IBD 동물 모델간 특징 비교
각 동물 모델들은 다양한 의문사항 및 실험목적에 적합한 고유한 특징들을 가지고 있습니다. 따라서, 각 동물 모델의 이점과 한계를 이해하는 것은 여러분이 적합한 동물모델을 선택하는데 있어 매우 중요합니다. (Table 1의 요약 참조)
Mouse 와 Rat: 가장 일반적인 동물 모델
Mouse는 다음과 같은 특징 때문에 장 연구에서 가장 일반적으로 사용되는 동물 모델입니다:
- 유전자 조작이 용이
- 많은 유전자 변형 mouse 들을 사용 가능
- 번식 효율이 높음
- 인간의 마이크로바이옴, 면역 반응, monogastric anatomy, 장 기능 등이 유사
원하는 표현형(phenotype)을 생산하는 유전자 변형 mouse를 생성하거나 확보하는 것이 비교적 쉽기 때문에, 연구자들은 선천적인(innate) 그리고 후천성(adaptive)의 면역 반응과 장 염증의 다양한 측면들을 조사할 수 있으며, 다양한 연구목적에 적합한 mouse 모델을 만들 수 있습니다.
Mouse 모델을 사용하면 여러 가지 이점이 있지만, 몇 가지 단점이 있습니다. 장내 병변 (화학적 유도 후)은 IBD 환자의 병변과 동일하지 않고, 분식증(coprophagy)은 잠재적으로 영양 연구를 혼란스럽게 할 수 있으며, 개별 mouse에서 채취할 수 있는 조직 샘플 크기가 작기 때문에 분석을 위해 샘플을 모아야 할 수 있습니다.
다른 설치류 모델은 rat입니다. rat은 더 크고 장내 미생물 군집 구조와 장내 염증에 대한 식이 영향을 조사하는 연구에 적합합니다.
다양한 mouse 종에서 대장염을 유발하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.
선충(Nematodes) 과 곤충: 많이 사용되지는 않지만, 높은 처리량을 가짐
선충 (예, C. elegans)과 곤충 (예, D. malanogaster)은 작고 후천성 (adaptive) 면역 시스템이 없지만, 포유류의 장과 일부 유사점이 있습니다:
- 변형된 선천성(innate) 장내 면역 시스템
- antimicrobial peptide 생산
- 신호 경로
- 장 내 숙주와 미생물의 상호작용
이런 유사점들은 저비용과 빠른 번식기간의 특징과 연결되어, 장염과 관련된 초기 과정을 연구하는데 유리합니다. 선충과 곤충을 사용하는 것의 가장 큰 단점은 후천성 (adaptive) 면역 반응이 없다는 점이며, 이로 인해 용도가 제한적입니다.
Zebrafish: 유용하고, 비용면에서 효율적 솔루션
Zebrafish는 선충이나 곤충과는 달리 선천성 및 후천성 면역 반응 연구에 모두 사용될 수 있으며, IBD 유도 시 병리학적 변화를 보이는 몇 개의 장기를 더 가지고 있기 때문에 아주 탁월하고 효율적인 무척추동물 모델입니다.
투명한 배아(embryo) 및 유충(larvae), 간단한 번식 조건, 세균이 없는 옵션을 갖춘 zebrafish는 infection 동안 real-time 이미징, 마이크로바이옴 연구, 장 운동성(motility) 과 연관된 현상 탐구와 같은 다양한 연구 및 접근에 적합합니다. 하지만 zebrafish는 위가 없기 때문에 영향연구가 제한적입니다.
Pigs: 해부학적 및 기능적으로 유사함
돼지는 다음과 같은 여러 가지 이유로 장 손상과 염증을 연구하는데 유용합니다:
- 크기가 커서 분석에 사용할 충분한 조직을 확보 가능
- 사람의 장과 유사한 장 구조 및 기능
- 사람과 유사한 장내 효소 및 미생물
- 인체 면역과 유사한 장내 면역 반응
- 유전자 조작이 용이함
돼지를 사용하는 것의 단점은 비용, 크기, 그리고 시간과 관련이 있습니다. 동물이 크기 때문에 사육 환경과 번식에 많은 비용이 들어가며, 느린 성장 속도와 몇 달 간의 임신기간으로 인해 연구기간이 길어집니다.
Non-human 영장류: 가장 대표적인 모델
비인간 영장류 (Non-human primates/ NHPs)는 인간과의 비교 가능성 측면에서 사용할 수 있는 최고의 동물 모델이지만, 이러한 동물을 사용할 때 고려해야 할 많은 윤리적 및 생물 안전 문제가 있습니다.
인간과의 유사성 때문에, 이러한 동물들은 자연적이고 만성적으로 대장염에 걸릴 수도 있습니다. 따라서 이 동물모델의 경우 생물학적 또는 화학적 자극제를 사용하지 않고, IBD의 자연적 진행에 특히 유용합니다. (필요시 생물학적 또는 화학적 자극제를 사용할 수도 있습니다.)
