DOI: https://doi.org/10.1038/s41401-024-01407-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39496863
تاريخ النشر: 2024-11-04
المؤلف: Yaogeng Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الوراثة الدوائية واستقلاب الأدوية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في دور كاربوكسيليستراز 2 (CES2)، الذي يتم التعبير عنه بشكل رئيسي في الكبد والأمعاء، في العمليات الدوائية والفسيولوجية. CES2 ضروري لتحلل المركبات المختلفة، مما يؤثر على استقلاب الأدوية وتوازن الطاقة، وخاصة استقلاب الدهون والجلوكوز. استخدمت الدراسة فئران knockout من مجموعة Ces2 (Ces2 -/-) وسلالات CES2 المتحولة البشرية لتقييم تأثيرات CES2 على استقلاب الأدوية والصحة الأيضية.
أظهرت النتائج أن الفئران Ces2 -/- أظهرت زيادة ملحوظة في التوافر الفموي والتوزيع النسيجي للدواء الكيميائي كابيسيتابين، والذي تم تعويضه من خلال نشاط CES2 البشري (hCES2). على العكس، كان استقلاب فينوريلبين منخفضًا بشكل ملحوظ في الفئران Ces2 -/-، مع إنقاذ ضئيل فقط من تعبير hCES2. من الناحية الأيضية، طورت هذه الفئران knockout كبدًا دهنيًا، والتهاب دهني، وارتفاع كوليسترول الدم، وضعف تحمل الجلوكوز، لكنها لم تشهد تغييرات في كتلة الجسم. من المثير للاهتمام، أن تعبير hCES2 الكبدي خفف بعض المشكلات الأيضية ولكنه أدى إلى زيادة حجم الكبد ووزن الجسم، مما يشير إلى نمط سمنة “صحية”. بالمقابل، خفف تعبير hCES2 المعوي بشكل فعال من الآثار الأيضية السلبية وحسن وزن الجسم مقارنةً بالضوابط من النوع البري. تقترح الدراسة أن تعزيز hCES2 المعوي قد يقدم إمكانيات علاجية ضد متلازمة الأيض، مما يضع نماذج الفئران CES2 هذه كأدوات قيمة لتطوير الأدوية وفهم الاضطرابات الأيضية.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة دور الكاربوكسيليسترازات الثديية (CESs)، مع التركيز بشكل خاص على CES2، الذي هو جزء من عائلة إنزيمات متعددة الجينات التي تحلل الروابط الاسترية، والثيوسترية، والأميدية. هذه الإنزيمات ضرورية لإزالة السموم واستقلاب المركبات المختلفة، بما في ذلك (الأدوية) والمُلوثات البيئية، بالإضافة إلى الدهون الذاتية، مما يؤثر على استقلاب الدهون وتوازن الطاقة. تسلط الورقة الضوء على التنظيم الجيني لجينات CES في البشر والفئران، مشيرة إلى أنه بينما يمتلك البشر جين CES2 واحد، تمتلك الفئران عدة جينات Ces2 متجمعة على الكروموسوم 8. يتم التأكيد على الخصوصيات الفرعية المميزة لـ hCES1 و hCES2، حيث يظهر hCES2 خصوصية فرعية واسعة تشمل استقلاب المخدرات وأدوية العلاج الكيميائي، مما يشير إلى دوره المهم في استقلاب الجرعة الأولى والآثار المحتملة على فعالية الأدوية وسميتها.
علاوة على ذلك، يتم التأكيد على مشاركة CES2 في توازن الطاقة، مع دراسات تشير إلى دوره التنظيمي في استقلاب الدهون الثلاثية الكبدية وتحمل الجلوكوز. تختتم المقدمة بتقديم نهج المؤلفين للتحقيق في وظائف CES2 من خلال إنشاء نماذج فئران knockout ومتحولة، بهدف توضيح الأدوار الدوائية والفسيولوجية للإنزيم. يمكن أن تعزز هذه الأبحاث من فهم استقلاب الأدوية وتوفر رؤى حول إدارة متلازمة الأيض، نظرًا لوظيفة CES2 المزدوجة في إزالة السموم من كل من المواد الغريبة والدهون الزائدة.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في دراستهم، مع التركيز على الجوانب الدوائية والجينية لأبحاثهم. تم الحصول على كابيسيتابين وفينوريلبين من الموردين التجاريين، بينما تم استخدام مجموعات مختلفة لاستخراج الدهون وقياس الدهون الثلاثية. شملت الدراسة عدة سلالات من الفئران، بما في ذلك النوع البري، وفئران knockout من مجموعة Ces2 (Ces2 -/-)، وفئران Ces2 -/- البشرية، جميعها تم الحفاظ عليها وفقًا لإرشادات مؤسسية وأوروبية صارمة. تم استخدام فئران بأعمار مختلفة لبروتوكولات تجريبية مختلفة، بما في ذلك دراسات حركية دوائية وتقييمات فسيولوجية، مع نظام غذائي وبيئة محكومة.
