首页  >  热点  >  新闻特写  >  文章正文
shRNA表达克隆

“脏”小鼠可能更有研究价值

Apr 10, 2018 No Comments

“脏”小鼠可能更有研究价值

 

虽然研究人员通常都在清洁无菌的环境中饲养实验小鼠,但是一些免疫学家指出,添加适量的细菌能让小鼠模型更贴近人类的真实情况。

在2月一个异常温暖的早晨,明尼苏达大学(University of Minnesota)的免疫学家Mark Pierson开了20分钟的车,他要前往明尼阿波利斯的一家大型宠物店。Pierson经常来这里买小鼠,所以大部分员工都认识他。那天,他要买十只小鼠,于是员工从玻璃盒子里取小鼠。Pierson想要体型较小的小鼠,因为一般体型大小和年龄正相关,但他的要求也没有那么严苛。因为这些小鼠无论大小,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,该实验室通常用于研究诸如肺结核(tuberculosis)和基孔肯雅病毒(chikungunya virus)等危险病原体。这些从宠物店购买的小鼠虽然可能没有携严重的人类感染,但它们携带了对该建筑物中数百个其它研究小鼠来说是严重威胁的病原体。

来自宠物店的小鼠很快就会有新的室友。每个小鼠都会与一群黑色的实验室小鼠混养在一起,分享食物、水、窝和最重要的病原体。此前,这些实验小鼠一直被饲养在一个干净的环境中,没有接触过大多数疾病病原,所以其中一些在和宠物小鼠混养后,会生病并死亡。活下来的实验室小鼠将发育出更强大的免疫系统,并更像野生小鼠——也更接近人类的真实情况。

Pierson的做法实际上违反了实验室的规定。50多年来,科学家一直在努力使实验鼠变得更清洁。在现在的大多数实验中,动物的笼子、水和食物都经过了消毒。明尼苏达大学(University of Minnesota)的免疫学家、Pierson所在实验室的负责人David Masopust指出,他们竭尽全力保持小鼠生活环境的洁净。这些努力得到了回报: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了。

但是现在大量的研究表明,这种清洁也会带来负面影响——啮齿动物的免疫系统的发育变得迟缓了。为了寻求标准化和无污染的小鼠,科学家使这些实验小鼠无法可靠地模拟人类的免疫系统,因为人类生活在充满微生物的世界,这导致了一些在小鼠模型上大获成功的新疗法和疫苗无法转化成临床手段。虽然目前没有将临床试验的失败归因于实验鼠过度干净的明确证据,但Masopust认为这个因素在其中扮演了一定角色。根据Hay, M., Thomas等人的估计(Hay, M., Thomas, D. W., Craighead, J. L., Economides, C. & Rosenthal, J. Nature Biotechnol. 32, 40–51 (2014).),90%的药物进入临床试验时会失败,这并不是秘密,因为对动物有效的治疗在人身上的转化率很低。Masopust表示,这种情况让他们不得不怀疑,过度清洁的实验鼠有时的确会提供一些错误信息。

这就是为什么Masopust等人正在开发更加复杂的模型,以便更好地模拟免疫系统在自然界中的发育方式。有些团队会让小鼠感染一些疾病,而其他团队则将天然微生物引入小鼠体内。但饲养这些“被污染的”小鼠可能会有风险。哥伦比亚密苏里大学(University of Missouri)的微生物组研究人员Aaron Ericsson指出,宠物店里的小鼠携带了太多的病菌了。实验动物管理者非常重视生物安全,并且小鼠是一种宝贵的资源。最棘手的莫过于,小鼠实验室可能会爆发大规模的疫情。

 

散布细菌

Masopust在十多年前就开始考虑清洁问题。得知实验小鼠的免疫组成与人体的免疫组成有很大差异时,他非常惊讶。当时,许多研究人员认为这是因为遗传学上的差异而造成的,但Masopust怀疑,部分原因可能在于实验鼠生活的环境。他一直在思考:这是小鼠的问题吗?还是不仅仅是小鼠的问题?

为了解答这个问题,Masopust开始比较实验小鼠、从宠物店购回的小鼠以及从谷仓里抓到的小鼠的免疫组成。实验鼠的血液中抗癌和抗感染记忆T细胞——先前曾接触过病原体的免疫细胞——非常少。同时,实验鼠的身体其它组织中几乎也没有T细胞。人类、野生小鼠和宠物店小鼠的多个组织中则都有这些记忆T细胞。总体而言,实验小鼠的免疫系统看起来非常“原始”,更像人类婴儿,而非成人的免疫系统。

Masopust怀疑过去的感染是重要原因。如果是这样的话,他认为可以通过将实验鼠暴露于感染因子,而诱发实验小鼠免疫系统的变化。如果实验鼠的问题在于过于洁净,那么让它们变脏能解决问题吗?