또한 영장류의 경우 식이행동, 스트레스, 우울증, 고통이 IBD에 미치는 영향을 연구할 수 있기 때문에 장뇌축 (gut-brain axis), 장내 미생물체, 정신건강에 대한 훌륭한 통찰력을 제공합니다.
연구자들은 윤리적 및 생물학적 안전 문제 외에도 환경 풍부화(environmental enrichment), 번식, 사육 환경, 인력 훈련과 관련된 상당한 비용을 고려해야 합니다.
동물모델로 비인간 영장류를 선택하신다면, 안전과 윤리적인 면을 고려 부탁드립니다.
그 외 동물 모델 (uncommon animal models)
IBD는 다인성이고 많은 동물들이 공통적으로 가지고 있는 기관(organs)과 메커니즘을 포함하고 있기 때문에, 위에서 논의된 동물 외에도 IBD의 여러 동물모델들이 있습니다. 자주 사용되지는 않지만 개, 기니피그, 반추동물, 토기 등도 동물모델로 사용되기도 합니다. 특히 이러한 모델 (특히 양)은 수술 모델 (예, 장내 루프 연구)로 특히 유용합니다.
Table 1. 다양한 IBD 동물모델간의 장점과 단점
| 동물모델 |
장점 |
단점 |
최근 레퍼런스 |
| Nematodes & Insects |
- High-throughput
- Cost-effective
- Easy to genetically modify
- Minimal ethical concerns
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- No adaptive component
- No complex microbiome research
- Relevance to human pathology is limited
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Kumar, Arun, et al. "Caenorhabditis elegans: a model to understand host–microbe interactions." Cellular and Molecular Life Sciences 77.7 (2020): 1229-1249.
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| Zebrafish |
- Cost-effective
- Invertebrate with innate and adaptive immune
- Transparent embryo and larvae
- Simple husbandry
- Germ-free options
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- Small tissue size
- Lack a defined stomach
- Cannot do diet or nutritional comparisons
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Notararigo, Sara, et al. "Evaluation of an O2-Substituted (1–3)-β-D-Glucan, Produced by Pediococcus parvulus 2.6, in ex vivo Models of Crohn’s Disease." Frontiers in microbiology 12 (2021): 88.
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| Rodent |
- Easy genetic manipulation
- Germ-free options
- Microbiome similarities to humans
- Well characterized, common model
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- Small tissue size in mouse models
- Coprophagy
- Costs associated with Level 2 facilities
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Ko, Hyun-Jeong, et al. "Plasmacytoid dendritic cells regulate colitis-associated tumorigenesis by controlling myeloid-derived suppressor cell infiltration." Cancer Letters 493 (2020): 102-112.
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| Pigs |
- Easy genetic modification
- Anatomically and functionally similar intestine
- Microbiome similar to humans
- Abundance of tissue
- Germ-free options
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- Cost of Level 2 facilities
- Long gestation periods
- Personnel training needs
- Slight variation in immune cells and large intestine orientation
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Diao, H., et al. "Effects of Early Transplantation of the Faecal Microbiota from Tibetan Pigs on the Gut Development of DSS-Challenged Piglets." BioMed research international 2021 (2021).
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| Non-Human Primate |
- Most comparable to humans genetically, anatomically, behaviorally, and within the microbiome
- Human disease presents similar to humans
- Abundance of tissue
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- Ethical and biosafety concerns
- Level 2 facilities
- Personnel training
- Substantial costs
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Compo, Nicole R., Luis Mieles-Rodriguez, and Diego E. Gomez. "Fecal Bacterial Microbiota of Healthy Free-Ranging, Healthy Corralled, and Chronic Diarrheic Corralled Rhesus Macaques (Macaca mulatta)." Comparative Medicine (2021).
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| Dogs, Guinea Pigs, Rabbits, Ruminants |
- Intestinal loop models
- Abundance of tissues
- Enteric pathogen studies
- Microbiome studies
- Easy genetic modification (some models)
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- Long gestation periods
- Level 2 facilities
- Husbandry and personnel training
- Not well studied
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Liaskos, Christos, et al. "Pancreatic anti-GP2 and anti-Saccharomyces cerevisiae antibodies in ruminants with paratuberculosis: A better understanding of the immunopathogenesis of Crohn's disease." Clinics and research in hepatology and gastroenterology 44.5 (2020): 778-785.
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요약
IBD는 복잡한 질병으로, 현재 다양한 동물 모델들이 다양한 병리학적 메커니즘을 설명하고 치료계획을 수립하는데 도움을 주고 있습니다. 동물 모델 간의 장점, 단점, 차이점 및 유사성을 이해하고, 이를 발전시키기 위해 사용할 수 있는 화학적, 생물학적 방법을 이해하는 것은 적절한 모델 (또는 모델의 조합)을 선택하고, IBD의 병리학적 메커니즘을 성공적으로 연구하기 위해 필수적입니다.
아래 표는 동물 모델 선택에 도움을 드리기 위한 가이드입니다.
Table 3: 다양한 IBD 동물모델의 특성
