DOI: https://doi.org/10.3389/fphar.2024.1404938
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38818378
تاريخ النشر: 2024-05-16
المؤلف: Mohamed Albadry وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الوراثة الدوائية واستقلاب الأدوية
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة الفجوة الكبيرة في فهم الاختلافات بين الأنواع في هندسة الفصوص الكبدية وأنماط التوزيع للإنزيمات الحيوية المهمة في استقلاب الأدوية، وخاصة إنزيمات السيتوكروم P450 (CYP). باستخدام خط أنابيب آلي لتحليل صور الشرائح الكاملة (WSI) من مقاطع الكبد الملونة بالهيماتوكسيليين-الإيوزين والتقنيات المناعية، قام الباحثون بتحديد هندسة الفصوص والتعبير المنطقي للبروتينات الرئيسية CYP في أربعة أنواع: الفأر، الجرذ، الخنزير، والإنسان. كشفت النتائج أنه بينما أظهرت جميع إنزيمات CYP، باستثناء CYP2D6، توزيعًا منطقيًا محوريًا، كانت هناك اختلافات ملحوظة بين الأنواع في أنماط التعبير. على وجه الخصوص، أظهرت CYP1A2 وCYP3A4 درجات متفاوتة من التعبير عبر الأنواع، حيث أظهر الفئران والبشر أكبر قدر من التشابه.
يسهل النهج الآلي الذي تم تطويره في هذه الدراسة مقارنة مفصلة للهياكل الفصية وتوزيع CYP دون الحاجة إلى التوضيح اليدوي، مما يعزز فهم استقلاب الأدوية المحدد حسب الأنواع. تشير النتائج إلى أن الفئران هي الأكثر تشابهًا مع البشر من حيث التعبير المنطقي لـ CYP، مما له آثار على اختيار نماذج حيوانية مناسبة في دراسات استقلاب الأدوية. توصي الدراسة بإعطاء الأولوية لـ CYP2E1 وCYP2D6 للمقارنات عبر الأنواع، مع اعتبار CYP1A2 وCYP3A4 كاعتبارات إضافية لتحليلات القوارض مقابل البشر. بشكل عام، تسهم هذه الأبحاث في تقديم رؤى قيمة لتحسين الدراسات الانتقالية في علم الأدوية.
مقدمة
يعمل الكبد كأهم عضو استقلابي في الثدييات، ومع ذلك توجد اختلافات تشريحية ووظيفية كبيرة بين الأنواع يمكن أن تعيق ترجمة النتائج التجريبية إلى البشر. من الجدير بالذكر أنه بينما يمتلك البشر والخنازير والفئران مرارة، لا تمتلك الجرذان؛ بالإضافة إلى ذلك، تحتوي الخنازير على حواجز بين الفصوص غير موجودة في الأنواع الأخرى. كما أن الهيكل الفصي يختلف، حيث تظهر الجرذان والفئران والخنازير عدة فصوص، على عكس كبد الإنسان. على الرغم من أن الميكروهندسة للفصوص الكبدية محفوظة إلى حد كبير، إلا أن التباين في هندسة الفصوص وتعبير البروتينات المنطقية، وخاصة إنزيمات السيتوكروم P450 (CYP)، لا يزال غير موصوف بشكل كافٍ. هذا أمر حاسم لاستنتاج النتائج بدقة من نماذج حيوانية، مثل دراسات سمية الكبد في الجرذان، إلى السيناريوهات السريرية البشرية.
تشير التوزيعات الكبدية إلى التنظيم المكاني للوظائف الأيضية داخل الفص الكبد، مع وجود مناطق متميزة (المنطقة 1: المحيط البابي؛ المنطقة 2: منتصف المنطقة؛ المنطقة 3: المحوري) تؤدي أدوارًا متخصصة في الأيض وإزالة السموم. تظهر إنزيمات CYP، الضرورية لاستقلاب الأدوية، نمط توزيع منطقي بارز، خاصة في المنطقة المحورية. سلطت الدراسات السابقة الضوء على أوجه التشابه في تعبير CYP عبر الأنواع، ومع ذلك لم يتم التحقيق بشكل شامل في توزيع هذه الإنزيمات. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال استخدام سير عمل تحليل آلي جديد لمقارنة هندسة الفصوص وأنماط تعبير CYP عبر أربعة أنواع، مما يعزز فهمنا للتباين بين الأنواع ويعلم الحد الأدنى من أخذ العينات الفصية المطلوبة لتشخيص الكبد البشري الفعال.
طرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتناول المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. يتم وصف المنهجية بطريقة منهجية، مع تسليط الضوء على التقنيات المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها، مثل الأساليب الإحصائية أو النماذج الحاسوبية المستخدمة لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يتضمن القسم معلومات حول إعداد التجربة، الضوابط المطبقة، وأي بروتوكولات ذات صلة تم اتباعها لضمان سلامة وموثوقية النتائج. يسمح هذا النهج الشامل بفهم واضح لكيفية إجراء البحث ويوفر إطارًا للدراسات المستقبلية للبناء عليه.
نتائج
في هذه الدراسة، قمنا بالتحقيق في هندسة الفصوص وتوزيع تعبير إنزيم السيتوكروم P450 (CYP) عبر أربعة أنواع: الفأر، الجرذ، الخنزير، والإنسان. باستخدام عينات ملونة بالهيماتوكسيليين والإيوزين (HE)، قمنا بتحديد هندسة الفصوص وتصور تعبير خمسة إنزيمات رئيسية: GS، CYP1A2، CYP2D6، CYP2E1، وCYP3A4. استخدم تحليلنا منهجيتين متميزتين: نهج نوعي كلاسيكي ونهج كمي آلي.
قدمت التحليل الكلاسيكي نظرة وصفية على هندسة الفصوص وأنماط التلوين، بالإضافة إلى مقارنة إحصائية للمساحة السطحية النسبية التي تشغلها البروتينات المستهدفة. ومع ذلك، كانت هذه الطريقة محدودة في قدرتها على تصوير أنماط التوزيع بدقة. لمعالجة ذلك، طورنا نهجًا آليًا لم يقيم فقط هندسة الفصوص عبر جميع الأنواع ولكن أيضًا حدد توزيع المناطق وحسب الحد الأدنى من عدد الفصوص اللازمة لتعبير البروتينات المستهدفة. يعزز هذا النهج المزدوج فهمنا للاختلافات المحددة حسب الأنواع في استقلاب الكبد وتعبير إنزيم CYP.
مناقشة
يتناول قسم المناقشة في ورقة البحث المنهجية والنتائج المتعلقة بالتحليل النسيجي لعينات الكبد من أنواع مختلفة، بما في ذلك الفئران، الجرذان، الخنازير، والبشر. استخدمت الدراسة عينات كبد مثبتة بالفورمالين ومضمنة في البارافين، مع التركيز على تقييم هندسة الفصوص وتعبير إنزيمات السيتوكروم P450 (CYP) وإنزيم الجلوتامين سينثيتاز (GS). تم اختيار العينات بعناية بناءً على الشكل المورفولوجي الكبدي، مما يضمن عدم وجود أمراض كبيرة مثل الكبد الدهني والتليف، والتي تم تأكيدها من خلال تقييمات مستقلة من قبل أطباء مختصين مؤهلين.
استخدم التحليل مجموعة من تقنيات التلوين النسيجي، بما في ذلك تلوين الهيماتوكسيليين والإيوزين (HE) وتلوين الإيلاستين فان جيزون (EvG)، إلى جانب الكيمياء المناعية لتصور بروتينات معينة. أنشأت الدراسة خط أنابيب تحليل صور قوي لتحديد هندسة الفصوص وأنماط التوزيع، باستخدام تصوير الشرائح الكاملة (WSI) وطرق حسابية متقدمة. أشارت النتائج إلى اختلافات ملحوظة في العمارة الفصية عبر الأنواع، مع تسليط الضوء بشكل خاص على وجود الحواجز بين الفصوص في الخنازير، وهو ما يتناقض مع مجالات البوابة التي تفتقر إلى الأنسجة الضامة في القوارض. علاوة على ذلك، وُجد أن أنماط التعبير لإنزيمات CYP كانت متسقة عبر الأنواع، حيث كانت موضعية بشكل رئيسي في المنطقة المحورية، مع درجات متفاوتة من الامتداد نحو المنطقة المحيطية. كشفت التقييمات الكمية أنه بينما كان تعبير CYP1A2 مشابهًا في البشر والفئران، كان أقل بكثير في الجرذان، مما يبرز أهمية الاعتبارات المحددة حسب الأنواع في أبحاث الكبد.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود بشأن مقارنة تعبير إنزيم السيتوكروم P450 (CYP) عبر أنواع مختلفة. من الجدير بالذكر أن البحث ركز بشكل حصري على الموضوعات البالغة، مع خنازير وجرذان صغيرة البالغين (3 أشهر) وفئران متوسطة العمر (8-9 أشهر) وبشر (45-59 عامًا). تشير الأدبيات السابقة إلى أن تعبير mRNA والبروتين لـ CYP يبقى مستقرًا في البالغين، مما يشير إلى أن التعبير المنطقي من المحتمل أن يكون مستقرًا أيضًا خلال هذه المرحلة العمرية. ومع ذلك، تم توثيق التغيرات المرتبطة بالعمر في تعبير CYP، مع حدوث تغييرات كبيرة بعد 18 شهرًا في الفئران و104 أسابيع في الجرذان، مما قد يؤثر على استقلاب المواد الغريبة.