تم تحقيق إنشاء نماذج الفئران Ces2 -/-, Ces2 -/-A، وCes2 -/-V من خلال تقنية CRISPR-Cas9 والنهج المتحول، مستهدفين التعبير الكبدي والمعوي لـ CES2 البشري. تم استخدام PCR في الوقت الحقيقي لتحليل RNA المعزول من أنسجة الفئران، تلاه تخليق cDNA وتضخيم البرايمر المحدد. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء التحليل الغربي والتلوين المناعي لتقييم مستويات التعبير البروتيني في أنسجة مختلفة، باستخدام أجسام مضادة محددة لـ CES2 البشري وβ-actin. يدعم هذا الإطار المنهجي الشامل التحقيق في دور CES2 في الحركية الدوائية والاستقلاب.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بسلوك النظام، كما يتضح من قيمة معامل التحديد العالية ($R^2$)، مما يشير إلى توافق قوي بين القيم الملاحظة والمتوقعة. تؤكد التحليلات الإضافية، بما في ذلك اختبارات الحساسية، على قوة النتائج عبر ظروف مختلفة، مما يعزز صحة النموذج وإمكانياته في التطبيقات ذات الصلة.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في تأثيرات مجموعة جينات Ces2 ونظيرها البشري، CES2، على استقلاب الأدوية، ووزن الجسم، والأنسجة الدهنية في نماذج الفئران المعدلة وراثيًا. تم إجراء تحليلات لوزن الجسم والأنسجة على سلالات مختلفة من الفئران، بما في ذلك النوع البري، وفئران knockout من Ces2 (Ces2 -/-)، والفئران المتحولة التي تعبر عن CES2 البشري في الكبد (Ces2 -/-A) أو الأمعاء (Ces2 -/-V). أشارت النتائج إلى أن الفئران Ces2 -/- أظهرت تركيزات بلازمية أعلى بشكل ملحوظ من كابيسيتابين مقارنة بالفئران من النوع البري، مما يشير إلى أن غياب Ces2 يعزز توافر الدواء الحيوي. على العكس، أدى وجود CES2 البشري في الكبد أو الأمعاء إلى تقليل مستويات كابيسيتابين، مما يوضح دوره في استقلاب الأدوية.
بالإضافة إلى ذلك، كشفت الدراسة أن الفئران Ces2 -/-A كانت لديها زيادة في وزن الجسم وكتلة الأنسجة الدهنية، خاصة في الإناث، بينما أظهرت الفئران Ces2 -/-V انخفاضًا في وزن الجسم وكتلة الأنسجة الدهنية. تشير هذه النتائج إلى أن تعبير CES2 يؤثر على تنظيم وزن الجسم والسمنة، ربما من خلال تأثيراته الأيضية على توزيع الأدوية وتوازن الطاقة. بشكل عام، تسلط الأبحاث الضوء على التفاعل المعقد بين التعديلات الجينية، واستقلاب الأدوية، والنتائج الفسيولوجية في نماذج الفئران، مما يوفر رؤى حول أدوار Ces2 وCES2 في الحركية الدوائية والتنظيم الأيضي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41401-024-01407-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39496863
Publication Date: 2024-11-04
Author(s): Yaogeng Wang et al.
Primary Topic: Pharmacogenetics and Drug Metabolism
Overview
The research investigates the role of Carboxylesterase 2 (CES2), primarily expressed in the liver and intestine, in pharmacological and physiological processes. CES2 is crucial for hydrolyzing various compounds, influencing drug metabolism and energy homeostasis, particularly lipid and glucose metabolism. The study utilized Ces2 cluster knockout mice (Ces2 -/-) and humanized CES2 transgenic strains to assess the effects of CES2 on drug metabolism and metabolic health.
