小鼠體內(nèi)長(zhǎng)出了人類肝臟

探戈

很多人可能見(jiàn)過(guò)這樣一張照片：一只沒(méi)有體毛的裸鼠，站在一個(gè)透明的圓形培養(yǎng)皿中，它背上竟然長(zhǎng)著一個(gè)“人類”的耳朵，令人驚嘆不已。這是科學(xué)史上最引人注目的小鼠之一，其實(shí)也是20多年前一項(xiàng)組織工程學(xué)的研究成果，科學(xué)家希望利用這些裸鼠生產(chǎn)出可供人類利用的耳廓等組織。

時(shí)至今日，這項(xiàng)“人耳鼠”成果在很多科學(xué)家眼里只能算是“小兒科”了，科學(xué)家已將小鼠的一些基因、組織甚至某些器官改造得越來(lái)越接近人類，希望它們能為人類健康作出貢獻(xiàn)。人源化肝臟嵌合小鼠正是其中的實(shí)驗(yàn)之一。

培育初衷

肝臟是個(gè)神奇的器官，它既是人體最大的內(nèi)臟器官，能分泌膽汁、儲(chǔ)藏糖原，調(diào)節(jié)新陳代謝，也是人體最大的解毒器官。人體代謝過(guò)程所產(chǎn)生的有毒產(chǎn)物、日常攝入的毒素或重金屬、藥物的代謝產(chǎn)物等都需要肝臟來(lái)解毒。但是，這些毒素——特別是有毒的藥物、代謝產(chǎn)物——?jiǎng)┝砍^(guò)肝臟的解毒能力時(shí)，會(huì)對(duì)肝臟造成致命損傷。此外，人類肝臟也容易受到一些特殊病毒，如甲肝病毒、乙肝病毒和丙肝病毒等的侵害，而且這些病毒往往特異性感染人類等靈長(zhǎng)類動(dòng)物，因此人類肝臟成為新藥開發(fā)、肝臟疾病機(jī)理研究等領(lǐng)域的重要關(guān)注對(duì)象。顯而易見(jiàn)，人類肝臟并不便于直接研究，用猴子、黑猩猩等靈長(zhǎng)類動(dòng)物又存在成本高、倫理爭(zhēng)議大等問(wèn)題，怎么辦？借助實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或是一個(gè)理想的替代方案。

鑒于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、飼養(yǎng)方便、成本低廉、基礎(chǔ)研究透徹等諸多優(yōu)點(diǎn)，小鼠已成為最常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物?？茖W(xué)家通過(guò)化學(xué)誘導(dǎo)、物理刺激、轉(zhuǎn)基因和基因編輯等技術(shù)培育出的小鼠模型不計(jì)其數(shù)，這些小鼠模型也在生物學(xué)基礎(chǔ)研究、組織工程、藥物開發(fā)、人類疾病機(jī)理研究等領(lǐng)域發(fā)揮著突出作用，成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域最受歡迎的研究工具和材料。值得一提的是，以小鼠為對(duì)象的相關(guān)研究已至少獲得20項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)，小鼠也成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域名副其實(shí)的大功臣。

不過(guò)，小鼠與人類在器官結(jié)構(gòu)、代謝特點(diǎn)、遺傳背景等方面都存在較大差異，也就是說(shuō)，小鼠并不能完全模擬人類，甚至?xí)槿祟愋滤幒图膊C(jī)理研究帶來(lái)一些誤導(dǎo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，經(jīng)小鼠等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物驗(yàn)證有效和安全的候選新藥，只有不到8%的藥物能最終完成臨床試驗(yàn)并獲得新藥證書，這顯示了小鼠等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性相對(duì)較低。但盡管不是完全靠譜，世界藥物開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)程序還是離不開小鼠等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。

隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因編輯技術(shù)的發(fā)展，有科學(xué)家提出了人源化小鼠的設(shè)想，也就是將小鼠某些特性改造得與人類相近，這或許可以解決小鼠在藥物開發(fā)、疾病模型等方面預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性差的難題。為了讓小鼠更接近于人類，科學(xué)家利用嵌合技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因編輯技術(shù)培育出的人源化嵌合小鼠，竟然可以長(zhǎng)出人類肝臟等組織器官，從而使這些小鼠在新藥開發(fā)、人類疾病機(jī)理研究等領(lǐng)域發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。

