如何利用多功能小鼠模型工具簡(jiǎn)化復(fù)雜的系統(tǒng)性免疫反應(yīng)

 
時(shí)至今日，這場(chǎng)持續(xù)了兩年多的疫情，仍然在困擾著許多人的生活。

新冠病毒的藥效研究離不開(kāi)小鼠模型，而其他疾病的研究，同樣離不開(kāi)動(dòng)物模型。


眾所周知，雖然許多哺乳動(dòng)物的免疫系統(tǒng)與人類(lèi)有重要的共同特征，但某些免疫細(xì)胞類(lèi)型和表型卻是人類(lèi)獨(dú)有的。

因此，很難設(shè)計(jì)和開(kāi)展實(shí)證研究來(lái)幫助研究人員準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)治療藥物、傳染病和癌癥以及其他可以觸發(fā)免疫反應(yīng)的臨床反應(yīng)。

特別是系統(tǒng)性免疫功能紊亂（如細(xì)胞因子釋放綜合征 -cytokine release syndrome, CRS）和下游移植物抗宿主病 (graft vs. host disease, GvHD)的預(yù)防和治療研究，仍然具有極大的挑戰(zhàn)性。

體外研究無(wú)法捕捉反應(yīng)免疫系統(tǒng)對(duì)各種組織產(chǎn)生的級(jí)聯(lián)效應(yīng)，而在動(dòng)物（如嚙齒動(dòng)物和非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物）體內(nèi)研究歷史上也未能成功預(yù)測(cè)與人類(lèi)獨(dú)特免疫細(xì)胞相關(guān)的毒性反應(yīng) (Eastwood et al.2010)。
 
  為了解決這些問(wèn)題，杰克森實(shí)驗(yàn)室 (JAX) 開(kāi)發(fā)了一套多功能的小鼠模型工具，可支持人免疫系統(tǒng)大量功能性成分。
 

• 這些小鼠為產(chǎn)生敏感可重復(fù)性的結(jié)果，用以篩選炎癥反應(yīng)的候選藥物提供了一個(gè)臨床前研究平臺(tái)。
• 該平臺(tái)同時(shí)也為深入了解免疫疾病進(jìn)展以及治療這些疾病的藥物潛在療效提供了可能。

 
 
將小鼠人源化用于免疫學(xué)研究
 
為研究基于T細(xì)胞的免疫反應(yīng)建立人源化小鼠平臺(tái)，我們?cè)诿庖呷毕菪∈螅∟OD-scid IL2rgnull或NSG）體內(nèi)植入來(lái)自人類(lèi)供體的外周血單核細(xì)胞(peripheral blood mononuclear cell, PBMC)。PBMC包括多種免疫細(xì)胞，但這種移植物主要免疫細(xì)胞為T(mén)細(xì)胞，可使我們能夠在小鼠中重現(xiàn)人T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。
 
在驗(yàn)證研究中
我們發(fā)現(xiàn)在這些人源化小鼠模型中，使用臨床已知的可引起CRS的化合物，可以可靠地誘導(dǎo)劑量依賴性的CRS反應(yīng)，而且臨床已知安全的免疫療法不會(huì)產(chǎn)生CRS反應(yīng)。

結(jié)果還捕捉到單個(gè)人PBMC供體中觀測(cè)到細(xì)胞因子釋放的差異性，同時(shí)與用來(lái)自相同供體的細(xì)胞進(jìn)行的體外檢測(cè)體系相比，結(jié)果更敏感且可重復(fù)性更高 (Ye et al.2020)。
 
 
研究CRS如何影響器官
 
當(dāng)免疫系統(tǒng)對(duì)藥物或疾病等刺激反應(yīng)過(guò)度時(shí)，CRS就會(huì)發(fā)生。被激活的白細(xì)胞會(huì)使體內(nèi)充滿過(guò)量的細(xì)胞因子信號(hào)蛋白，這些細(xì)胞因子會(huì)激活更多的白細(xì)胞，并產(chǎn)生危險(xiǎn)的“滾雪球”效應(yīng)，進(jìn)而可能導(dǎo)致發(fā)燒、器官衰竭，甚至死亡。
 
借助我們的人源化小鼠模型，我們不僅能夠測(cè)量給藥后釋放到血液中的各種人細(xì)胞因子的水平，還能觀測(cè)到這些細(xì)胞因子隨時(shí)間推移對(duì)全身的下游效應(yīng)。
 
