비알코올성 지방간 질환 관련 동물 모델

비알코올성 지방간 질환(Non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)은 단순성 지방간, 지방성 간염, 지방간 섬유화 및 간경변을 포함한 알코올 남용이 없는 간병 증후군이다. 비알코올성 지방간 질환은 단순성 지방간에서 비알코올성 지방간염(non-alcoholic steatohepatitis, NASH)을 거쳐 간 섬유화로 발전될 수 있으며 심지어 간경변, 간세포 암종(hepatocellular carcinoma, HCC) 또는 간부전과 같은 말기 간질환을 유발할 수도 있다.

Younossi 등의 연구에 따르면, 비알코올성 지방간 질환(이하 NAFLD)은 세계적으로 간질환의 가장 중요한 원인 중 하나로 향후 수십 년 동안 말기 간질환의 주요 원인이 될 가능성이 높으며, 이 질병은 성인과 어린이에게 영향을 미친다는 것으로 보인다.

그림1. NAFLD의 전세계 유병률 및 PNPLA3 유전자형의 분포

 (Younossi Z, et al, 2017)

비알코올성 지방간염(이하 NASH)진단의 기준은 간생검이지만 이 방법은 매우 침습적이다. NAFLD 환자의 간 효소 수치는 때때로 정상적인 수준이며 초음파는 지방간을 검출할 수 있지만 섬유화나 염증은 검출할 수 없다. 아직 NAFLD에 대한 승인된 치료법이 없기 때문에 이 연구는 NASH 치료제 개발뿐만 아니라 새로운 진단 방법을 목표로 하고 있는 한편, 제약 및 생명공학 회사들은 NAFLD/NASH 연구에 많은 투자를 하고 있다.

동물 모델은 신약 개발 및 비알코올성 지방간 질환의 병리 생리학적 메커니즘 밝히는 데 중요한 역할을 한다. 전임상 연구에는 연구의 특정 NAFLD 표현형에 따라 서로 다른 동물 모델을 사용해야 한다. 또한 NAFLD 및 NASH의 전임상 동물 모델은 식이 유도 모델, 화학물질 유도 모델, 유전자 변형 모델 및 복합 모델, 이 네 가지 유형으로 나눌 수 있다.

1. 식이 유도 모델

고지방, 고당류 사료를 먹여 만든 지방간 동물 모델은 영양과잉, 음식물에 과도한 양의 지질, 콜레스테롤 또는 당류가 완전히 흡수되지 않아 지질은 간에 쌓여 지방간을 유발하는 것이 주요 발병 메커니즘이다. 또한 간의 염증성 변화 및 섬유화가 추가적으로 나타난다. 이 모델은 인간 NAFLD와 유사하며 가장 흔한 NAFLD 동물 모델이다. 식이 유도 모델마다 특성이 다르며, 연구를 시작하기 전에 모델을 제작하는 데 시간이 오래 걸린다는 것이 문제 일 수도 있다.

표1. 식이 유도 모델별 특성

Note: Y: Yes, N: No, (-): without report

2. 화학물질 유도 모델

저용량 streptozotocin과 고지방 식이의 결합은 마우스에서 NAFLD를 유발하는 데 사용되었으며, 이는 지방변성, 염증, 섬유화, 심지어 간세포 암종까지 일으킬 수 있다. 사염화탄소(CCl4)는 간 손상을 일으킬 수 있으며, 지방간 또는 간 섬유화를 유발하기 위해 단독으로 사용하거나 고지방 식이와 함께 투여될 수 있다. 그 메커니즘은 주로 CCl4가 간에서 산화 스트레스 반응을 유도하여 유해한 지질과 단백질의 과산화 산물이 지속적으로 생성되고 축적되며 심각한 괴사반응이 일어나 간세포 구조와 기능의 파괴를 초래한다는 것이다. 이 방법은 모델을 제작하는 기간이 짧지만 발병 메커니즘, 코스 변화 및 조직학적 형태는 인간의 지방간과 큰 차이가 있으며 약물 독성이 강해 동물의 사망을 쉽게 유발할 수 있다.

