免疫缺陷小鼠全面盤點(diǎn)：從免疫缺陷小鼠發(fā)展歷史到選擇方法

在免疫學(xué)、傳染病、癌癥生物學(xué)、造血干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究中，免疫缺陷小鼠已經(jīng)成為十分重要的模型工具。但目前免疫缺陷小鼠的品系繁多，且每種品系自身特性也有所不同。我們?nèi)绾芜x擇合適的免疫缺陷小鼠模型呢？

本期小編將對免疫缺陷小鼠進(jìn)行全面盤點(diǎn)。
 

免疫缺陷小鼠發(fā)展歷史

自上世紀(jì)60年代，裸鼠作為第一類免疫缺陷品系出現(xiàn)以來，免疫缺陷小鼠發(fā)展至今已有80多年的歷史。在這漫長的歷程中，不斷出現(xiàn)各種新的品系，我們對免疫缺陷小鼠的研究也愈發(fā)深入，下面小編將為你介紹一下常見品系的發(fā)展歷程。

裸鼠
1962年，在英國格拉斯哥Ruchill醫(yī)院的病毒實(shí)驗(yàn)室中，病毒流行病學(xué)家Norman Grist“偶遇了”一只全身無毛的小鼠，這只小鼠就是第一只被發(fā)現(xiàn)的裸鼠。

裸鼠的主要特征表現(xiàn)為無毛（Hairless）和無胸腺（Athymus）。這些表型歸咎于Foxn1蛋白的隱形突變。無毛的成因并不是毛囊缺失，而是由于Foxn1功能缺失導(dǎo)致毛發(fā)無法穿透表皮，盤繞在基底層內(nèi)。而小鼠無胸腺同樣是由于Foxn1功能缺失，導(dǎo)致胸腺上皮細(xì)胞和T細(xì)胞祖細(xì)胞無法正常增殖和分化，影響胸腺的發(fā)育和成熟。
 

目前，裸鼠主要用作構(gòu)建腫瘤的異源移植模型。根據(jù)移植來源不同分為CDX和PDX模型。但由于裸鼠只存在T細(xì)胞免疫缺陷，腫瘤移植種類只限于實(shí)體瘤，并且成瘤率、腫瘤生長和轉(zhuǎn)移都會(huì)受到限制。

由于裸鼠的乳腺發(fā)育不完全，裸鼠的繁育方式主要是通過雌性雜合子和雄性純合子進(jìn)行交配。
 

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SCID小鼠
1983年，Bosma（美國Fox Chase癌癥研究所）在CB17近交系小鼠中發(fā)現(xiàn)位于16號(hào)染色體上的Prkdc基因存在隱性突變，并首次描述了缺乏功能性T和B淋巴細(xì)胞的嚴(yán)重聯(lián)合免疫缺陷（Severe Combined Immunodeficient Mice，SCID）小鼠。
 

SCID小鼠外觀與普遍小鼠無差異，體重發(fā)育正常，免疫細(xì)胞發(fā)育分化環(huán)境正常，但胸腺、脾臟、淋巴結(jié)等組織器官中無功能性T細(xì)胞及B細(xì)胞。Prkdc基因編碼了DNA依賴性蛋白激酶的催化亞基（DNA-PKcs）。該蛋白是DNA修復(fù)中NHEJ通路的關(guān)鍵蛋白，并且參與了T、B 細(xì)胞的 T 細(xì)胞抗原受體（TCR）、B 細(xì)胞抗原受體（BCR）基因的V(D)J重排。SCID小鼠Prkdc的缺失導(dǎo)致TCR、BCR基因的V(D)J重排無法進(jìn)行，進(jìn)而影響T、B細(xì)胞的成熟。
 

與裸鼠相比，SCID小鼠的人類腫瘤植入效率更高。SCID小鼠的免疫細(xì)胞發(fā)育分化環(huán)境正常，理論上可以用作人造血干細(xì)胞（HSCs）和外周血單核細(xì)胞（PBMC）移植的受體，但移植效率并不理想。這是因?yàn)镾CID小鼠殘存有NK細(xì)胞、補(bǔ)體及髓系細(xì)胞的正常免疫，阻止了人類細(xì)胞的歸巢和維持。此外，由于Prkdc的缺失，SCID小鼠對輻照較為敏感，無法在移植前進(jìn)行輻照處理。隨著年齡的增長，SCID小鼠會(huì)發(fā)生免疫細(xì)胞泄露，產(chǎn)生一定程度的功能性T、B細(xì)胞。

RAG-/-小鼠（重組激活基因缺失小鼠）

1992年，缺失重組激活基因（Rag-/-）的免疫缺陷小鼠模型問世。重組激活基因包括 Rag1 和 Rag2 ，兩者編碼的RAG1和RAG2組成的RAG復(fù)合體在TCR和免疫球蛋白 V(D)J重排中起到關(guān)鍵作用。RAG復(fù)合體識(shí)別RSS序列并將DNA雙鏈剪切，之后 DNA 雙鏈通過 DNA-PKcs、Ku70/Ku80、Artemis等酶啟動(dòng)NHEJ，修復(fù)DNA雙鏈完成 VDJ 重排。因此，Rag1和 Rag2 任一基因的缺失都會(huì)導(dǎo)致T細(xì)胞和B細(xì)胞的缺乏。
 