我們觀測(cè)了體重的變化，并采集血清分析了腎臟和肝臟相關(guān)酶水平。我們也收集了肝和肺組織樣本，使用蘇木精和伊紅 (H&E) 染色、Caspase 3染色和肝細(xì)胞單細(xì)胞壞死檢測(cè)進(jìn)行組織病理學(xué)研究。
  圖 1.肺組織 H&E 染色的組織病理學(xué)結(jié)果。用抗CD28單克隆抗體和TGN1412類(lèi)似藥物處理植入人PBMC的NSG小鼠，結(jié)果顯示這兩種藥物均可誘導(dǎo)細(xì)胞因子釋放。實(shí)驗(yàn)組織樣本的紫色染色表明高細(xì)胞死亡率。 
 
正如預(yù)期的那樣
根據(jù)細(xì)胞因子的釋放水平，用已知可導(dǎo)致CRS的化合物處理的人源化小鼠出現(xiàn)體重降低，同時(shí)有會(huì)造成功能減退的嚴(yán)重器官損傷。我們可以繼續(xù)完善這些研究，以便更好地理解劑量變化等因素如何影響CRS引起的下游器官效應(yīng)。
 
 
模擬GvHD進(jìn)展
 
我們也創(chuàng)造了人源化小鼠來(lái)模擬GvHD。GvHD會(huì)影響整個(gè)器官系統(tǒng)，并可能由長(zhǎng)期未治療的CRS發(fā)展而來(lái)。
 
我們通過(guò)對(duì)NSG小鼠進(jìn)行輻照處理，然后植入人PBMC來(lái)建立上述模型---這一過(guò)程與我們的其他研究類(lèi)似。不過(guò)，重要的是，這項(xiàng)特定研究的PBMC供體已針對(duì)其GvHD反應(yīng)進(jìn)行了提前表征分析。
 
我們觀察到
在人源化小鼠模型中，GvHD的進(jìn)展和嚴(yán)重程度與PBMC供體特異性相關(guān)，并與在人移植受體中觀測(cè)到的GvHD反應(yīng)的多樣性和嚴(yán)重程度的范圍密切相關(guān)。
 
這表明，與CRS一樣，該平臺(tái)將來(lái)可用于幫助個(gè)性化地預(yù)測(cè)患者免疫系統(tǒng)對(duì)治療的反應(yīng)。

我們進(jìn)行了一項(xiàng)初步研究
以此證明該平臺(tái)對(duì)于評(píng)估新藥在治療GvHD等免疫移植并發(fā)癥臨床前試驗(yàn)方面的實(shí)用性。我們采用了該模型來(lái)比較Abatacept（一種已知可以減緩GvHD進(jìn)展的免疫調(diào)節(jié)類(lèi)藥物）和可達(dá)成同樣目的的高/低劑量雙特異性抗體。
  圖 2.GvHD進(jìn)展過(guò)程中細(xì)胞因子的檢測(cè)。用Abatacept或低劑量/高劑量雙特異性抗體處理植入人PBMC的NSG小鼠模擬GvHD。在研究第28和45天，用高濃度雙特異性抗體處理的小鼠比用Abatacept治療的小鼠釋放更少的細(xì)胞因子。
 
在GvHD患者中，Abatacept可以減少T細(xì)胞擴(kuò)增和細(xì)胞因子釋放，并提高生存率。與對(duì)照組相比，Abatacept和雙特異性抗體劑量均證明了這三種效應(yīng)。高劑量的雙特異性抗體在研究最后幾周的表現(xiàn)優(yōu)于Abatacept。
 
這一結(jié)果表明
該人源化小鼠平臺(tái)可為了解任何治療GvHD的新藥療效及作用方式提供精準(zhǔn)信息。

訪問(wèn)CRS評(píng)價(jià)研究頁(yè)面，了解更多關(guān)于杰克森實(shí)驗(yàn)室用于研究免疫反應(yīng)（從實(shí)驗(yàn)室研究到各種藥物研發(fā)管線）的前沿人源化小鼠平臺(tái)信息。

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參考文獻(xiàn)

• Eastwood D, Findlay L, Poole S, Bird C, Wadhwa M, Moore M, Burns C, Thorpe R, Stebbings R. Monoclonal antibody TGN1412 trial failure explained by species differences in CD28 expression on CD4+ effector memory T-cells.Br J Pharmacol.2010 Oct;161(3):512-26. doi: 10.1111/j.1476-5381.2010.00922.x.PMID: 20880392
• Ye C, Yang H, Cheng M, Shultz L, Greiner D, Brehm M, Keck J. A rapid, sensitive, and reproducible in vivo PBMC humanized murine model for determining therapeutic-related cytokine release syndrome.FASEB J. 2020 August 09;34:12963-12975. doi: 10.1096/fj.202001203R