Mathematical model of liver cirrhosis formation during morphological and molecular-genetic preclinical studies

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: Currently, researchers describe challenges in developing new treatments for fibrosis and cirrhosis: poor quality of preclinical models, insufficient trial duration, and lack of markers of therapeutic response. A separate task is to standardize the process of liver cirrhosis formation in preclinical trials, which is necessary to obtain accurate quantitative estimates in a short timeframe.

AIM: This study aimed to develop a mathematical model for the formation of liver cirrhosis during preclinical trials.

MATERIALS AND METHODS: Liver fibrosis and cirrhosis were induced in male Wistar rats using freshly prepared thioacetamide solution for 17 weeks. The area of connective tissue was determined as a percentage of the image area. The area of interlobular veins was measured in µm2. The numbers of cells expressing the FAP marker and the α-SMA marker were counted. The level of mRNA expression of the Vegfa and Yap1 genes was assessed by real-time polymerase chain reaction. A mathematical model for classifying observations into stages was constructed using multiple logistic regression with stepwise selection of predictors, followed by calculation of sensitivity, specificity, and area under the curve with a 95% confidence interval based on ROC analysis.

RESULTS: As a result of the analysis, a mathematical model of liver cirrhosis formation was developed. The model is based on the values of two indicators: FAP+ cells and Yap1 mRNA and demonstrated good quality. The resulting value of the area under the ROC curve of 0.883 suggests good results for classifying cases.

CONCLUSIONS: The mathematical model makes it possible to differentiate the stage of liver cirrhosis from the stage of fibrosis during preclinical studies. It provides a foundation for studying the pathogenesis of liver fibrosis and cirrhosis, identifying new potential molecular targets for antifibrotic therapy, and reducing the number of expensive, labor-intensive laboratory tests.

About the authors

Elena I. Lebedeva

Vitebsk State Order of Peoples’ Friendship Medical University

Email: lebedeva.ya-elenale2013@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1309-4248
SPIN-code: 4049-3213

Cand. Sci. (Biology), Assistant Professor

Belarus, 27 Frunze avenue, 210009 Vitebsk

Anatoliy T. Shchastniy

Vitebsk State Order of Peoples’ Friendship Medical University

Email: rectorvsmu@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2796-4240
SPIN-code: 3289-6156

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Belarus, 27 Frunze avenue, 210009 Vitebsk

Andrei S. Babenka

Belarusian State Medical University

Email: labmdbt@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5513-970X
SPIN-code: 9715-4070

Cand. Sci. (Chemistry), Assistant Professor

Belarus, Minsk

Victor N. Martinkov

Republican Research Centre for Radiation Medicine and Human Ecology

Email: martinkov@rcrm.by
ORCID iD: 0000-0001-7029-5500
SPIN-code: 4319-8597

Cand. Sci. (Biology), Assistant Professor

Belarus, Gomel

Dmitry A. Zinovkin

Gomel State Medical University

Email: zinovkin_da@gsmu.by
ORCID iD: 0000-0002-3808-8832
SPIN-code: 1531-9214

Cand. Sci. (Biology), Assistant Professor

Belarus, Gomel

Eldar A. Nadyrov

Gomel State Medical University

Author for correspondence.
Email: nadyrov2006@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-0896-5611
SPIN-code: 8176-2029