بالإضافة إلى ذلك، كانت عملية جمع العينات في الدراسة مقيدة بشروط صارمة، مما حد من عدد الموضوعات التي تم تحليلها، خاصة فيما يتعلق بالاختلافات الجنسية. كشفت التحليلات الإحصائية عن عدم وجود اختلافات كبيرة في التعبير المنطقي للإنزيمات الرئيسية بين الخنازير الذكور والإناث. علاوة على ذلك، لم تأخذ الدراسة في الاعتبار الاختلافات بين السلالات داخل الأنواع، والتي يمكن أن تؤثر على نتائج استقلاب الأدوية، كما يتضح من النتائج المتناقضة في مستويات تعبير CYP بين سلالات الجرذان المختلفة. يؤكد المؤلفون على أهمية النظر في كل من الأنواع والسلالة عند اختيار نماذج حيوانية للبحث، بالإضافة إلى الاختلافات العرقية المحتملة في العينات البشرية التي قد تؤثر على استقلاب الأدوية. تسلط الدراسة الضوء على الاختلافات الكبيرة بين الأنواع في استقلاب الأدوية، وخاصة بالنسبة للأسيتامينوفين، مما قد يسهم في التباينات في توقع السمية الكبدية عبر نماذج حيوانية مختلفة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fphar.2024.1404938
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38818378
Publication Date: 2024-05-16
Author(s): Mohamed Albadry et al.
Primary Topic: Pharmacogenetics and Drug Metabolism
Overview
This study addresses the significant gap in understanding cross-species variation in liver lobular geometry and the zonation patterns of critical drug-metabolizing enzymes, particularly cytochrome P450 (CYP) enzymes. Utilizing an automated pipeline for analyzing whole slide images (WSI) of liver sections stained with hematoxylin-eosin and immunohistochemistry, the researchers quantified lobular geometry and the zonal expression of key CYP proteins in four species: mouse, rat, pig, and human. The findings revealed that while all CYP enzymes, except CYP2D6, exhibited pericentral zonation, there were notable interspecies differences in expression patterns. Specifically, CYP1A2 and CYP3A4 showed varying extents of expression across species, with mice and humans displaying the most similarity.
The automated approach developed in this study facilitates a detailed comparison of lobular structures and CYP zonation without manual annotation, enhancing the understanding of species-specific drug metabolism. The results suggest that mice are the most comparable to humans in terms of zonated CYP expression, which has implications for selecting appropriate animal models in drug metabolism studies. The study recommends prioritizing CYP2E1 and CYP2D6 for comparisons across species, with CYP1A2 and CYP3A4 as additional considerations for rodent versus human analyses. Overall, this research contributes valuable insights for improving translational studies in pharmacology.
Introduction
The liver serves as the primary metabolic organ in mammals, yet significant anatomical and functional differences exist among species that can hinder the translation of experimental results to humans. Notably, while humans, pigs, and mice possess gallbladders, rats do not; additionally, pigs have interlobular septa absent in other species. The lobular structure also varies, with rats, mice, and pigs exhibiting multiple lobes, unlike the human liver. Although the microarchitecture of hepatic lobules is largely conserved, the variability in lobular geometry and zonal protein expression, particularly of cytochrome P450 (CYP) enzymes, remains inadequately characterized. This is critical for accurately extrapolating findings from animal models, such as rat hepatotoxicity studies, to human clinical scenarios.
