Ostre zapalenie trzustki jest ciężką chorobą obarczoną wysokim ryzykiem powikłań, a często nawet śmierci. Od początku XX wieku trwają intensywne badania mające na celu poznanie przyczyn, patogenezy i przebiegu tej choroby, aby dzięki tej wiedzy lepiej i skuteczniej kontrolować proces zapalny wywodzący się z trzustki. W związku z ograniczoną możliwością prowadzenia badań wśród pacjentów od kilkudziesięciu lat w tym celu wykorzystywane są modele zwierzęce. Od tego czasu stworzono różne modele eksperymentalne z wykorzystaniem wielu gatunków zwierząt takich jak: szczury, myszy, psy, świnie, króliki, oposy czy chomiki. Niniejsza praca ma na celu przybliżenie rysu historycznego badań eksperymentalnych i porównanie najważniejszych zalet i wad poszczególnych modeli. Modele zwierzęce możemy podzielić na dwie grupy. Pierwsza obejmuje modele inwazyjne wymagające interwencji chirurgicznej. Do drugiej zaliczamy doświadczenia nieinwazyjne, w których ostre zapalenie trzustki wywoływane jest dietą lub podaniem substancji uszkadzającej pankreocyty. Niestety na przestrzeni lat nie udało się stworzyć idealnego modelu, który w sposób powtarzalny i porównywalny pozwalałby badać zarówno etiologię choroby, jej patogenezę, efektywność leczenia, możliwe powikłania czy zmiany histopatologiczne. Niektóre doświadczenia planowano w celu lepszego poznania etiologii i patogenezy ostrego zapalenia trzustki, inne w założeniu miały odwzorowywać procesy zachodzące u ludzi cierpiących na tę chorobę, aby dzięki temu opracować lepsze rozwiązania terapeutyczne.

Celem pracy było przedstawienie ewolucji badań nad eksperymentalnym zapaleniem trzustki oraz porównanie głównych założeń poszczególnych modeli.