MD, Cand. Sci. (Medicine), Assistant Professor

Belarus, Gomel

References

  1. Huang DQ, Terrault NA, Tacke F, et al. Global epidemiology of cirrhosis — aetiology, trends and predictions. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2023;20(6):388–398. doi: 10.1038/s41575-023-00759-2
  2. Jangra A, Kothari A, Sarma P, et al. Recent advancements in antifibrotic therapies for regression of liver fibrosis. Cells. 2022;11(9):1500. doi: 10.3390/cells11091500
  3. Cakaloglu Y. Alcohol-related medicosocial problems and liver disorders: Burden of alcoholic cirrhosis and hepatocellular carcinoma in Turkiye. Hepatol Forum. 2023;4(1):40–46. doi: 10.14744/hf.2022.2022.0045
  4. Pei Q, Yi Q, Tang L. Liver fibrosis resolution: from molecular mechanisms to therapeutic opportunities. Int J Mol Sci. 2023;24(11):9671. doi: 10.3390/ijms24119671
  5. Liu C, Hou X, Mo K, et al. Serum non-coding RNAs for diagnosis and stage of liver fibrosis. J Clin Lab Anal. 2022;36(10):e24658. doi: 10.1002/jcla.24658
  6. Guindi M. Liver fibrosis: the good, the bad, and the patchy-an update. Hum Pathol. 2023;141:201–211. doi: 10.1016/j.humpath.2023.01.002
  7. Kolaric TO, Kuna L, Covic M, et al. Preclinical models and promising pharmacotherapeutic strategies in liver fibrosis: an update. Curr Issues Mol Biol. 2023;45(5):4246–4260. doi: 10.3390/cimb45050270
  8. Krylov DP, Rodimova SA, Karabut MM, et al. Experimental models for studying structural and functional state of the pathological liver (review). Sovremennye tehnologii v medicine. 2023;15(4):65. doi: 10.17691/stm2023.15.4.06
  9. Lee HJ, Mun SJ, Jung CR, et al. In vitro modeling of liver fibrosis with 3D co-culture system using a novel human hepatic stellate cell line. Biotechnol Bioeng. 2023;120(5):1241–1253. doi: 10.1002/bit.28333
  10. Lee YS, Seki E. In vivo and In vitro models to study liver fibrosis: mechanisms and limitations. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 2023;16(3):355–367. doi: 10.1016/j.jcmgh.2023.05.010
  11. Lebedeva EI, Shchastniy AT, Babenka AS. Model of toxic fibrosis in Wistar rats: morphological and molecular-genetic parameters of the transition point to cirrhosis. Genes & cells. 2023;18(3):219–234. EDN: HTSXYA doi: 10.23868/gc546031
  12. Krasochko PA, Shchastniy AT, Lebedeva EI, et al. Methodological recommendations for creating an experimental model of toxic fibrosis and cirrhosis induced by thioacetamide. Minsk: Republican Unitary Enterprise “Institute of Experimental Veterinary Medicine named after. S.N. Vyshelesskogo”; 2021. 13 p. (In Belarus.) E DN: ZNOOHG
  13. Lebedeva EI, Krasochko PA, Shchastniy AT, et al. Recommendations for assessing the progression and regression of toxic liver fibrosis in preclinical studies. Minsk: “Institute of Experimental Veterinary Medicine named after. S.N. Vyshelesskogo”, 2023. 8 p. (In Belarus.) EDN: LSMJUD
  14. Lay AJ, Zhang HE, McCaughan GW, Gorrell MD. Fibroblast activation protein in liver fibrosis. Front Biosci (Landmark Ed). 2019;24(1):1–17. doi: 10.2741/4706
  15. Yang AT, Kim YO, Yan XZ, et al. Fibroblast activation protein activates macrophages and promotes parenchymal liver inflammation and fibrosis. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 2023;15(4):841–867. doi: 10.1016/j.jcmgh.2022.12.005
  16. Shi Y, Kong Z, Liu P, et al. Oncogenesis, microenvironment modulation and clinical potentiality of fap in glioblastoma: lessons learned from other solid tumors. Cells. 2021;10(5):1142. doi: 10.3390/cells10051142
  17. Ahmad A, Nawaz MI. Molecular mechanism of VEGF and its role in pathological angiogenesis. J Cell Biochem. 2022;123(12):1938–1965. doi: 10.1002/jcb.30344
  18. Lin Y, Dong MQ, Liu ZM, et al. A strategy of vascular-targeted therapy for liver fibrosis. Hepatology. 2022;76(3):660–675. doi: 10.1002/hep.32299
  19. Xiang D, Zou J, Zhu X, et al. Physalin D attenuates hepatic stellate cell activation and liver fibrosis by blocking TGF-β/Smad and YAP signaling. Phytomedicine. 2020:78:153294. doi: 10.1016/j.phymed.2020.153294
  20. Dai Y, Hao P, Sun Z, et al. Liver knockout YAP gene improved insulin resistance-induced hepatic fibrosis. J Endocrinol. 2021;249(2):149–161. doi: 10.1530/JOE-20-0561
  21. Kamm DR, McCommis KS. Hepatic stellate cells in physiology and pathology. J Physiol. 2022;600(8):1825–1837. doi: 10.1113/JP281061
  22. O’Hara SP, LaRusso NF. Portal fibroblasts: A renewable source of liver myofibroblasts. Hepatology. 2022;76(5):1240–1242. doi: 10.1002/hep.32528
  23. Kim HY, Sakane S, Eguileor A, et al. The origin and fate of liver myofibroblasts. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 2023; 17(1):93–106. doi: 10.1016/j.jcmgh.2023.09.008
  24. Wu Y, Li Z, Xiu AY, et al. Carvedilol attenuates carbon tetrachloride-induced liver fibrosis and hepatic sinusoidal capillarization in mice. Drug Des Devel Ther. 2019;13:2667–2676. doi: 10.2147/DDDT.S210797
  25. Sato K, Marzioni M, Meng F. Ductular reaction in liver diseases: pathological mechanisms and translational significances. Hepatology. 2019;69(1):420–430. doi: 10.1002/hep.30150 Corrected and republished from: Hepatology. 2019;70(3):1089. doi: 10.1002/hep.30878
  26. Acharya P, Chouhan K, Weiskirchen S, Weiskirchen R. Cellular mechanisms of liver fibrosis. Front Pharmacol. 2021;12:671640. doi: 10.3389/fphar.2021.671640
  27. Li H. Angiogenesis in the progression from liver fibrosis to cirrhosis and hepatocelluar carcinoma. Expert Rev Gastroenterol Hepatol. 2021;15(3):217–233. doi: 10.1080/17474124.2021.1842732
  28. Ahmad A, Nawaz MI. Molecular mechanism of VEGF and its role in pathological angiogenesis. J Cell Biochem. 2022;123(12):1938–1965. doi: 10.1002/jcb.30344
  29. Zhang W, Han L, Wen Y, et al. Electroacupuncture reverses endothelial cell death and promotes angiogenesis through the VEGF/Notch signaling pathway after focal cerebral ischemia-reperfusion injury. Brain Behav. 2023;13(3):e2912. doi: 10.1002/brb3.2912
  30. Du K, Maeso-Díaz R, Oh SH, et al. Targeting YAP-mediated HSC death susceptibility and senescence for treatment of liver fibrosis. Hepatology. 2023;77(6):1998–2015. doi: 10.1097/HEP.0000000000000326

