Как называется наука о крысах
Грызун особого назначения
Автор
Редактор
Профилактика и лечение заболеваний человека — основные задачи современной биомедицины. Незаменимыми помощниками ученых для их решения являются лабораторные животные, в особенности крысы. Крысы очень схожи с человеком по составу крови, структуре тканей, физиологическим реакциям в ответ на различные воздействия и т.д. Это делает лабораторных крыс прекрасным объектом для моделирования большого количества заболеваний человека, изучения патологических процессов, создания лекарств и разработки профилактических мероприятий. В статье речь пойдет именно об этих «тружениках» науки, которые ценою жизни способствуют прогрессу в науке и медицине.
Для маленьких детей крысы — это милые герои мультфильмов, которые не занимаются ничем другим, кроме как исполнением веселых песенок и танцев. Для взрослых крысы — злостные вредители, уничтожающие посевы и запасы, повреждающие электрические сети и имущество. К тому же они могут переносить опасные инфекционные болезни, в том числе холеру, бубонную чуму, сыпной тиф. Отдельно стоит заметить, что многие женщины панически боятся крыс вообще без особой на то причины, копируя запечатленную в детстве реакцию матери. Все эти факты подчеркивают только негативные моменты, выпавшие на долю крыс. Однако, как это ни парадоксально, нельзя недооценивать роль крысы в современной науке.
За последнее столетие роль крысы в медицине трансформировалась из разносчика инфекционных болезней в незаменимый инструмент экспериментальной медицины. Сейчас крыс используют в апробации новых приемов хирургии и трансплантологии, а также в исследованиях раковых заболеваний, диабета, психологических расстройств, регенерации нейронов и еще во многих областях медицины. Эти грызуны также являются ценными подопытными животными при оценке терапевтической эффективности и токсичности новых лекарственных соединений перед клиническими исследованиями на человеке.
Рисунок 1. Памятник лабораторной мыши в новосибирском Академгородке. Рисунок из «Википедии».
Почему же именно крысы обрели такую популярность? Во-первых, они относительно недороги в содержании. Во-вторых, они быстро размножаются, что позволяет биологам изучать генетические эффекты через несколько поколений потомков в течение разумного периода времени. В-третьих, геном крысы имеет более 90% сходства с геномом человека* [1]. Кроме того, по сравнению с другим удобным лабораторным объектом — мышью — на крысах проще проводить операции за счет их большего размера; к тому же они более устойчивы к различным заболеваниям.
Существует множество видов крыс, но в качестве лабораторного объекта в основном используется Rattus norvegicus. Это первый вид млекопитающих*, который стал объектом научных исследований — начиная с 1828 года. Со временем наука развивалась, и появились вопросы, требующие повышения точности и воспроизводимости экспериментов за счет уменьшения влияния генетических различий между особями. Озадачившись этой проблемой, ученые с помощью методов селекции начали выводить генетически однородных животных — так называемые чистые линии. Уже в 1909 году сотрудницей Вистаровского института (Пенсильвания, США) — доктором Хелен Кинг — была получена первая чистая линия крыс King Albino, которую затем переименовали в линию РА [3]. Это были обычные альбиносы. На сегодняшний день создано около пятисот линий крыс для различных исследований.
* — С мышами тоже начали работать еще в XIX веке, но официальным годом «рождения» лабораторной мыши считается 1909-й, т.к. именно в этом году была получена первая чистая линия [4]. В новосибирском Академгородке в 2013 году поставлен памятник в благодарность этому животному (рис. 1). — Ред.
С развитием генетики и молекулярной биологии крысы стали объектами изучения генетических болезней и молекулярных процессов, лежащих в их основе. Известно, что более 1000 наследственных заболеваний человека связано с мутациями в определенных генах. А поскольку крысы имеют большое генетическое сходство с человеком, учеными созданы линии крыс, моделирующие генетические заболевания человека. Сейчас выведено огромное число таких линий, однако мы остановимся лишь на некоторых, наиболее интересных для современной медицины.