推陳出新

2001年，加拿大阿爾伯塔大學(xué)的研究人員突發(fā)奇想，將人肝細(xì)胞移植到一種有遺傳缺陷的轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)，這些人肝細(xì)胞居然在小鼠的肝臟上正常生長(zhǎng)，硬生生把小鼠肝臟變成了人肝細(xì)胞的“地盤”。大家都知道，不同物種的細(xì)胞相互之間存在免疫排斥反應(yīng)，一般情況下，小鼠免疫系統(tǒng)一旦識(shí)別出人類細(xì)胞等外來(lái)細(xì)胞，會(huì)馬上將其清除，為什么這種轉(zhuǎn)基因小鼠卻能允許人肝細(xì)胞肆意生長(zhǎng)呢？

原來(lái)，這種在1990年由美國(guó)辛辛那提大學(xué)的科學(xué)家培育出來(lái)的轉(zhuǎn)基因小鼠被轉(zhuǎn)入了一種叫尿激酶的基因，讓小鼠過(guò)量表達(dá)尿激酶而發(fā)生凝血障礙。這原本主要用于模擬一種人類新生兒凝血障礙，但過(guò)量的尿激酶卻對(duì)小鼠自身的肝臟造成了損傷，使其肝細(xì)胞大量減少，導(dǎo)致小鼠肝臟萎縮。加拿大研究人員將這種轉(zhuǎn)基因小鼠與另一種存在嚴(yán)重免疫缺陷的小鼠雜交，使其后代含有嚴(yán)重免疫缺陷和肝臟損傷這兩種缺陷，再將人肝細(xì)胞移植到這些小鼠體內(nèi)。由于這些小鼠本身具有免疫缺陷，其免疫系統(tǒng)已形同虛設(shè)，自然不會(huì)對(duì)外來(lái)的人肝細(xì)胞發(fā)起攻擊，因此人肝細(xì)胞在小鼠體內(nèi)得以生長(zhǎng)發(fā)育，并填補(bǔ)原來(lái)小鼠自身肝臟萎縮后留下的空缺。這樣，第一代嵌合人肝細(xì)胞的人源化小鼠就培育成功了。

人肝細(xì)胞在嵌合小鼠肝臟中的生長(zhǎng)過(guò)程

研究人員進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這種人源化小鼠的人肝細(xì)胞占整個(gè)嵌合肝臟的一半以上，而且能感染靈長(zhǎng)類動(dòng)物特異的丙肝病毒，成為第一種理想的丙肝病毒小鼠模型。不過(guò)第一代人源化小鼠模型的人肝細(xì)胞含量還是偏低，后來(lái)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，人肝細(xì)胞含量最多也只占到整個(gè)嵌合肝臟細(xì)胞總量的70%左右。此外，第一代人源化小鼠模型還存在繁殖效率低、存活時(shí)間短等問(wèn)題，限制了這種小鼠模型的應(yīng)用效果和范圍，于是第二代人源化嵌合小鼠便應(yīng)運(yùn)而生了。

2007年，美國(guó)俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的人源化肝臟小鼠，其基本思路與第一代相似。不過(guò)，美國(guó)科學(xué)家采取的方法并非轉(zhuǎn)基因技術(shù)，而是將基因敲除。他們將1個(gè)影響小鼠肝細(xì)胞存活能力的基因和兩個(gè)控制免疫細(xì)胞發(fā)育的基因都破壞掉，同樣得到了含有肝臟損傷和嚴(yán)重免疫缺陷這兩種缺陷的小鼠，然后將人肝細(xì)胞移植到這種基因敲除小鼠體內(nèi)，這種人源化嵌合小鼠體內(nèi)的人肝細(xì)胞含量可達(dá)到嵌合肝臟的90%以上。不僅如此，這種新的人源化嵌合小鼠還具有兩項(xiàng)新的優(yōu)勢(shì)：一是可以用多種來(lái)源的人肝細(xì)胞，比如從尸體上摘取的肝細(xì)胞、冷凍肝細(xì)胞、從新鮮肝臟切除的肝細(xì)胞等;二是能進(jìn)行人肝細(xì)胞連續(xù)的再植入，以將人肝細(xì)胞含量長(zhǎng)期維持在較高水平。這一優(yōu)勢(shì)是其他小鼠模型所不具備的。不過(guò)，這種第二代人源化肝臟小鼠模型需要肝臟保護(hù)藥物的協(xié)助。