Findings revealed that Ces2 -/- mice exhibited significantly increased oral availability and tissue disposition of the chemotherapeutic agent capecitabine, which was counteracted by human CES2 (hCES2) activity. Conversely, the metabolism of vinorelbine was markedly reduced in Ces2 -/- mice, with only minimal rescue from hCES2 expression. Metabolically, these knockout mice developed fatty liver, adipositis, hypercholesterolemia, and impaired glucose tolerance, yet did not experience changes in body mass. Interestingly, hepatic hCES2 expression alleviated some metabolic issues but led to increased liver size and body weight, indicating a “healthy” obesity phenotype. In contrast, intestinal hCES2 expression effectively mitigated adverse metabolic effects and improved body weight relative to wild-type controls. The study suggests that enhancing intestinal hCES2 may offer therapeutic potential against metabolic syndrome, positioning these CES2 mouse models as valuable tools for drug development and understanding metabolic disorders.
Introduction
The introduction of the paper discusses the role of mammalian carboxylesterases (CESs), particularly focusing on CES2, which is part of a multigene superfamily of enzymes that hydrolyze ester, thioester, and amide bonds. These enzymes are crucial for the detoxification and metabolism of various compounds, including (pro-)drugs and environmental toxicants, as well as endogenous lipids, thereby influencing lipid metabolism and energy homeostasis. The paper highlights the genetic organization of CES genes in humans and mice, noting that while humans possess a single CES2 gene, mice have multiple Ces2 genes clustered on chromosome 8. The distinct substrate specificities of hCES1 and hCES2 are emphasized, with hCES2 showing broad substrate specificity that includes the metabolism of narcotics and chemotherapy drugs, suggesting its significant role in first-pass metabolism and potential implications for drug efficacy and toxicity.
Furthermore, CES2’s involvement in energy homeostasis is underscored, with studies indicating its regulatory role in hepatic triglyceride metabolism and glucose tolerance. The introduction concludes by presenting the authors’ approach to investigate CES2 functions through the generation of knockout and transgenic mouse models, aiming to elucidate the enzyme’s pharmacological and physiological roles. This research could enhance understanding of drug metabolism and provide insights into managing metabolic syndrome, given CES2’s dual function in detoxifying both xenobiotics and excess lipids.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods employed in their study, focusing on the pharmacological and genetic aspects of their research. Capecitabine and vinorelbine were sourced from commercial suppliers, while various kits for lipid extraction and triglyceride measurement were utilized. The study involved multiple mouse strains, including wild-type, Ces2 cluster knockout (Ces2 -/-), and humanized Ces2 -/- mice, all maintained under strict institutional and EU guidelines. Mice of varying ages were used for different experimental protocols, including pharmacokinetic studies and physiological assessments, with a controlled diet and environment.
The generation of the Ces2 -/-, Ces2 -/-A, and Ces2 -/-V mouse models was achieved through CRISPR-Cas9 technology and transgenic approaches, targeting liver and intestinal expression of human CES2. Real-time PCR was employed to analyze RNA isolated from mouse tissues, followed by cDNA synthesis and specific primer amplification. Additionally, Western blotting and immunohistochemistry were performed to assess protein expression levels in various tissues, utilizing specific antibodies for human CES2 and β-actin. This comprehensive methodological framework supports the investigation of CES2’s role in pharmacokinetics and metabolism.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Furthermore, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts the behavior of the system, as evidenced by a high coefficient of determination ($R^2$) value, indicating a strong fit between the observed and predicted values. Additional analyses, including sensitivity tests, confirm the robustness of the findings across various conditions, reinforcing the validity of the model and its potential applications in the relevant field.
Discussion
In this study, the authors investigated the effects of the Ces2 gene cluster and its human counterpart, CES2, on drug metabolism, body weight, and adipose tissue in genetically modified mouse models. Body weight and tissue analyses were conducted on various mouse strains, including wild-type, Ces2 knockout (Ces2 -/-), and transgenic mice expressing human CES2 in either the liver (Ces2 -/-A) or intestine (Ces2 -/-V). The results indicated that Ces2 -/- mice exhibited significantly higher plasma concentrations of capecitabine compared to wild-type mice, suggesting that the absence of Ces2 enhances the drug’s bioavailability. Conversely, the presence of human CES2 in the liver or intestine reduced capecitabine levels, demonstrating its role in drug metabolism.
Additionally, the study revealed that Ces2 -/-A mice had increased body weight and adipose tissue mass, particularly in females, while Ces2 -/-V mice showed reduced body weight and adipose tissue. These findings suggest that the expression of CES2 influences body weight regulation and adiposity, potentially through its metabolic effects on drug disposition and energy balance. Overall, the research highlights the complex interplay between genetic modifications, drug metabolism, and physiological outcomes in mouse models, providing insights into the roles of Ces2 and CES2 in pharmacokinetics and metabolic regulation.