Rag1-/-和Rag2-/-小鼠的特征基本相似。與SCID小鼠相比，Rag基因缺失能更早且更完全地阻斷T和B細(xì)胞分化。并且Rag基因缺失不影響DNA雙鏈修復(fù)進(jìn)程，因此Rag-/-小鼠對輻照不敏感。不過，Rag-/-小鼠保留了較高水平的NK細(xì)胞，在一定程度上也限制了人HSC細(xì)胞的移植。

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NOD-SCID小鼠
無論是SCID小鼠還是Rag KO小鼠，因?yàn)槠涔逃忻庖呋钚韵拗屏巳祟惤M織細(xì)胞的定植率。因此，科學(xué)家們嘗試通過更換小鼠背景改變這一情況。NOD SCID小鼠應(yīng)運(yùn)而生。
 

1980年， Makino（日本Shionogi公司）發(fā)現(xiàn)非肥胖糖尿�。∟OD）小鼠患有由T淋巴細(xì)胞浸潤和胰島β細(xì)胞破壞引起的糖尿病，同時(shí)還伴有多種免疫異常，包括補(bǔ)體缺失和NK、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞功能受損等。
 

1995年，Shultz通過雜交NOD和SCID小鼠建立了NOD SCID小鼠。NOD SCID小鼠不會(huì)發(fā)生糖尿病，缺乏T細(xì)胞和B細(xì)胞，患有低丙種球蛋白血癥，補(bǔ)體活性降低，抗原呈遞細(xì)胞（APC）、巨噬細(xì)胞和NK細(xì)胞的功能受到損害。因此成為人類造血干細(xì)胞和人類實(shí)體瘤移植的更好的受體。此外，Shultz等研究發(fā)現(xiàn)，SCID小鼠免疫滲漏高達(dá)90%，而NOD SCID小鼠則低于10%。NOD SCID小鼠一度成為造血細(xì)胞研究中應(yīng)用最廣、最為重要的移植模型。

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IL2rg-/-小鼠

X連鎖重癥聯(lián)合免疫缺陷癥（X-SCID）是一種 X 染色體隱性遺傳的免疫缺陷病，表現(xiàn)為外周血T細(xì)胞和NK細(xì)胞的缺乏，B細(xì)胞通常存在但幾乎沒有免疫球蛋白。X-SCID是由IL2RG 基因突變引起的，該基因編碼干擾白細(xì)胞介素2（interleukin2, IL-2）受體gamma鏈（IL-2Rγc）。
 

IL-2Rγc是形成高親和力受體的重要組成部分，能編碼重要的信號(hào)通路組成因子（如細(xì)胞因子IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15和IL-21），這對于淋巴細(xì)胞和NK細(xì)胞的發(fā)育至關(guān)重要。

1995年，通過靶向敲除IL2rg基因，獲得了IL2rg-/-小鼠。它們的T細(xì)胞和B細(xì)胞發(fā)育和功能嚴(yán)重受損，且NK細(xì)胞發(fā)育被完全阻斷。IL2rg-/-小鼠的產(chǎn)生使更多固有免疫缺陷小鼠模型成為可能，可以大大降低人體細(xì)胞和組織的排斥率。

IL-2Rγ與Jak3激酶相互作用進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，因此，Jak3缺失的Jak3-/-小鼠與IL2rg-/-小鼠類似，也缺乏NK細(xì)胞且T、B淋巴細(xì)胞減少。

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M-NSG小鼠
IL2rg缺陷小鼠，為免疫缺陷小鼠品系的構(gòu)建提供了新的思路。各地科學(xué)家們紛紛嘗試將IL2rg缺陷引入NOD SCID小鼠，構(gòu)建免疫缺陷程度更高的小鼠。南模生物在NOD SCID小鼠中敲除Il2rg基因，成功構(gòu)建出了M-NSG小鼠。
 

M-NSG缺乏成熟的 T、B 和 NK 細(xì)胞，對人源細(xì)胞和組織免疫排斥反應(yīng)低，腫瘤細(xì)胞成瘤性好，是人源化小鼠、異種移植、免疫重建的重要載體；對于研究人類造血干細(xì)胞、腫瘤發(fā)生與治療、免疫缺陷疾病與體內(nèi)免疫機(jī)制研究都具有重要意義。

與M-NSG小鼠相似的小鼠品系有NOG和NSG等，分別是在02年和05年由日本實(shí)驗(yàn)室和美國實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建。NOG小鼠的IL2rg缺乏胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，而NSG小鼠則完全缺失IL-2rg，二者的免疫缺陷程度與M-NSG相同，都表現(xiàn)出了無成熟T細(xì)胞、B細(xì)胞和功能性NK細(xì)胞，細(xì)胞因子信號(hào)傳遞能力缺失等。