日本中央實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所培育出了第三代人源化肝臟小鼠。研究人員先用化學(xué)藥物損傷小鼠自身肝臟，再植入人肝細(xì)胞，結(jié)果人肝細(xì)胞含量也可達(dá)到嵌合肝臟的90%以上，并可以在不需要肝臟保護(hù)藥物幫助的情況下，穩(wěn)定維持8個(gè)月以上的存活時(shí)間。

應(yīng)用廣泛

科學(xué)家開發(fā)的這些人源化肝臟嵌合小鼠模型，具有與人體肝臟類似的代謝特點(diǎn)和功能，人源酶類和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分泌水平也與人體肝臟相當(dāng)，可主要用于評(píng)估新藥安全性、藥效和代謝過(guò)程等，也可模擬乙肝病毒、丙肝病毒等感染肝臟的過(guò)程，以便于有針對(duì)性地開發(fā)安全有效的藥物和治療方法。

大鼠與小鼠的嵌合體

日本研究機(jī)構(gòu)在人源化肝臟小鼠模型研究領(lǐng)域開展的大量工作，也是2019年8月日本政府批準(zhǔn)開展人鼠嵌合體研究的重要基礎(chǔ)。日本鳳凰生物株式會(huì)社在大力推廣人源化肝臟小鼠模型的商業(yè)化應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，不僅專門成立了人源化肝臟小鼠生產(chǎn)和研發(fā)機(jī)構(gòu)，而且還為該公司所開發(fā)的人源化肝臟小鼠注冊(cè)了商標(biāo)，使其成為世界上使用最廣泛的人源化肝臟嵌合小鼠模型。2019年，日本麒麟株式會(huì)社轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究部的研究人員曾用改進(jìn)的第一代人源化嵌合小鼠對(duì)該公司研制的一種單克隆抗體進(jìn)行安全評(píng)估，結(jié)果顯示，該小鼠模型能很準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)該抗體引發(fā)的肝毒性，包括丙氨酸轉(zhuǎn)移酶升高、人源性肝細(xì)胞凋亡增加等。

研究顯示，科學(xué)家通過(guò)評(píng)估一種治療乙肝的失敗藥物，證明第三代人源化嵌合小鼠模型具有較高的肝毒性靈敏度。在1993年一次臨床Ⅱ期試驗(yàn)中，15名志愿者注射了這種藥物，結(jié)果有7名志愿者因肝臟衰竭不幸死亡，導(dǎo)致該藥物的臨床試驗(yàn)被緊急叫停。而在之前的小鼠、大鼠、狗和猴子等多項(xiàng)臨床前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，研究人員均未發(fā)現(xiàn)該藥具有嚴(yán)重的肝毒性。當(dāng)使用第三代人源化肝臟小鼠對(duì)其進(jìn)行重新評(píng)估時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，這一藥物的確會(huì)對(duì)人類肝臟造成直接毒性。如果這種人源化肝臟小鼠能夠早日培育出來(lái)并得到應(yīng)用，或許可以避免臨床試驗(yàn)志愿者死亡的悲劇。

裸鼠身上長(zhǎng)出人耳廓

利用第三代嵌合小鼠模型，研究人員還篩選到一種治療丙肝的新藥，證明該藥物具有較強(qiáng)的抗丙肝活性，而且與另一種藥物聯(lián)合使用療效更加顯著。第三代人源化嵌合小鼠模型為丙型肝炎治療性方法的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

人源化肝臟嵌合小鼠已成為新藥安全性評(píng)價(jià)和藥效學(xué)研究的理想工具，科學(xué)家利用人源化小鼠規(guī)?；a(chǎn)人用細(xì)胞、組織或器官的前景也值得期待。