9.  Meuwissen R. and Berns A. Mouse models for human lung cancer // Genes. Dev. – 2005. – N.19, Vol. 6 . – Р. 643-64.
  10. Rehm S., Lijinsky W., Singh G., and Katyal S.L. Mouse bronchiolar cell carcinogenesis. Histologic characterization and expression of Clara cell antigen in lesions induced by N-nitrosobis-(2-chloroethyl) ureas. // Am. J. Pathol. – 1991. – N.139. – 413– 422.
  11. Malkinson A.M. Primary lung tumors in mice as an aid for understanding, preventing, and treating human adenocarcinoma of the lung. Lung Cancer // 2001. – N. 32. – P. 265–279.
  12. Malkinson AM: Molecular comparison of human and mouse pulmonary adenocarcinomas. // Exp Lung Res. – 1998. – 24. – Р. 541-555.
  13. Chen B., You L., Wang Y., Stoner G.D., You M. Allele-specific activation and expression of the K-ras gene in hybrid mouse lung tumors induced by chemical carcinogens // Carcinogenesis. – 1994. – V.15.  – P.2031-2035.
Веялкина Наталия Николаевна
Веялкина Наталия Николаевна

© Наталия Веялкина, кандидат биологических наук, заведующая лабораторией экспериментальных биологических моделей

e-mail: veyalkina@irb.basnet.by