他设计了一个看似简单的实验:将一只宠物商店的小鼠放入一个装有几只实验鼠的笼子里。实验室小鼠会被感染上宠物店小鼠携带的各种病原体——从皮毛螨、蜱虫到小鼠肝炎——也许免疫学上会更像宠物店的小鼠。明尼苏达大学与Masopust合作的免疫学家Stephen Jameson指出,这种共住方式“会让传统的实验室小鼠更贴近人类可能具有的正常免疫体验”。

但是有一个棘手之处,研究人员不知道该将这些带病的小鼠饲养于何处。Masopust表示,他不能让生病小鼠污染同事的小鼠。当他首次与动物饲养管理人员讨论实验时,“大家肯定都会担心”。但幸运的是,明尼苏达大学即将在Masopust的实验楼里建造一个高度隔离的实验室。该设施专为生物安全三级(BSL-3)研究而设计,这意味着它可以安全地隔离可以感染人类的病原体。同时,它也可以防止带病小鼠将病原体传播给其它小鼠。2013年,Masopust等人设法申请到了一个房间。Masopust指出,他很幸运,BSL-3动物房利用率不高。为了增加收入,管理中心允许对外开放。现在,这个房间里有一整排小鼠笼子,里面一共有500只小鼠,每只笼子里都有几只实验鼠和一只宠物店小鼠。

在与宠物店小鼠同居一个月后,“变脏”的实验小鼠开始拥有了很多与野生和宠物店小鼠一样的免疫特征。它们比正常实验小鼠具有更多的分化记忆T细胞,并且它们也发育出了组织驻留记忆T细胞(tissue-resident memory T cells)。标准的实验室小鼠的免疫相关基因活性谱与新生婴儿差不多,而宠物店小鼠和与其同居的实验室小鼠的基因活性特征则与成年人更接近。当使用单核细胞增生李斯特氏菌(Listeria monocytogenes)感染这些“脏”了的实验室鼠时,研究人员发现“脏”小鼠的抵抗力比干净的小鼠强得多:前者感染三天后携带的细菌数量下降超过四个数量级,这与接种过相应疫苗的实验鼠的反应差不多。

Masopust在BSL-3实验室工作后不久,华盛顿大学(Washington University)的免疫学家Herbert Virgin等人独立开展了一个类似的项目,以了解实验小鼠的免疫系统。但他们并没有使用宠物店小鼠来诱发感染,而是决定自己诱发感染,这种方法更容易控制变量。Virgin当时实验室中的一员、后就业于德克萨斯大学西南医学中心(德克萨斯大学西南医学中心)的免疫学家Tiffany Reese表示,作为一个训练有素的病毒学家,他想知道小鼠感染了什么病原体。

他们选择了四种病原体:两种疱疹病毒,一种流感病毒和一种长期感染小鼠小肠的肠寄生虫(helminth)。这几种病原体与发展中国家经常感染儿童的病原体相似。研究人员一次用一种病原体感染小鼠,并且每次感染之后留足时间让小鼠恢复——与人感染相同,恢复,然后再次感染。同时,给另一组小鼠用盐水进行模拟接种。最后的免疫测试是接种黄热病(yellow fever)疫苗,该疫苗是减毒活疫苗。

与Masopust的小组一样,Virgin注意到接受了感染的小鼠发生了显著的变化。它们的基因表达谱和对疫苗的反应与对照组不同:起初,对照组和实验组具有相同的抗体应答,但一个月后,被感染的实验组小鼠具有较低的抗体水平。目前尚不清楚这种差异是否会影响疫苗的效果。Virgin指出,他认为监管机构可能不在乎这是否有任何特定用途。尽管如此,他希望这些“更脏”的模型能够帮助我们更好地理解免疫系统。

 

野性的召唤

其他研究人员选择宠物店以外的方式寻找携带病原体的小鼠。美国糖尿病、消化和肾脏疾病研究所(US National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases,NIDDKD)的免疫学家Stephan Rosshart驱车几百公里去马里兰州的各个谷仓和哥伦比亚特区的各个马厩设陷阱捕捉野生小鼠。

Rosshart于2013年加入了NIDDKD免疫学家Barbara Rehermann的实验室,随后他们开始深度调研关于生活在大型生物体表面和体内的微生物的文献。研究表明,微生物组对免疫系统有巨大的影响,但他们发现的大多数论文都是基于两种实验室小鼠进行的比较:其中一些携带实验室衍生的微生物组和另一些完全没有微生物组。Rosshart想知道,如果他给实验室小鼠一个野生的微生物群体,会发生什么?这将保留实验室小鼠的遗传背景,但使其生理更接近野生鼠。

Rosshart对野生小鼠有特殊的要求:他想要一个成年野生小鼠,与实验室小鼠基因相似,没有病原体,因此不会污染NIH的其它小鼠。Rehermann试图说服Stephan,认为这是一个非常糟糕的研究想法,操作难度很高。但Rosshart不为所动。每天早上,Rosshart都会开车到3到10个谷仓,检查100多个只小鼠陷阱,然后将抓到的小鼠带回NIH。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,他再次去收集小鼠,并重新往陷阱中投放花生酱。因此,他每天从凌晨4点半开始工作,直到午夜才结束。他就这样每周工作7天,持续了两个月。Rosshart指出,刚开始这么做的时候,自己还是觉得很有趣的,到后面就觉得繁琐了。