Pierwsze doniesienia na temat doświadczalnego zapalenia trzustki wywoływanego na modelach zwierzęcych pochodzą z początku XX wieku. Ostre zapalnie trzustki prowokowano wówczas przez perfuzję poprzez przewód trzustkowy różnych substancji uszkadzających ten narząd. W 1906 r. Flexsner i wsp. opisali masywne zmiany martwicze trzustki w wyniku wytworzenia wysokiego ciśnienia w jej przewodach. Zmiany te były bardzo nasilone i nie odpowiadały procesom zachodzącym in vivo u ludzi. W piśmiennictwie istnieją opisy doświadczeń z wykorzystaniem do perfuzji przewodu trzustkowego substancji stymulujących część zewnątrzwydzielniczą trzustki, takich jak kwasy żółciowe, np. kwas glikodeoksycholowy GDOC, taurocholan sodu, alkohol etylowy (1) czy paracetat (2). Infuzja nisko stężonego kwasu glikodeoksycholowego GDOC powoduje żółciową, obrzękową postać OZT. Podawanie wysoko stężonego GDOC prowadzi do martwiczo-krwotocznej postaci OZT oraz powoduje wystąpienie u zwierząt syndromu odpowiedzi zapalnej (SIRS) objawiającego się uszkodzeniem płuc (3). Przez lata wielokrotnie modyfikowano ten model i obecnie doświadczenie polega na zacewnikowaniu przewodu trzustkowego wprowadzoną przez zwieracz Oddiego kaniulą z czasowym zamknięciem przewodu żółciowego i wsteczną perfuzją przez układ przewodowy trzustki. Infuzję kontroluje pompa utrzymująca optymalne dla eksperymentu ciśnienie w przewodach trzustkowych. W 1992 r. Schmidt i wsp. opublikowali pracę na temat modelu zwierzęcego łączącego cechy modelu infuzyjnego z wykorzystaniem nisko stężonego GDOC łącznie z dożylnym podaniem ceruleiny w dawce 5 μg/kg m.c./h przez 6 godzin. Rezultatem było wywołanie martwiczo-krwotocznego OZT. Model GDOC-ceruleina nazywany modelem Bostońskim cechuje się wysokim podobieństwem zmian histostologicznych, korelacją pomiędzy aktywnością proteinaz do ciężkości przebiegu, spektrum mikropatogenów i towarzyszącym powikłaniom wielonarządowym MODS do przebiegu ludzkiego OZT. Najczęściej stosowanym modelem przepływowym jest ten z wykorzystaniem taurocholanu sodu (4). Jest to model martwiczego OZT z obecnością licznych powikłań płucnych (5), nerkowych, wątrobowych (5), jelitowych (6) i mózgowych (7). W Polsce ważnym ośrodkiem naukowym prowadzącym badania z wykorzystaniem modelu taurocholanowego była Akademia Medyczna w Białymstoku, gdzie doświadczenia nad OZT prowadził Gabryelewicz i wsp. (8, 9, 10, 11, 12). Zwierzętami najczęściej wykorzystywanymi w modelach przepływowych są szczury, choć istnieją również doniesienia o doświadczeniach przeprowadzonych na królikach, psach i świniach. W opisanych dotychczas modelach taurocholan sodu podawany był w stężeniu 3-6%. Już stężenie 3% wywołuje u szczurów ostre zmiany krwotoczne łącznie z SIRS i uszkodzeniem płuc i wątroby (5). U większych zwierząt, celem wywołania zmian o podobnym nasileniu, podaje się oprócz taurocholanu również trypsynę. Model trypsynowo-taurocholanowy z pełnoobjawową martwiczo-krwotoczną postacią OZT opisał w 1989 roku Rmo w oparciu o doświadczenia na psach (13), w późniejszych latach powtarzano je również na świniach (14). Model ten ma duże znaczenie kliniczne ze względu na możliwość studiowania procesów zachodzących pod wpływem jednoczasowego działania kwasów żółciowych i enzymów na trzustkę. Model taurocholanowy może być rozszerzony przez podanie zwierzętom dodatkowo endotoksyny bakteryjnej – LPS w celu stymulacji wstrząsu septycznego. LPS potęguje wywołaną taurocholanem translokację bakterii z jelit do trzustki i krezkowych węzłów chłonnych (15). LPS podawany dodatkowo w modelach trypsynowo-taurocholanowych potęguje uszkodzenia wątroby, nerek i płuc u szczurów (16). Sgersvald i wsp. opisali zależność pomiędzy dawką LPS w modelu taurocholanowym a współczynnikiem śmiertelności szczurów objętych badaniem. Zaletą modeli taurocholanowych i trypsyno-taurocholanowych rozszerzonych o podawanie LPS jest duże podobieństwo do zmian w przebiegu ludzkiego OZT powikłanego wystąpieniem MODS i sepsy. W związku z tym modele te są dobrym materiałem do badań mających na celu znalezienie optymalnych rozwiązań terapeutycznych dla tego typu powikłań.

Jedną z najczęstszych przyczyn OZT jest alkohol etylowy. W grupie modeli infuzyjnych znaleźć można publikacje na temat uszkodzenia trzustki (1) i tkanki płucnej (17) doprzewodowym podawaniem 48% alkoholu etylowego. Model ten nie odpowiada alkoholowej etiologii OZT u ludzi, gdzie zaburzenia nie wynikają z bezpośredniego działania alkoholu na przewód trzustkowy, lecz powstają na skutek wzrostu stężenia alkoholu w krwi krążącej. W 2003 roku Pandol i wsp. udowodnili, iż dożylne podawanie alkoholu uwrażliwia trzustkę na substancje stymulujące wydzielanie (18). Alkohol powoduje też zwiększone wydzielanie CCK (19) i w zależności od dawki prowadzi do OZT (20).