3. 유전자 변형 모델

간세포 지방의 생성 및 제거는 다양한 유전자에 의해 조절되며, 그의 돌연변이, 결실, 과발현 또는 변형은 지방의 대사에 영향을 미칠 수 있어 지방간을 형성한다. 따라서 동물의 유전자에 인위적으로 관여하면 NAFLD 동물 모델을 만들 수 있다.

표2. NAFLD 유전자 변형 모델별 특성

Note: Y: Yes, N: No, (-): without report

"Second Strike" 이론은 NAFLD 발병 메커니즘에 대해 널리 받아들여지는 이론이다. 이 중 "First Strike"는 인슐린 저항성에 의한 간지방 변성을 나타내고, "Second Strike"는 산화 스트레스, 염증인자 및 내독소 등을 의미한다.

ob/ob 마우스는 ob(Lepo)의 homozygous mutation을 가지고 있어 비만과 지방변성을 일으킨다. ob/ob 마우스와 Zucker 래트는 각각 렙틴 수용체를 암호화하는 db 유전자 또는 fa 유전자에 의해 돌연변이되며, 이는 렙틴 수용체의 기능 장애를 유발하여 렙틴 저항성을 일으켜 ob/ob 마우스와 유사한 유전적 표현형을 나타내게 한다. 그러나 이러한 모델들은 간 지방변성에서 지방간염으로 자발적으로 이행할 수 없으며, 식이나 화학물질 유도를 결합하여 "Second Strike"를 진행해야 NASH 표현형으로 발전시킬 수 있다.

PTEN은 간세포 지방산의 β 산화와 트리글리세리드 합성에 관여하는 지질 포스파타아제로 세포자연사, 세포 증식 및 분화, 종양 형성 등의 신호통로에서 negative regulator 역할을 한다. Sato W 등은 간-특이성 PTEN 유전자 Knock-Out 마우스가 인간 NASH와 유사한 간 손상을 가질 수 있음을 발견했다. 이러한 마우스는 생후 10주 후에 연속적으로 지방 간염, 간 섬유화 및 간선종이 발생할 수 있으며 마지막에 66%의 마우스들이 간세포암종을 병발한다. PPAR-α는 간에서 미토콘드리아 조절 및 퍼옥시좀 β 산화 유전자 전사에 관여하는 전사 인자로 ATP 생성을 조절할 수 있다. MTP는 미토콘드리아 지방산의 β 산화의 핵심 효소이다. 대체산화효소(AOX)는 퍼옥시좀에서 장쇄지방산의 β 산화의 속도제한효소이며 과산화수소를 생성할 수 있다. 이러한 유전자의 변형은 모두 지방산의 β 산화에 영향을 주어 NAFLD 모델을 제작할 수 있다.

메싸이오닌아데노실전달효소 1A (Methionine adenosyltransferase 1A, MAT1A)는 메티오닌 대사를 위한 간특이성 속도제한효소로 간에서 주요한 methyl donor인 S-Adenosyl-L-Methionine (SAMe)의 형성을 촉매할 수있다. MAT-1A Knock-Out 마우스에서 산화 방지제(예: 글루타티온)가 감소되고 간 지질 산화에 관여하는 유전자의 발현이 하향 조절된다.

죽상동맥경화증 연구에서 일반적으로 사용되는 Apoe Knock-Out 마우스는 고지방, 고콜레스테롤 식이를 먹일 때 지방변성, 염증 및 섬유화과 같은 NASH 표현형을 일으킬 수 있다.

유전자 편집 및 화학물질 유도 방법은 모델을 더 빠르게 제작할 수 있지만, 이에 의해 제작된 모델은 질병 유도 메커니즘과 관련이 없을 수 있다.