Много есть — есть нехорошо
Крысы линии Zucker — классическая модель для исследования ожирения, гипертонии, сахарного диабета II типа и нарушений функции сердца (рис. 2). Они так названы, как ни странно, не в честь сахарного диабета, а в честь патологов Луиса и Теодора Цукеров из Колумбийского университета, впервые обнаруживших у крыс ген, ответственный за ожирение. У представителей линии 13M в 1961 году Цукеры выявили спонтанную рецессивную мутацию fa (от англ. fatty — жирный) в гене Lepr, кодирующем рецептор гормона насыщения — лептина. Эта мутация приводит к замене аминокислоты глутамина на пролин в рецепторе. Каскад событий, ведущий к ожирению, выглядит так: синтез мутантного рецептора, который встраивается в мембрану клеток гипоталамуса → лептин не может связаться со своим «пунктом назначения», т.к. изменена конформация рецептора → в мозг не поступают сигналы насыщения → животное ест весь период бодрствования [5]. При весе в один килограмм эти крысы — настоящие гиганты по сравнению со своими «обычными» 500-граммовыми братьями и сестрами. Однако до развития диабета дело обычно не доходит — инсулинорезистентность компенсируется повышенным синтезом гормона.
Рисунок 2. Крыса линии Zucker. Рисунок из [5].
Интересно, что у крыс Zucker подавлено физиологическое состояние «бей или беги». В норме симпатическая нервная система активирует это состояние, в частности отвечает за учащение пульса. При стимуляции сердца крысы линии Zucker гормоном симпатической нервной системы норадреналином частота сердцебиения не изменяется. Это может говорить о нарушении во взаимодействии норадреналина с его рецептором. Следовательно, крыс Zucker можно использовать не только для изучения влияния различных гормонов и препаратов на частоту и силу сердечных сокращений, но и для исследования заболеваний, вызванных нарушениями на уровне взаимодействия «гормон—рецептор».
Что стоишь, качаясь, тощая дивчина? В мозге нет рилина — вот и вся причина
Дрожащая крыса Кавасаки (shaking rat Kawasaki, SRK) впервые была описана в 1988 году в Стране восходящего солнца [6]. Дрожание крысы обусловлено мутацией в гене, кодирующем белок рилин. Этот белок отвечает за миграцию нервных стволовых клеток — будущих нейронов — в период созревания плода, а также некоторое время после рождения. Во взрослом мозге рилин играет большую роль в формировании памяти.
У крыс Кавасаки вследствие мутации понижен уровень рилина. Его недостаток приводит к нарушениям строения мозга, аномальному поведению и дрожащей походке (рис. 3). Интересно, что у человека есть гомологичный белок, выполняющий те же функции, что и у крыс. Поэтому грызуны с описанной мутацией являются хорошей моделью для изучения роли рилина в патогенезе различных пороков развития мозга из-за нарушения миграции нейронов. Так, уже показано, что шизофрения и аутизм связаны с недостатком рилина; болезнь Альцгеймера же, наоборот, сопровождается его избытком. Это позволяет уже на ранних стадиях развития предсказать будущие патологии человека и начать профилактику болезней.
Рисунок 3. Сравнение организации слоев коры головного мозга в норме и при патологии. Рисунок из «Википедии».
Слепые помощники
Рисунок 4. Строение сетчатки глаза млекопитающих. Сones, rods — колбочки и палочки; RPE (Retinal Pigment Epithelium) — клетки пигментного эпителия; 1 — внутренний сегмент фоторецептора; 2 — наружный сегмент фоторецептора. Рисунок из [9].
Крыса RCS (от Royal College of Surgeons) — первое известное животное с наследственной дегенерацией сетчатки. Эта линия была выведена более шестидесяти лет назад в Королевском колледже хирургии в Эдинбурге. Впервые в 2000 году был установлен генетический дефект, вызывающий это заболевание. Ученым удалось выявить у крыс RCS мутацию в гене Mertk, в результате которой погибают фоторецепторы [7]. Уже к трехмесячному возрасту животные абсолютно слепы [8].
Известно, что внешние сегменты фоторецепторных клеток постепенно отмирают, а на их место по типу конвейера приходят новые сегменты (рис. 4). Отмершие сегменты поглощаются клетками пигментного эпителия. Для того чтобы эти клетки смогли «съесть» сегменты, требуется запуск молекулярного каскада, главным активатором которого является тирозинкиназный рецептор Mertk. У крыс RCS из-за мутации не запускается вышеупомянутый каскад, в сетчатке накапливаются «мусорные» сегменты, которые способствуют отмиранию фоторецепторов.