Z 1910 roku pochodzą pierwsze doświadczenia nad ostrym zapaleniem trzustki wywołanym wytworzeniem ślepej pętli dwunastniczej, a udoskonalone i dokładnie opisane zastały w 1957 roku przez Pfeiffera i wsp. Głównym założeniem tego modelu jest wyizolowanie części dwunastnicy poprzez jej przecięcie na wysokości odźwiernika oraz poniżej brodawki Vatera z wytworzeniem gastroduodenostomii. W kolejnych latach podobny efekt uzyskiwano, podwiązując dwunastnicę w miejscach wcześniejszych cięć. OZT rozwija się w wyniku zarzucanie treści dwunastniczej i enzymów trzustkowych z rozdętej pętli dwunastniczej wstecznie do przewodów trzustkowych. Model przedstawiony przez Pfeiffera został w późniejszych latach kilkakrotnie zmodyfikowany – wykonywano gastrojejunostomię zamiast gastroduodenostomii. W 1970 roku, aby zapobiec objawom niedrożności, Rosato i wsp. zastosowali cewnik typu bypass. W 1975 roku powstał model, w którym wprowadzono przez gastrotomię do światła przewodu pokarmowego szczura cienki polietylenowy cewnik, dzięki czemu można było ocenić szkodliwe działanie poszczególnych składników treści dwunastniczej (21). Modele OZT wywołane powstaniem ślepej pętli dwunastniczej odpowiadają OZT u ludzi powodowanemu wzrostem ciśnienia w dwunastnicy i zarzucaniem treści dwunastniczej do przewodów trzustkowych. In vivo zdaża się to w przypadku kamicy żółciowej, obecności uchyłków dwunastnicy, u pacjentów z zespołem ślepej pętli oraz podczas nasilonych wymiotów u alkoholików (22, 23). Doświadczenia te przeprowadzono dotychczas na szczurach (24), psach (25) i małpach. Wadą tego typu doświadczeń jest wykonanie zaawansowanych i inwazyjnych zabiegów chirurgicznych, jak też wysokie prawdopodobieństwo upośledzenie krążenia trzustkowego będące powikłaniem wytworzenia ślepej pętli dwunastniczej.

Innym opisanym w światowym piśmiennictwie inwazyjnym modelem doświadczalnego OZT był model polegający na blokowaniu przewodu żółciowego. Wysoka wartość kliniczna tego eksperymentu polegała na możliwości odwzorowania w warunkach doświadczalnych najczęstszej przyczyny OZT u ludzi, czyli kamicy żółciowej. Głównym założeniem tego modelu było zablokowanie ujścia przewodów żółciowych i trzustkowych do dwunastnicy, naśladując tym samym sytuację, gdy kamień blokuje się w brodawce Vatera i zamyka światło przewodu. Modele tego typu były opisywane począwszy od końca lat 80. Do wykonania tego modelu wymagana jest prosta interwencja chirurgiczna polegająca na podwiązaniu przewodu żółciowo-trzustkowego (26) lub zamknięciu go za pomocą cewnika z balonem (27). Głównym czynnikiem wywołującym OZT jest refuks żółci inicjujący aktywację enzymów trzustkowych. Model ten był na wiele sposobów modyfikowany np. poprzez równoczesne z zamknięciem przewodu podawanie do niego czynników stymulujących część zewnątrzwydzielniczą trzustki, takich jak cholecystokinina (26), ceruleina (28) czy sekretyna (29). Dalsze modyfikacje to połączenie czasowego niedokrwienia trzustki (wywołanego podwiązaniem pnia trzewnego lub tętnicy krezkowej), z zamknięciem przewodu żółciowo-trzustkowego i hiperstymulacją trzustki. Modyfikacje chirurgiczne mogą być wykorzystane do stopniowania nasilenia zmian w trzustce. Usunięcie blokady przewodu po 24 godzinach powoduje całkowite odwrócenie zainicjowanych procesów żółciowego zapalenia trzustki. Stopień nasilenia zapalenia trzustki wywołanego zamknięciem przewodu żółciowo-trzustkowego zależy również od gatunku wykorzystanych w modelu zwierząt. W badaniu Kaisera i wsp. bardziej nasilone zmiany zachodziły u oposów niż w modelu na szczurach (30). Siedem dni po zablokowaniu przewodu 50% komórek trzustkowych oposów uległo martwicy, podczas gdy trzustka szczurów objęta została martwicą tylko w 10%. W piśmiennictwie istnieją różne opinie na temat efektywności tego modelu OZT u szczurów. Część naukowców donosi, iż zamknięcie przewodu żółciowo-trzustkowego nie powoduje żadnych zmian (31), inni opisują zmiany łagodne (32), pozostali powstanie ciężkiego OZT łącznie ze zmianami narządowymi. Może to by wynikiem różnic w postępowaniu chirurgicznym lub w różnym czasie kontroli trzustki od momentu zamknięcia przewodu. Udowodniono, że im dłużej utrzymywana jest blokada odpływu żółci i soku trzustkowego, tym cięższe zmiany w przebiegu zapalenia trzustki. Wiąże się to ze zwiększającym się w czasie ciśnieniem w przewodach trzustkowych w wyniku wzrostu sekrecji stymulowanej części zewnątrzwydzielniczej i dłuższym czasem ekspozycji trzustki na składniki zawarte w cofającym się soku.