4. 복합 모델

앞의 세 가지 모델 모두 인간의 NAFLD 발병 메커니즘을 완전히 시뮬레이션할 수 없으며, 그 표현형은 인간 NAFLD와 차이가 있다. 많은 연구자들은 유전자 변형 모델을 식이 또는 약물 유도와 결합하여 복합 모델을 생성한다. 이는 복합 모델의 표현형과 발병 메커니즘을 인간의 NAFLD에 더 가깝게 만들고, 질병이 단순 지방간에서 NASH로 진전하며 NASH가 간 섬유화로 진전하는 과정을 반영할 수 있다.

가장 일반적으로 사용되는 복합 모델:

전형적인 NAFLD 조직학적 변화를 형성할 수 있는 모델: ob/ob 마우스 + methionine-choline deficient diet(MCD diet); db/db 마우스 + methionine-choline deficient diet(MCD diet); Zucker 래트 + methionine-choline deficient diet(MCD diet) /high fat diet.

db/db 마우스 + MCD diet 모델은 염증 및 세포 주변의 섬유화 모두에서 ob/ob 마우스 + MCD diet 모델보다 더 심각하며, 모델 제작 주기가 현저히 단축되기 때문에 db/db 마우스 + MCD diet 모델을 주로 사용하게 되었다.

복합 모델은 인간의 NAFLD를 최대한 시뮬레이션할 수 있으며, 병리학적 변화가 두드러지지만, 제작 프로세스는 약간 복잡하다.

방법에 따라 제작된 지방간 동물 모델의 표현형과 형성 메커니즘이 각각의 차이가 있다. 연구 목표에 따라 가장 적합한 동물 모델을 선택하고 이 NAFLD 모델의 합병증 등 요소를 고려하면 동물 모델의 사용에 영향을 미치지 않는다. 가능한 한 인간 NAFLD와 유사하고, 방법이 간단하며, 성공률이 높고, 동물 사망률이 낮으며, 제작 주기가 짧고 중복 사용성이 좋은 실험 모델을 선택하는 것을 권장한다.

본문에서 언급된 NAFLD/NASH 모델 외에도, 다양한 모델이 준비되어 있으니, 문의사항이 있으시면 86 20-31601779 또는 이메일 service-apac@cyagen.com으로 연락 부탁드립니다.

참고문헌:

1. Ma Fu-chao, Zhang Quan-yang, Wang Shuai, Wu Chong-ming, Guo Peng. Animal model of nonalcoholic fatty liver disease: research advances. J Int Pharm Res. 2017, 44 (05): 409-414. DOI:10.13220/j.cnki.jipr.2017.05.005

2. Liu Gexin, Xiao Xinhua. Animal model of nonalcoholic fatty liver disease and its selection methods. J Chinese Community Doctors. 2015, 31 (26): 5+9. DOI:10.3969/j.issn.1007-614x.2015.26.1

3. Younossi Z, Anstee QM, Marietti M, et al. Global burden of NAFLD and NASH: trends, predictions, risk factors and prevention. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology. 2018; 15 (1): 11‐20. DOI:10.1038/nrgastro.2017.109

4. NIH. (2020). Nonalcoholic Fatty Liver Disease & NASH: National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases. Retrieved from: https://www.niddk.nih.gov/health-information/liver-disease/nafld-nash

5. Van Herck MA, Vonghia L, Francque SM. Animal Models of Nonalcoholic Fatty Liver Disease-A Starter's Guide. Nutrients. 2017; 9 (10): 1072. DOI:10.3390/nu9101072

6. Schierwagen R, Maybüchen L, Zimmer S, et al. Seven weeks of Western diet in apolipoprotein-E-deficient mice induce metabolic syndrome and non-alcoholic steatohepatitis with liver fibrosis. Scientific Reports. 2015;5:12931. DOI:10.1038/srep12931

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