В 2001 году группе американских ученых удалось исправить мутантный фенотип крыс с помощью инъекции рекомбинантных аденовирусов со здоровым геном Mertk непосредственно в сетчатку. В результате исследователям удалось остановить деградацию сетчатки больных крыс. Это говорит о том, что здоровый ген Mertk встроился в геном крысы и нормально экспрессировался [10]. В 2010 году было установлено, что гомологичный мутантный ген обнаружен и у пациентов (людей) с похожим заболеванием сетчатки* — пигментным ретинитом [11]. Все эти результаты подчеркивают важность крыс линии RCS в качестве модели для анализа молекулярных процессов при дегенерации сетчатки и генной терапии заболеваний сетчатки.
Старость не в радость
Первой моделью для изучения болезней старости [13, 14] стали крысы «отечественного производства» линии OXYS, полученные в 1975 году в Институте цитологии и генетики СО РАН. Изначально ученые хотели получить линию с наследственной катарактой. Для этого они использовали методы селекции и нагрузку галактозой, которая обладает катарактогенными свойствами. Однако помимо катаракты у крыс развивались и другие патологии: эмфиземы, кардиомиопатии, нарушение памяти, снижение иммунитета, остеопороз, предраковые состояния, — а также снижались рождаемость и продолжительность жизни. Следует подчеркнуть, что эти признаки анализировались или на фоне нагрузки галактозой, или же в ближайших последующих поколениях. Так у этих животных была получена наследственная галактоземия (неспособность усваивать галактозу). В дальнейшем отбор проводился по ранней спонтанной катаракте. Первые признаки катаракты наблюдаются ко второму месяцу жизни животного, а к шести месяцам катаракта развивается уже у 100% особей (и лишь у 5% «нормальных» крыс). К году жизни катарактой поражаются оба глаза крысы OXYS (рис. 5).
Рисунок 5. Фотографии глазного дна крыс. a — нормальное кровоснабжение сетчатки здоровых крыс; b — кровоснабжение сетчатки 3-месячных крыс OXYS; c — редуцированное кровоснабжение сетчатки крыс OXYS в возрасте 12 месяцев. Рисунок из [15].
С помощью офтальмологических и других исследований было показано, что катаракта крыс OXYS по характеру и молекулярным процессам соответствует возрастной катаракте у человека. Остальные болезни старости грызунов также имели общую природу с соответствующими патологиями человека. Эти животные могут помочь исследовать механизмы развития сенильных болезней, разработать способы их профилактики и лечения и, вероятно, создать препараты, которые позволят продлить жизнь. К тому же крыс OXYS можно рассматривать как универсальную модель для исследования процесса старения глаза [16].
Диабет не от конфет
В начале 1961 года ассистент научной лаборатории Западного Браттлборо (штат Вермонт, США) заметил, что бутылка-поилка была почти всегда пуста только в одной крысиной клетке из нескольких сотен. В этой клетке проживала самка крысы с семнадцатью детенышами. Затем было обнаружено, что некоторые детеныши пили очень много воды, а при введении им вазопрессина — антидиуретического гормона — потребление воды приходило в норму. В результате было показано, что эти крысята были больны несахарным гипоталамическим диабетом, вызванным спонтанно произошедшей мутацией — потерей одного нуклеотида (гуанина) — в последовательности гена вазопрессина (рис. 6) [17]. Эта мутация является рецессивной и обозначается di (сокращение латинского названия заболевания — diabetes insipidus). Вазопрессин синтезируется определенными клетками гипоталамуса, а секретируется уже из гипофиза. При недостатке воды в организме или при повышении концентрации солей в плазме крови он стимулирует обратное всасывание воды в почках. Кроме того, он повышает кровяное давление за счет способности вызывать сокращение кровеносных сосудов [18].
Рисунок 6. Участок нуклеотидной последовательности гена вазопрессина с мутацией у крыс линии Brattleboro. Картинка предоставлена лабораторией эпигенетики развития ИЦиГ СО РАН.
Крысы Brattleboro — рекордсмены среди животных по объему воды, который могут выпить, из расчета на массу тела. Отсутствие вазопрессина в крови приводит к постоянному мочеизнурению и потреблению воды, достигающему уровня 25–100% массы тела в сутки. Также у них нарушена общая сопротивляемость к инфекциям. Поведенческие тесты показали, что крысы линии Brattleboro проявляют ускоренное развитие двигательной активности, негибкое, стереотипное поведение, поэтому в некоторых работах предлагается использовать этих крыс в качестве модельного объекта при изучении шизофрении [19]. Кроме того, у крыс Brattleboro при введении раковых клеток наблюдается стабильное замедление опухолевого роста по сравнению с нормальными крысами. В отличие от непрерывного роста опухоли, типичного для обычных крыс, у мутантных в эксперименте он был незначительным и наблюдался лишь в течение первых 15–18 дней после пересадки, затем опухоль уменьшалась и полностью исчезала. При инъекциях вазопрессина рост опухоли временно усиливался, но в дальнейшем всё равно происходило ее уменьшение и рассасывание [20].