Nieinwazyjnym modelem eksperymentalnego OZT jest opisane po raz pierwszy w 1975 roku doświadczenie wywołania zapalenia dietą bezcholinową wzbogaconą 0,5% etioniną. W wyniku zastosowania myszom diety bezcholinowej w ciągu doby dochodzi do zatrzymania egzocytozy z komórek trzustkowych. Po czterech dobach rozwija się martwica krwotoczna trzustki i tkanki tłuszczowej okołotrzustkowej z następową zapaścią naczyniową. Procesy te skutkują 100% śmiertelnością badanej populacji zwierząt. Lombardi postawił hipotezę, że ostre zapalenie trzustki rozwija się na skutek wpływu etioniny na RNA białek oraz metabolizm fosfolipidów (33). Niedobór choliny pogłębia te procesy. Wadą tego modelu jest obejmowanie procesem zapalnym nie tylko trzustki, lecz również mózgu, płuc i wątroby. Lombardi tłumaczył to wpływem etioniny na wątrobową syntezę lecytyny oraz na metabolizm fosfolipidów w mikrosomach wątrobowych (33). W 1971 roku Lamar postulował, iż etionina blokuje syntezę białek mózgowych w badaniach in vivo i in vitro (34), zaś Furuhama w 1998 roku udowodnił, iż w wyniku hydroperoksydacji fosfatydylocholiny etionina prowadzi do stłuszczenia wątroby (35). Obecność tych dodatkowych zaburzeń wykorzystana jest dla pogłębienia wiedzy dotyczącej MODS – wielonarządowych dysfunkcji powodowanych zapaleniem trzustki. Eksperyment przeprowadzono na myszach i dotychczas nie udało się wywołać pełnoobjawowej postaci krwotocznej OZT na innych gatunkach zwierząt. U większych zwierząt, np. kotów czy psów dieta bezcholinowa wywołuje tylko łagodną postać zapalenia trzustki bez powikłań narządowych, która w szybki sposób ulega wyleczeniu i regeneracji (36). Model ten jest mało inwazyjny, gdyż nie wymaga żadnych zabiegów chirurgicznych, co wyklucza wpływ stresu na patogenezę OZT. Wartość kliniczną tego typu doświadczeń obniża niewielki związek z przebiegiem ludzkiego ostrego zapalenia trzustki.