最终,Rosshart一共处理了800多只小鼠,并选出三只遗传学类似、没有病原体的野生小鼠。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。当这些小鼠分娩时,它们会将微生物传给幼崽。该团队将这些小鼠与微生物群体来源于已消毒的实验室环境的无菌小鼠进行了比较。

他们用流感病毒感染这些小鼠:92%的野生微生物组小鼠活下来了,而标准实验室微生物组小鼠只有17%的存活率。当研究人员将两组小鼠暴露于导致结肠癌的化学物质时,野生微生物组小鼠的癌症病情也相对轻。对此,Rehermann指出,他们的假设是,如果你让实验室小鼠更像自然环境中的小鼠,那么这些小鼠也更像生活在自然环境中的人类。

然而,更“野生”并不总是会导致更强的抗感染力。上个月,新泽西州普林斯顿大学(Princeton University)进化生态学家Andrea Graham等人表示,“野生化”的实验室小鼠更易发生蠕虫感染。Graham让实验室小鼠在8个室外笼子里自由行动。当她投入第一批时,小鼠立即开始探索围栏,挖洞和吃东西。Graham指出,小鼠很开心,玩了好几个通宵。小鼠遇到的微生物显著影响了它们控制某些寄生虫的能力。Graham实验室的小鼠倾向于很快清除寄生虫感染。但户外组的小鼠“在几周内都摆脱不了蠕虫”。研究人员仍然试图探索可能的原因,这可能有助于揭示免疫系统如何在更自然的环境中工作。Rosshart表示,或许免疫系统优先处理致命的微生物——病毒和细菌,然后再处理非致命的感染,如蠕虫。Graham表示,免疫反应不可能完美对抗一切。

纽约实验动物的饲养者和供应商Taconic Biosciences公司的微生物组产品和服务负责人Alexander Maue表示,“脏”小鼠模型让学界很兴奋。从多个角度来说,这些研究都具有里程碑意义。这些“肮脏”的小鼠将使研究人员“能够看到在正常小鼠模型中不会发现的保护性免疫的不同机制。

 

大众模型

但研究人员还不知道哪些模型最适合研究哪些问题。例如,在Masopust的研究中,每组实验小鼠获得不同的病原体组合。Masopust指出,这有好有坏,因为人类的病原体也是多样化的。而在Virgin的设计中,小鼠则得到了一套确定的病原体,但对免疫系统的影响并不那么大。

英国爱丁堡大学(University of Edinburgh)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。野生小鼠在许多方面与实验室小鼠不同:饮食、性别、日光或温度都会有差异。她认为我们需要更多地与生态学家和动物学家一起工作,看看现实世界。单纯采取简化的方法是会存在风险的。

Virgin表示,即使在实验室建立这种简单版本的野生动物模型也是头痛的问题。他感觉大家都意识到实验动物野生化很重要,但问题是这需要很多基础设施。虽然野生微生物模型解决了病原体接触的问题,但正如Rosshart所知道的,捕获野生小鼠是极其麻烦的事情。

野生化的小鼠模型是否比标准的实验小鼠更能代表人类的状况——并为药物开发提供更好的测试模型——还有待观察。理想的实验可能需要在新模型中测试在临床试验中失败的疗法,以查看其结果是否与人类试验结果相同。

Masopust的小组正在与两家制药公司合作展开这类实验。他们选择了一种在人体研究中失败的疗法,该公司想知道这些野生化小鼠是否可以预测这种失败。另一个项目要求Masopust使用他的小鼠来测试在干净的小鼠身上效果显著的候选疗法。初步的数据表明该疗法对“脏”小鼠无效。

其他实验室也开始饲养“脏”小鼠。西雅图贝纳罗亚研究所(Benaroya Research Institute)的免疫学家Daniel Campbell去年12月从NIH那获得了一笔资助,建立了自己的野生化实验鼠。他的团队想要测试他们为自身免疫病(免疫系统攻击自身组织引起的疾病)开发的治疗方法。新疗法似乎对无菌小鼠非常有效。但他指出,很多在无菌小鼠上有效的疗法在临床试验中都失败了。Campbell认为,“脏”的小鼠比标准的实验小鼠的免疫系统更发达,这可能是一种更现实的模型,可以用来测试这些疗法。例如,“脏”小鼠可以更好地检测到不需要的副作用。安全是大问题。

Campbell指出,让野生鼠与无菌鼠同居一直是非常有挑战性的做法,但他认为这是值得的。他的许多同事都希望用“脏”小鼠去研究一些问题。Campbell认为很多人对这个有兴趣,他们都想尝试。

 


原文检索:
Cassandra Willyard. (2018) Squeaky clean mice could be ruining research. Nature, 556: 16-18. 
张洁/编译

新闻特写, 热点
No Responses to ““脏”小鼠可能更有研究价值”

Leave a Reply


− 5 = one