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常见的免疫系统人源化小鼠模型介绍

笔者进入生物制药行业以后,经常听到类似的一个说法:如果单纯从体外细胞杀伤实验效果来看,癌症早就被攻克了。肿瘤的异质性,个性化以及肿瘤微环境的影响决定了体内真实的肿瘤和体外单个的肿瘤细胞存在有很大的差异,更不用说现在研究用的肿瘤细胞很多都是传了许多代的细胞系(这还不考虑细胞系污染的问题)。


现在免疫检查点抑制剂(PD1/PDL1在肿瘤治疗领域取得了重大突破,在多种实体瘤中取得了较好的疗效。免疫治疗在抗肿瘤治疗中的作用备受关注,目前已有多种小鼠模型用于此方面的临床前研究(表1)。



模型
建立方法
优点
缺点
应用
小鼠同种异体移植瘤模型
将鼠源性肿瘤细胞/组织移植入小鼠体内
简单经济;
缺乏人类免疫系统及人类靶点;
前期筛选鼠源/人鼠同源免疫检查点抑制剂的抗肿瘤作用及机制研究


完整的小鼠免疫系统;
低肿瘤突变负荷;

基因工程小鼠(GEMM)
通过转基因方法修饰癌基因或抑癌基因来诱发肿瘤
自发形成原位肿瘤,模拟了肿瘤形成的过程
模型建立耗时长;
筛选鼠源/人鼠同源免疫检查点抑制剂的抗肿瘤作用及机制研究;预防性疫苗


完整的小鼠免疫系统
肿瘤发生非同步化,存在非预期表型产生;




缺乏人类免疫系统;

基因编辑小鼠(knock in or knock out)
通过敲入人的免疫检查点基因使小鼠存在人类靶点
可敲入人CTLA-4、PD1、FcR等各类基因,存在人类靶点
低肿瘤突变负荷;
筛选人源免疫检查点抑制剂,研究其不良反应



缺乏人类免疫系统;

人源性肿瘤细胞系移植瘤模型(CDX)
将人源性肿瘤细胞系移植到免疫缺陷小鼠体内
CDX构建相对方便;
缺乏完整的免疫系统;
药效评价;


部分模拟了人的肿瘤组织学特征及部分基因学特征
CDX基质细胞为鼠源性,缺乏特异性相互作用
肿瘤机理研究;
病人肿瘤组织移植瘤模型(PDX)
将病人肿瘤组织移植到免疫缺陷小鼠体内
保存了病人肿瘤组织的基因型和表型的多样性,比较真实的反映原始肿瘤的特性保存了肿瘤的基质细胞,保存了肿瘤的微环境
构建复杂,耗时长;缺乏完整的免疫系统;
抗癌药物的筛选与生物标志物的研发;肿瘤药物协同临床试验;精准医疗;肿瘤机理研究;






1 常用的临床前研究小鼠模型


从上面可以看出,前三种均为小鼠免疫系统而非人源免疫系统,毕竟我们的药物是给人研发的而不是为小鼠设计的。前两个均为完全的小鼠系统模型,第三个基因编辑小鼠从制备、繁殖、鉴定评价、到成为药效验证的工具需要超过2年的时间,而且不是所有靶点都能有现成的基因编辑人源化小鼠


因而若能通过重度免疫缺陷小鼠重新构建免疫系统,并结合CDX和PDX model,这能够更好的模拟人类免疫系统及肿瘤免疫微环境,与人体真实情况更加接近以下为三种常见的人源化免疫系统小鼠模型构建方法:


模型
建立方法
优点
缺点
Hu-PBMC
注射外周血淋巴细胞或单个核细胞
易于建立;T 细胞移植效率高;
因发生GVHD,生存期短,研究时间受限
Hu-HSC
注射来自脐血、骨髓或外周血GM-CSF动员的干细胞
多系造血祖细胞发育,包括T 细胞、B 细胞、髓系细胞及NK 细胞
T 细胞受小鼠胸腺教育,非HLA限制性
构建复杂耗时,批间差大,不稳定;
Hu-BLT
将人的胚胎肝脏和胸腺共同移植到小鼠的肾被膜下,并将同一胚胎来源的肝脏造血干细胞注入小鼠体内
具有完整的免疫系统
需要精细的手术操作,胚胎肝脏、胸腺来源受限




Hu-PBMC将人的外周血单核细胞(PBMC)直接注射到重度免疫缺陷小鼠里进行免疫重建。其优势在于PBMC是已经发育成熟的免疫细胞,细胞功能是完善,而且模型制备时间短该方法可以很快(一般第一周末)就可以获得人CD3+T细胞,是体内研究人T细胞功能的极好模型。但由于PBMC的T细胞受体非特异识别小鼠的MHC,会导致人T细胞(尤其是CD8+T细胞)在小鼠体内大量增殖,分泌大量的细胞因子,最终引起GVHD(移植物抗宿主反应),5-6周内导致小鼠体重下降和小鼠。

现在也可以通过一些方式来降低GVHD效应。比如使用MHC缺失的免疫缺陷小鼠会更好一些。如果将PBMC注射到MHC缺失的小鼠里,PBMC里的T细胞就不会疯狂地增殖,从而将GvHD的发生时间很大程度的延迟。如果将PBMC和人的肿瘤接种到MHC缺失的重度免疫缺陷小鼠里,将会给研究者更长的实验窗口期,更好的模拟人体内的抗肿瘤免疫反应并进行药效研究。

也可以在移植前将PBMC中CD4+T 细胞清除,这也可有效减少GVHD 的发生,延长小鼠生存期。


Hu-HSC将人脐带血、骨髓或外周血中细胞集落刺激因子动员的造血干细胞注射到经过辐照或新生的重度免疫缺陷小鼠里。经过3-4个月的体内细胞发育分化,会得到人的免疫细胞。Hu-HSC 模型能建立人的固有免疫系统和淋巴细胞,通常不会发生GVHD,可用于长期研究。

因为这种小鼠没有人T细胞发育所必需的人的胸腺,所以得到的免疫细胞免疫功能是有缺陷的,其体液免疫(B细胞免疫)也是有缺陷的。而且此模型构建时间久,构建过程复杂,同时现在常见的脐血CD34模型,由于单一个体CD34数量有限,因而批间差比较大,实验结果不稳定针对脐血CD34含量少,批间差大的问题,可以考虑使用C-CSF动员的CD34+细胞进行构建,由于其数量较大,能够有效避免问题。


Hu-BLT将人的胚胎肝脏和胸腺共同移植到免疫缺陷鼠的肾被膜下,同时将同一胚胎来源的肝脏造血干细胞注射到小鼠体内而建立的动物模型。此模型当之无愧为人免疫系统最完善的模型具有完整的人类免疫系统,人胸腺细胞也能受到自体胸腺上皮的“教育”,在胸腺内可以看到人的胸腺细胞的发育。然而由于众所周知的来源问题,此模型比较罕见,更多的只是高校医院科研人员进行研究使用,不适合于药物研发所要求的大批量、稳定和可重复的要求。


当然由于是在重组免疫缺陷的小鼠体内构建的人免疫系统,不可避免存在很多问题,比如小鼠缺乏人细胞因子因而导致构建的免疫系统不成熟,人免疫系统攻击小鼠导致的GVHD,贫血等情况,人免疫细胞和移植瘤存在HLA不相容性等等。但瑕不掩瑜,免疫系统人源化小鼠模型对于评估免疫治疗药物、实现精准免疫治疗仍然拥有巨大的潜力,而且现阶段对于重度免疫缺陷小鼠的改进仍在不断持续,下次有机会笔者会整理一下这方面的信息。




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