W 1987 roku przeprowadzono pierwsze doświadczenie mające na celu wywołanie naczyniopochodnego OZT. Polega na zmianie naczyniowego przepływu krwi przez trzustkę, co w rezultacie prowadzi do OZT. Jednym z rodzajów tego typu modeli jest zahamowanie dopływu krwi do trzustki, a przez to wywołanie wstrząsu hipowolemicznego. Ten rodzaj OZT występuje również u ludzi (37). Model ten udało się zastosować na psach, szczurach i kotach. W dostępnym piśmiennictwie opisującym ten rodzaj doświadczeń psy pozbawiono 30-35% objętości krwi krążącej, co w rezultacie spowodowało spadek ciśnienia tętniczego i wystąpienie wstrząsu hipowolemicznego. Po trzech godzinach eksperymentu masa trzustki wzrosła o 37%, a w analizie histologicznej stwierdzano obrzęk, krwotok, martwicę komórek trzustkowych i tkanki tłuszczowej (21). Doświadczenia tego rodzaju mają duże znaczenie kliniczne, ponieważ mechanizm OZT w modelu tym odpowiada procesom zachodzącym podczas dużych zabiegów chirurgicznych u ludzi. Innym modelem OZT wywołanym zmianami w przepływie trzustkowym jest trwałe zamknięcie tętnicy trzustkowo-dwunastniczej, a w rezultacie podniesienie poziomu enzymów trzustkowych i powstanie martwicy (37). Model ten ma niewielkie zastosowanie kliniczne z uwagi na bardzo rzadkie występowanie u ludzi OZT powodowanego tego typu zmianami (22). Kolejną modyfikacją i rozszerzeniem tych badań było utrudnienie odpływu krwi z trzustki wywołane zamknięciem żyły śledzionowej lub żołądkowo-dwunastniczej. W wyniku tych zabiegów dochodziło do wzrostu poziomu enzymów trzustkowych w surowicy i zmian histologicznych. W 1992 roku Waldner wywołał naczyniopochodne OZT, zaburzając mikrokrążenie tego narządu, wstrzykując wstecznie do tętnicy trzustkowo-dwunastniczej górnej tzw. microspheres (37). W zależności od wielkości zastosowanej dawki osiągano różny stopień nasilenia zmian, od obrzękowych po krwotoczne.

Począwszy od końca lat 80. w badaniach nad OZT zaczęto stosować modele, w których zapalenie trzustki wywołane było nadmierną stymulacją części zewnątrzwydzielniczej. W dostępnej literaturze istnieją opisy badań nad OZT z wykorzystaniem kilku substancji stymulujących wydzielanie soku trzustkowego, takich jak: analog cholecystokininy (CCK), ceruleina (agonista receptora muskarynowego), karbachol czy związki fosforoorganiczne blokujące cholinesterazę. W polskim i światowym piśmiennictwie najwięcej miejsca poświęcone jest modelom ceruleinowym ze względu na podobieństwo w obrazie histopatologicznym z wczesnymi fazami OZT występującego u ludzi (38). Model ten można zastosować u wielu gatunków zwierząt, np. myszy, szczurów, królików (39, 40, 41, 42, 43), psów (44) i świń (45). Pionierem badań wykorzystujących model ceruleinowy w Polsce był Gabryelewicz i wsp. (46, 47, 48, 49). Charakterystyka modelu ceruleinowego to szybki początek zmian po podaniu ceruleiny, wysoka powtarzalność i stosunkowo mała inwazyjność. Ceruleina poprzez receptory cholecystokininowe nadmiernie pobudza pankreocyty, w których dochodzi do zlewania się ziarnistości zymogenu z lizosomami, aktywacji enzymów trawiennych i niszczenia białek komórki. W opisanych modelach zwierzęcych ceruleinę podawano dootrzewnowo w dawce 50 μg/kg m.c., dożylnie w dawce maksymalnej 1-2 μg/kg/h lub ponadmaksymalnej, która u szczurów wynosi 5 μg/kg/h. Zastosowana dawka ceruleiny oraz liczba podań determinują nasilenie OZT od postaci łagodnych aż do powikłań narządowych. OZT powikłane uszkodzeniem płuc w modelu na myszach (50) i szczurach (51) ma szczególne znaczenie ze względu na wzrost odsetka śmiertelności w przypadku pojawienia się tego typu powikłań u ludzi.