Hepatic zonation refers to the spatial organization of metabolic functions within the liver lobule, with distinct zones (Zone 1: periportal; Zone 2: midzonal; Zone 3: pericentral) performing specialized roles in metabolism and detoxification. CYP enzymes, essential for drug metabolism, exhibit a pronounced zonation pattern, particularly in the pericentral region. Prior studies have highlighted similarities in CYP expression across species, yet the zonated distribution of these enzymes has not been thoroughly investigated. This study aims to fill this gap by employing a novel automated analysis workflow to compare lobular geometry and CYP expression patterns across four species, thereby enhancing our understanding of interspecies variability and informing the minimum lobule sampling required for effective human liver diagnostics.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology is described in a systematic manner, highlighting the techniques for data collection and analysis, such as statistical methods or computational models utilized to interpret the results.
Additionally, the section may include information on the experimental setup, controls implemented, and any relevant protocols followed to ensure the integrity and validity of the findings. This comprehensive approach allows for a clear understanding of how the research was conducted and provides a framework for future studies to build upon.
Results
In this study, we investigated the lobular geometry and zonation of cytochrome P450 (CYP) enzyme expression across four species: mouse, rat, pig, and human. Using hematoxylin and eosin (HE) stained samples, we quantified lobular geometry and visualized the expression of five key enzymes: GS, CYP1A2, CYP2D6, CYP2E1, and CYP3A4. Our analysis employed two distinct methodologies: a classical qualitative approach and an automated quantitative approach.
The classical analysis provided a descriptive overview of lobular geometry and staining patterns, along with a statistical comparison of the relative surface area occupied by the target proteins. However, this method was limited in its ability to accurately depict zonation patterns. To address this, we developed an automated approach that not only assessed lobular geometry across all species but also quantified zonation and calculated the minimum number of lobules necessary for the expression of the target proteins. This dual approach enhances our understanding of species-specific differences in liver metabolism and CYP enzyme expression.
Discussion
The discussion section of the research paper details the methodology and findings related to the histological analysis of liver samples from various species, including mice, rats, pigs, and humans. The study utilized formalin-fixed and paraffin-embedded liver samples, with a focus on assessing lobular geometry and the zonal expression of cytochrome P450 (CYP) enzymes and glutamine synthetase (GS). The samples were carefully selected based on hepatic morphology, ensuring the absence of significant pathologies such as steatosis and fibrosis, which were confirmed through independent assessments by qualified pathologists.
The analysis employed a combination of histological staining techniques, including hematoxylin and eosin (HE) and elastin Van Gieson (EvG) staining, alongside immunohistochemistry to visualize specific proteins. The study established a robust image analysis pipeline for quantifying lobular geometries and zonation patterns, utilizing whole slide imaging (WSI) and advanced computational methods. Results indicated notable differences in lobular architecture across species, particularly highlighting the presence of interlobular septa in pigs, which contrasts with the more connective tissue-sparse portal fields in rodents. Furthermore, the expression patterns of CYP enzymes were found to be consistent across species, predominantly localized in the pericentral zone, with varying degrees of extension towards the periportal zone. Quantitative assessments revealed that while CYP1A2 expression was similar in humans and mice, it was significantly lower in rats, underscoring the importance of species-specific considerations in hepatic research.
Limitations
The study presents several limitations regarding the comparison of cytochrome P450 (CYP) enzyme expression across different species. Notably, the research focused exclusively on adult subjects, with young adult pigs and rats (3 months) and moderate-aged mice (8-9 months) and humans (45-59 years). Previous literature indicates that CYP mRNA and protein expression remains stable in adults, suggesting that zonal expression is also likely stable during this life stage. However, age-related changes in CYP expression have been documented, with significant alterations occurring after 18 months in mice and 104 weeks in rats, which may influence xenobiotic metabolism.
Additionally, the study’s sample collection was constrained by strict conditions, limiting the number of subjects analyzed, particularly regarding sex differences. Statistical analyses revealed no significant differences in zonated expression of key enzymes between male and female pigs. Furthermore, the research did not account for strain differences within species, which could impact drug metabolism outcomes, as evidenced by contrasting findings in CYP expression levels among different rat strains. The authors emphasize the importance of considering both species and strain when selecting animal models for research, as well as potential ethnic differences in human samples that may affect drug metabolism. The study highlights significant cross-species variations in drug metabolism, particularly for acetaminophen, which may contribute to discrepancies in predicting hepatotoxicity across different animal models.