Крысы линии Brattleboro — незаменимая модель для изучения всех процессов, происходящих в почках, лишенных регуляции вазопрессином. Сейчас этих грызунов используют и в качестве модельных животных для отработки методик коррекции наследственных заболеваний.
Таким образом, крысы являются незаменимыми помощниками исследователей в борьбе за спасение человечества от всевозможных недугов. Они плечом к плечу с учеными бьются над решением задач, поставленных природой перед людьми. В статье была представлена лишь малая часть существующих линий.
Уже достигнуто немало, а с использованием технологий получения плюрипотентных клеток и новейших инструментов геномной инженерии — TALEN [21] и CRISPR/Cas9 [22] — будут разрабатываться революционные подходы к коррекции наследственных заболеваний человека, которые в дальнейшем можно будет безбоязненно внедрить в систему здравоохранения. Но «первый удар», конечно же, примут на себя лабораторные животные.
18 000 крыс в год: Они отдают свои жизни, чтобы служить науке
Многовековая борьба человека с крысой не привела ни к каким результатам — крыса как вид сейчас находится в стадии расцвета. Когда человек понял, что крыс ему не истребить, он решил извлечь из этого неудобного соседства пользу и заставил крысу служить науке. В год Белой Крысы по Восточному календарю — Vox Populi заглянул в Национальный центр экспертизы лекарственных средств и медицинских изделий, чтобы узнать, что это за зверь. И почему «научные» крысы бывают только белыми.
Мыши и крысы стали постоянными жителями научных лабораторий, потому что они легко размножаются, весьма устойчивы к инфекциям, за ними просто ухаживать. Как бы компенсируя причиненный крысами ущерб и несчастья, человек заставил крысу быть полезной. Сегодня крысы широко используются в экспериментальной биологии, генетике, медицине, вирусологии, психологии. Их можно увидеть в виварии практически любого научно-исследовательского института.
В Национальном центре экспертизы лекарственных средств и медицинских изделий есть свой виварий. Здесь на крысах испытывают медицинские препараты. Экскурсию по виварию для нас проводит заведующая лабораторией фармакологических испытаний Валентина Шнаукшта.
8 000 препаратов в Казахстане были протестированы на крысах
— У нас есть четыре вида лабораторных животных. К мелким животным относятся мыши, крысы и морские свинки. К крупным — кролики.
Почему лабораторные исследования проводятся на грызунах? Крысы имеют очень быстрый обмен веществ, но он похож на то, как это происходит у человека. Крысы имеют такой же набор органов, как у человека. Они быстро размножаются. Четырехмесячная крыса — это уже слишком старое животное для экспериментов, мы можем не успеть получить полную картину. Но иногда крысы живут до одного года.
VOX: Чем удивительны лабораторные крысы?
— У нас линейные крысы. То есть не помешенные с другими подвидами, у них чистая линия.
Вообще, крысы встречаются с пятнами, серые, коричневые, но у нас это недопустимо. Наши — чисто белые, с красными глазами. Для экспериментов нужны именно такие. На них есть маркировка, которая говорит о том, что животные участвуют в эксперименте.
Крыса заслуживает благодарности
— Подопытные грызуны у нас содержатся в комфортабельных условиях — стерильных боксах. Кормят подопытных крыс специальным гранулированным кормом с содержанием микроэлементов.
Для исследований крыса должна достигнуть определенного возраста и веса — не менее 200 граммов. Доза лекарственного препарата, который мы испытываем на крысе, вводится в зависимости от веса животного. Затем мы наблюдаем, какое влияние оказывает на организм крысы тот или иной препарат.
— Вклад крыс в науку огромен! Практически все препараты, которые существуют на рынке Казахстана — а это порядка 8 000 наименований — протестированы до момента их внедрения в клиническую практику на аллергены, на токсичность, на местное раздражающее действие. Все эти эксперименты проводились на крысах.
Мы благодарны нашим крысам. Они очень хорошие… Они милые… Они для нас работают, они для нас живут, жертвуют свою кровь, свои органы на исследования. В конечном итоге, они жизнь отдают на то, чтобы наука двигалась вперед, а человек получал новые, более эффективные способы борьбы с болезнями.