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NRG/BRG等其他相似品系

在NSG小鼠的基礎(chǔ)上，更多類似的重度免疫缺陷小鼠品系被開發(fā)。其中應(yīng)用最為廣泛品系的有NRG小鼠（NOD-Rag1-/- IL2rg-/-）和BRG小鼠（BALB/cA-Rag2-/- IL2rg-/-）。

NRG小鼠與NSG小鼠非常類似，是由Rag1基因缺失代替scid突變，可以克服scid突變引起的一些不足，如：對輻照敏感。BRG小鼠是在BALB/c背景的小鼠中引入Rag1-/-或Rag2-/-突變和IL-2Rγ缺失，表現(xiàn)為T、B細(xì)胞缺失和NK細(xì)胞無活性。

NRG小鼠的人HSC細(xì)胞定植率比BRG高，主要的原因是NOD小鼠骨髓中的巨噬細(xì)胞中的信號(hào)調(diào)控蛋白alpha(SIRPα)產(chǎn)生突變。SIRPα是一種跨膜蛋白，在巨噬細(xì)胞上表達(dá)，并與其配體 CD47結(jié)合。SIRPα與CD47結(jié)合后，會(huì)向巨噬細(xì)胞發(fā)出抑制信號(hào)，阻止其進(jìn)行自噬活動(dòng)：即所謂的 "別吃我 "信號(hào)。這種結(jié)合具有物種特異性。在大多數(shù)小鼠品系中，小鼠的SIRPα無法識(shí)別人類的CD47，從而導(dǎo)致小鼠巨噬細(xì)胞的活化和對移植人類組織的排斥。而突變的NOD小鼠的SIRPα可以結(jié)合人源CD47，抑制巨噬細(xì)胞對人源細(xì)胞的吞噬作用。目前也有部分科學(xué)家將BRG小鼠的SIRPα進(jìn)行改造來提高BRG小鼠的人HSC細(xì)胞定植率。
 

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如何選擇免疫缺陷小鼠？
多種多樣的免疫缺陷小鼠讓我們在不同的研究領(lǐng)域或研究策略中可以靈活選擇，這時(shí)需要從以下幾個(gè)方面來綜合考量：

遺傳背景
小鼠的遺傳背景，比如不同背景的小鼠H2單體型不同：裸鼠就有3種不同的背景：BALB/c Nude、Nu/Nu、CD-1 Nude。其中BALB/c Nude為近交系，個(gè)體差異小，最常用于異種移植瘤模型的建立，成瘤所需腫瘤細(xì)胞接種量以及成瘤速度較后兩者也都具有一定的優(yōu)勢；Nu/Nu和CD-1 Nude為封閉群，個(gè)體差異較大，但生命力更旺盛。

免疫系統(tǒng)組成成分
T 淋巴細(xì)胞功能缺陷，例如：裸鼠
B 淋巴細(xì)胞功能缺陷，例如：CBA/N小鼠。
NK細(xì)胞功能缺陷，例如：Beige小鼠。
聯(lián)合免疫缺陷，例如：NOD-Scid小鼠、NSG小鼠等。

突變基因
在研究過程中，考慮某個(gè)或某幾個(gè)基因的突變對免疫反應(yīng)的影響（如NK細(xì)胞，巨噬細(xì)胞和補(bǔ)體活性等），以及與遺傳背景可能的相互作用。例如，β2微球蛋白（B2m）和穿孔素（Prf1）突變會(huì)降低NK細(xì)胞活性；白介素2受體γ鏈（Il2rg）突變則使NK細(xì)胞完全失活；scid突變在NOD小鼠中抵抗糖尿病的發(fā)生。

免疫細(xì)胞的泄漏
有的免疫缺陷小鼠品系會(huì)隨著年齡的增長，會(huì)產(chǎn)生一定程度的功能T、B細(xì)胞，例如SCID小鼠免疫滲漏高達(dá)90%。

壽命
有的免疫缺陷小鼠會(huì)自發(fā)淋巴瘤，導(dǎo)致小鼠壽命大幅縮短，因此不利于長期的跟蹤實(shí)驗(yàn)。比如：Nod-Scid小鼠的壽命大約只有8-9個(gè)月。

輻照敏感度
對輻照特別敏感的免疫缺陷小鼠品系不適合在移植前進(jìn)行輻照處理，比如：scid突變小鼠的輻照耐受量不超過400cGy (4 Gy)。

繁殖能力
例如：雌性裸鼠的繁殖能力很差，只有2.5月齡到4月齡的雌鼠才有生育能力。所以裸鼠的繁育是通過雄性純合子與雌性雜合子來完成的。

介紹了這么多，相信大家已經(jīng)初步掌握免疫缺陷小鼠的相關(guān)知識(shí)。免疫缺陷小鼠一直備受關(guān)注，其在腫瘤模型構(gòu)建及人源化免疫系統(tǒng)重建等方面有著廣泛應(yīng)用，是疾病相關(guān)機(jī)理研究、臨床前藥物篩選、藥效學(xué)和安全性評價(jià)的重要載體。
 

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Reference:
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