作者:唐一尘 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/5/21 12:44:18
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小鼠太干净 研究难做好
有菌小鼠模型或更适合人类疾病研究

 

在2月一个温暖的早晨, Mark Pierson驱车20分钟来到美国明尼阿波利斯的一家大型宠物店。作为明尼苏达大学的免疫学家,Pierson经常到这里买小鼠。这次Pierson想要体型较小的小鼠,因为它们通常比较年幼,而且可能都携带了他想要的东西:细菌。

这些小鼠即将进入美国监控最严密的实验室之一,这里通常研究肺结核和基孔肯雅病毒等危险病原体。这些从宠物店购买的小鼠虽然可能不会造成严重的人类感染,但它们携带的病原体会对实验室中数百只其他小鼠造成严重威胁。

它们很快就有了新室友,每只都会与一群黑色的实验室小鼠混养在一起,共享食物、水、窝,以及最为重要的——病原体。之前,这些实验小鼠一直被饲养在一个极其洁净的环境中,没有接触过大多数病原体,所以其中一些在和宠物店小鼠混养后会生病、死亡。活下来的实验室小鼠将形成类似于野生小鼠的强大免疫系统,同时可能也更接近人类。

Pierson的做法实际上并不符合实验室规则。50多年来,科学家一直在努力使实验室小鼠变得更洁净。现在的大多数实验室会消毒动物的笼子、水和食物。明尼苏达大学的免疫学家、Pierson所在实验室的负责人David Masopust指出,“我们竭尽全力避免小鼠接触到自然环境中的感染。”这些努力很有成效:随着病原体等复杂因素得到控制,小鼠实验的结果变得越来越稳定。

但大量研究表明,这种洁净度是有代价的——啮齿动物无法建立健全的免疫系统。这些纯净的实验小鼠不再是人类免疫系统的可靠模型,因为人类生活在充满微生物的世界里。因此,一些在小鼠模型上大获成功的新疗法和疫苗可能不适用于临床。虽然目前没有明确证据将临床试验的失败归因于实验小鼠过度干净,但Masopust认为洁净的人造环境一定有影响。

根据一项研究的估计,90%进入临床试验的药物会失败。Masopust说:“你不得不怀疑,过度洁净的实验环境可能对实验产生了影响,令人被误导。”

于是,Masopust等人正在开发带菌模型,以便更好地模拟免疫系统在自然界中的建立过程。但饲养这些带菌小鼠可能会有风险。密苏里大学微生物组研究人员Aaron Ericsson指出,宠物店里的小鼠携带大量病菌,最可怕的就是这些小鼠可能造成大规模感染。

加点细菌

Masopust在十多年前就开始考虑小鼠洁净度带来的问题。实验小鼠的免疫组成与人体的免疫组成之间存在的巨大差异令他感到震惊。当时,许多研究人员认为这是遗传学上的差异造成的,但Masopust怀疑,部分原因可能在于实验小鼠的生活环境。

为了找到答案,Masopust开始比较实验室小鼠、宠物店小鼠以及谷仓里野生小鼠的免疫组成。在实验室小鼠的血液中,抗癌和抗感染的记忆T细胞,即接触过病原体的免疫细胞非常少。而这些记忆T细胞则广泛存在于人类、野生小鼠和宠物店小鼠的各个组织中。总体而言,实验室小鼠的免疫系统似乎非常“原始”,更接近人类婴儿而非成人的免疫系统。

Masopust怀疑感染史具有重要作用。因此,他认为可以通过将实验室小鼠暴露于感染因子下来诱导其免疫系统发生变化。如果实验室小鼠的问题在于过于洁净,那么或许可以试着让它们变脏。

他将一只宠物店小鼠放入一个装有几只实验小鼠的笼子里。实验小鼠会感染上宠物店小鼠携带的各种病原体。与Masopust合作的明尼苏达大学免疫学家Stephen Jameson指出,这种混养方式“会让传统实验室小鼠更贴近人类可能具有的正常免疫过程”。