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Rats' liver after 5 (a, b), 9 (c), 13 (d), 17 (e) weeks after the start of the experiment, quantitative changes in the area of connective tissue: a — fibrous connective tissue septa (arrows); b — perisinusoidal fibrosis (arrows); c — false hepatic lobule (oval frame); d — false hepatic lobules (arrows); e — thick fibrous connective tissue septa (arrow); f — change in the area of connective tissue at different stages of the experiment. Mallory staining; ×100 (d), ×200 (a, c, e, ×400 (b).

Download (6MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Histological preparations of rat liver 13 weeks after the start of the experiment, quantitative changes in the area of interlobular veins: a — venous angiogenesis (arrows); b — interlobular vein (arrow); c — change in the area of interlobular veins at different stages of the experiment. Mallory staining; ×100.

Download (2MB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Rats' liver after 13 weeks after the start of the experiment: a — α-SMA⁺ cells (arrows); b — FAP⁺ cells (arrows). Immunohistochemical staining for α-SMA (a); on FAP (b), counterstaining with Mayer's hematoxylin; ×200 (a), ×400 (b).

Download (1MB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Change in the number of FAP⁺ (a) and α-SMA⁺ (b) cells at different stages of the experiment.

Download (543KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Changes in the mRNA levels of the Vegfa (a) and Yap1 (b) genes at different stages of the experiment.

Download (532KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. ROC curve based on the calculated values of the logistic regression equation.

Download (387KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».