Poza powikłaniami wielonarządowymi ostremu zapaleniu trzustki może towarzyszyć również sepsa. W kilku badaniach (52, 53) udowodniono, że ponadmaksymalne dawki ceruleiny mogą prowadzić do translokacji bakterii z jelit do trzustki, wątroby, śledziony, węzłów chłonnych krezkowych i krwi. Wstrząs septyczny może być spotęgowany przez podanie zwierzętom w modelu ceruleinowym dodatkowo bakteryjnych lipopolisacharydów (LPS) (54). W badaniu tym LPS podawany był dootrzewnowo po podaniu ceruleiny, aby imitować infekcję bakteryjną jako proces wtórny do OZT (54). OZT wywołane w ten sposób przebiegało w sposób bardziej ostry, jak też spowodowało bardziej nasilone powikłania wielonarządowe (55).

Innym nieinwazyjnym modelem doświadczalnym jest opisany w 1984 roku przez Mizunumę OZT szczurów wywołane argininą (56). Model ten przeprowadzono do tej pory również na myszach (57) i królikach (58). Arginina jest aminokwasem endogennym biorącym udział w cyklu Krebsa, który podany dootrzewnowo w dawce 500 mg/kg m.c. może wywoływać martwicze OZT. Dochodzi do tego najprawdopodobniej w wyniku zahamowania syntezy białek w trzustce (59), nadmiernej produkcji tlenku azotu (60) oraz peroksydacji lipidów (61). Arginina hamuje dekarboksylazę ornityny, czyli podstawowy enzym w syntezie poliamin. Ze względu na bardzo aktywny metabolizm białek trzustka jest bardzo wrażliwa na takie działanie. Model argininowy jest prosty, powtarzalny i nieinwazyjny. W zależności od zastosowanej dawki w łatwy sposób można kontrolować nasilenie zmian zapalnych. Dawka 250 mg/kg m.c. wywołuje łagodne zmiany histologiczne obejmujące obrzęk, naciek zapalny i degranulację komórek zymogenu (61), zaś dawka 500 mg/kg m.c. powstanie martwicy krwotocznej i zniszczenie struktury zrazikowej trzustki (62). W modelu rzadko pojawiają się zmiany w wątrobie, płucach, nerkach czy mózgu. Model argininowy jest w ostatnich latach popularnym modelem nieinwazyjnym ze względu na wysoką efektywność, swoistość i łatwość w kontrolowaniu zaawansowania procesu zapalnego. W praktyce klinicznej, ze względu na bardzo rzadkie występowanie OZT o tej etiologii, ma niestety niewielkie zastosowanie. W piśmiennictwie opisany jest tylko jeden przypadek kliniczny OZT po pięciomiesięcznym zażywaniu argininy.

Modele eksperymentalne OZT są przedmiotem prac naukowców na całym świecie. Do chwili obecnej nie udało się stworzyć idealnego modelu eksperymentalnego, który dokładnie naśladowałby patogenezę ludzkiego OZT z uwzględnieniem różnej etiologii tej choroby. Na przestrzeni ostatnich lat obserwujemy jednak duży postęp, jaki dokonał się w tej dziedzinie. Dzięki modelowi ceruleinowemu można symulować postać obrzękową OZT, model bostoński wykorzystywany jest do doświadczeń nad postacią martwiczą. Model taurocholanowy i model z zablokowanym przewodem żółciowym pozwala lepiej poznać procesy powodowane niekorzystnym działaniem kwasów żółciowych na trzustkę. Dla poznania mechanizmów towarzyszących OZT powikłań narządowych najwłaściwszy jest model oparty na bezcholinowej diecie wzbogaconej etioniną. Powstawanie nowych i udoskonalenia w obrębie istniejących modeli eksperymentalnych wynikały z chęci jak najdokładniejszego odwzorowania wielu patomechanizmów prowadzacych do OZT. Podkreślić należy duży wkład polskich naukowców (szczególnie ośrodek białostocki kierowany przez prof. Gabryelewicza) w rozwój modeli doświadczalnych i liczne badania nad patogenezą i nowymi możliwościami terapeutycznymi OZT.