После клинических исследований грызуны подвергаются усыплению и утилизируются.
VOX: Сколько подопытных животных в день отдают свою жизнь ради науки?
— Точное количество подопытных крыс мы назвать не можем. От 10 до 70 в день. В год их количество составляет порядка 18 тысяч.
VOX: Крысы героически переносят все манипуляции, которые на них проводят?
— Да! Наши крысы — настоящие герои. Они спокойно ведут себя, они уже привыкшие.
— Крысе у нас вообще нужно поставить памятник! Кстати, есть памятник лабораторной мыши за вклад в науку, он установлен в новосибирском Академгородке. Он символизирует благодарность животному за то, что человечество имеет возможность использовать мышей в научных целях и с их помощью идти к прогрессу в медицине и других науках.
Крысы — плохие матери
О характере крыс нам рассказала Марина Телеляева, специалист вивария высшей категории:
— Крысы — уникальные животные и очень своенравные. Если, например, сравнивать материнский инстинкт крысы и мыши, то мышь будет в более выигрышном положении: мыши — прекрасные матери. Мышь согревает детенышей своим телом, заботится о них. Она сама погибнет, но малышей своих спасет.
— У крысы очень сильный инстинкт самосохранения. Если она чувствует какой-то дискомфорт, нехватку еды, она принимает позу эмбриона и отпинывает своих детей: мол, вы как хотите — я сама должна выживать. И замирает в положении эмбриона до того момента, пока ситуация не улучшится.
Крыса, даже лабораторная, имеет интересную особенность. Забеременев и почувствовав недомогание, недостаток еды или тепла, она может сама «заморозить» либо прервать свою беременность, вплоть до того, чтобы рассосать в себе эмбрионы.
Были уникальные случаи, когда крыса «размораживала» беременность через полгода и спокойно ее донашивала. То есть у нее уникальные способности по выживанию.
— Беременность у крысы длится 21 день. Приносит она от 10 крысят, причем с каждой последующей беременностью их рождается больше.
VOX: Крыса умное животное?
— Чрезвычайно. В плане выживания и адаптации она даже умнее некоторых людей (смеется).
Нюх крысы в миллиард раз превышает возможности человеческого обоняния
— Интересно, что хвост крысы, который все считают мерзким и противным, — самое ценное как для нее самой, так и для исследований. В хвостовую вену чаще всего вводятся препараты. В хвосте аккумулируется все тепло организма: крыса обнимает свой хвост и греется — это ее грелка.
А еще у крысы есть сверхспособности. Если человеческое ухо слышит звук громкостью от 30 децибел, то крыса улавливает звуки от 0 децибел: то есть крыса может слышать наше дыхание. Обоняние крысы в миллиард раз превосходит наше. А вот зрение у крыс слабое, особенно у лабораторных.
VOX: Представляет ли крыса угрозу при исследовании?
— Крыса может переносить 14 паразитарных и 26 инфекционных заболеваний. При этом сама она не болеет ими, а только является переносчиком. Но все животные, которых мы покупаем, проходят период контроля и карантина, во время которого крыса получает все необходимые препараты от скрытых патогенов и становится для нас относительно безвредной.
Конечно, работа в виварии — вредное производство, но из профессиональных заболеваний это может быть только накопительная аллергия на шерсть. Надо просто следовать технике безопасности, и всё будет в порядке.
VOX: Лабораторная крыса и крыса из зоомагазина — это разные животные?
— Крыса лабораторная и декоративная — это один вид животных. Но у декоративных допускаются пятна. У них и содержание, и кормление другое. Крыса в клетке должна быть подвижной, должна всё время играть. Наши крысы спокойные, они все время спят.
VOX: Может ли крыса напасть на человека?
— Если она голодная или чувствует опасность, спящему человеку она запросто может обглодать уши. При этом со слюной крыса выделяет обезболивающее вещество, и спящий человек ничего не чувствует.
VOX: Почему так много крыс в городе?
— Наверное, потому что у нас много для них еды: кафе, рестораны, частный сектор, где многие держат скот. Но это уже вопросы к СЭС. Они должны вести борьбу с крысами, проводить обязательную дератизацию. К сожалению, наши люди вынуждены сами бороться с грызунами, и они не всегда делают это грамотно и не всегда пользуются нужными препаратами. Уже 26 человек в городе скончались от китайского контрабандного инсектицидного препарата «Палач».