然而研究人员遇到的一大难题是不知道该在哪里养这些带菌的小鼠。Masopust说:“我最不想的就是污染同事的小鼠。”当他第一次与动物饲养人员讨论这一实验时,大家都很紧张。

但幸运的是,明尼苏达大学当时正准备在Masopust的实验楼里建造一个高度隔离的实验室——专为生物安全三级(BSL-3)研究而设计,这意味着它能够安全地隔离人类致病菌。同时,它也可以防止带病小鼠将病原体传播给其他小鼠。

Masopust等人设法申请到了一个房间。现在,这个房间里共有500只小鼠,每只笼子里混养着几只洁净的实验室小鼠和一只脏兮兮的宠物店小鼠。在与宠物店小鼠混养一个月后,“变脏”的实验小鼠开始表现出很多与野生小鼠和宠物店小鼠一样的免疫特征。它们比实验小鼠具有更多的分化记忆T细胞,并且还发育出了组织驻留记忆T细胞。

来自野地

其他研究人员则从宠物店以外的方式寻找脏小鼠。美国马里兰州糖尿病、消化和肾脏疾病研究所(NIDDK)免疫学家Stephan Rosshart驱车几百公里去马厩捕捉野生小鼠。

Rosshart于2013年加入了NIDDK免疫学家Barbara Rehermann的实验室。二人仔细研读微生物组相关文献,发现微生物组对免疫系统有巨大的影响,但大多数论文都是基于两种实验小鼠的对比研究:一些携带来自实验室的微生物组,另一些完全没有微生物组。Rosshart想知道如果他给实验室小鼠添加野生鼠的微生物组会发生什么,或许那将保留实验室小鼠的遗传背景,但却使其生理更接近野生鼠。

Rosshart对野生微生物组供体有特殊的要求:成年小鼠、与实验室小鼠基因相似,没有病原体从而不会污染美国国立卫生研究院的其他小鼠。每天早上,Rosshart都会开车去3到10个谷仓,检查100多个只捕鼠器,然后将抓到的小鼠带回研究院。随后,他会解剖这些小鼠,并且保存它们的组织和粪便。到了晚上,他沿原路线捕捉更多小鼠。

最终,Rosshart一共处理了800多只小鼠,他和同事们从中选出3只遗传背景适当且没有病原体迹象的小鼠。他们将这几只小鼠粪便中的微生物转移到怀孕的无菌小鼠身上。当后一种小鼠分娩时,它们会将微生物传给幼崽。该团队将这些小鼠与从已消毒的实验室环境中获得微生物组的无菌小鼠进行了比较。

虽然更“野生”并不总是会带来更强的抗感染能力,但带菌小鼠模型让研究者很兴奋。这些脏小鼠使研究者能够探索在正常小鼠模型中无法发现的保护性免疫的不同机制。

广泛应用

但研究人员还不知道哪些模型最适合用于研究哪些问题。例如,在Masopust的研究中,每组实验小鼠获得不同的病原体组合。而在Virgin的设计中,小鼠则获得了明确的一组病原体,但其对免疫系统的影响并没有很明显。

英国爱丁堡大学的免疫学家Eleanor Riley指出,这些模型都不能完全复制大自然中的真实情况。她说:“我认为我们需要更多地与生态学家和动物学家合作,共同研究现实环境,如果单纯采取简化的方法会存在一定风险。”

另一方面,虽然野生微生物组模型解决了许多有关病原体接触的问题,但正如Rosshart所知,捕获野生小鼠是极其麻烦的事情。

带菌小鼠模型是否比标准的实验小鼠更能代表人类的状况,进而为药物开发提供更好的测试基础,还有待进一步观察。

其他实验室也开始饲养“脏”小鼠。去年12月,西雅图贝纳罗亚研究所免疫学家Daniel Campbell获得了一笔资助,用于构建带菌小鼠模型。Campbell表示构建混养小鼠模型非常具有挑战性,但是它是值得的。他说:“我认为很多人都会有兴趣,并且愿意进行相关尝试。”(唐一尘编译)

 
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