人源化動(dòng)物模型的研究進(jìn)展

胡鍇克，徐 冶 (吉林醫(yī)藥學(xué)院腫瘤靶向治療與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林 132013)

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)歷史悠久的分支，對(duì)動(dòng)物模型的研究成果可以延伸到人類的相似疾病，推導(dǎo)其發(fā)生發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而研究防治措施。由于動(dòng)物和人體存在的遺傳背景、生理特性和免疫狀態(tài)上的區(qū)別，盡管動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有一定的相似性，但不能簡(jiǎn)單地直接套用到人身上?，F(xiàn)代基因工程技術(shù)的興起使得在動(dòng)物身上營(yíng)造出類似于人體的環(huán)境不再是無(wú)法解決的難題。在此基礎(chǔ)上，為了追求更進(jìn)一步地模擬人類的生理或病理狀態(tài)，人源化動(dòng)物模型便應(yīng)運(yùn)而生。該模型的建立是將來(lái)自于人的基因、細(xì)胞與組織導(dǎo)入到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)，使其獲得與人類更為接近的生理病理特征[1]。

1 基因工程實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

基因工程動(dòng)物是指使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)、基因敲除或敲入技術(shù)和基因組編輯技術(shù)等各種基因重組手段，改變基因組的遺傳特征并引入特定的性狀。根據(jù)基因工程動(dòng)物的用途，可大致分為遺傳動(dòng)物模型、生物反應(yīng)器和人源化動(dòng)物模型。

1.1 遺傳動(dòng)物模型

遺傳動(dòng)物模型是以滿足生物醫(yī)學(xué)研究為目的、性狀可以持續(xù)穩(wěn)定表達(dá)并遺傳給后代的基因工程動(dòng)物。研究人員對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行基因編輯，分析特定基因的表達(dá)和調(diào)控機(jī)制。

1.2 生物反應(yīng)器

生物反應(yīng)器是通過(guò)基因編輯使其表達(dá)特定抗體和疫苗等生物因子的動(dòng)物品系。與傳統(tǒng)的疫苗等藥物的制作工藝相比，基因工程改造的生物反應(yīng)器生產(chǎn)效率更高、產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定、生產(chǎn)成本易于控制。例如以其優(yōu)異力學(xué)性能、良好的生物相容性和可降解性而有巨大應(yīng)用潛力的絲蛋白生物材料，就可以通過(guò)基因工程合成許多重組絲蛋白基因，并在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物(如小鼠、山羊)中表達(dá)生成[2]。

1.3 人源化動(dòng)物模型

這里的人源化動(dòng)物模型生產(chǎn)過(guò)程與生物反應(yīng)器類似,區(qū)別在于建立人源化動(dòng)物模型時(shí)，使用基因工程技術(shù)導(dǎo)入的是來(lái)自人類的基因片段，或直接將來(lái)自人體的細(xì)胞或組織移植入動(dòng)物。目前，用于建立人類疾病模型的人源化動(dòng)物一般以小鼠為主，而作為器官供體的動(dòng)物模型則以豬、狒狒或黑猩猩為對(duì)象。

2 人源化動(dòng)物模型

2.1 基因人源化動(dòng)物模型

基因人源化是將人類的各類基因通過(guò)基因工程技術(shù)整合到動(dòng)物基因中，使動(dòng)物可以感染嗜人體病原體(如HIV、HBV)、分泌人類特有抗體、表達(dá)與人類相似的藥物代謝性狀[3]。如通過(guò)將HLA轉(zhuǎn)入小鼠基因組中，同時(shí)敲除小鼠H-2的重要組分，建立人MHC轉(zhuǎn)基因小鼠，可以更加有效地模擬人類免疫反應(yīng)[4]，在臨床治療和疾病研究中，利用轉(zhuǎn)基因小鼠獲取人類單克隆抗體，已經(jīng)是一項(xiàng)較為完善的技術(shù)[5]。

2.2 細(xì)胞人源化動(dòng)物模型

細(xì)胞人源化是將人體的原代細(xì)胞或組織移植到動(dòng)物體內(nèi)，依靠動(dòng)物提供生長(zhǎng)環(huán)境。由于異種移植間難以避免的移植免疫排斥反應(yīng)，細(xì)胞人源化的動(dòng)物模型一般是建立在免疫缺陷的基礎(chǔ)上。常見的品種有裸鼠、非肥胖糖尿病小鼠、重癥聯(lián)合免疫缺陷小鼠、NOD/SCID基礎(chǔ)上敲除IL2rg基因小鼠以及建立在這些品系基礎(chǔ)上的靶向基因突變的其他類型鼠。

2.2.1人肝嵌合小鼠

人肝嵌合小鼠模型是將人肝細(xì)胞移植到肝損傷的免疫缺陷小鼠體內(nèi)，也稱為人源化肝臟小鼠。人源化肝臟小鼠顯示了人類肝臟基因表達(dá)的一些特征，并反映了人類肝臟對(duì)肝毒性藥物的反應(yīng)[6]。其比較常見的應(yīng)用是研究人類藥物代謝的機(jī)制，如使用人源化肝臟小鼠研究鄰苯二甲酸二異壬基酯和氯苯噻唑乙酸在人體中的藥代動(dòng)力學(xué)[7]，給人源化肝臟小鼠服用酮康唑或利福平后觀察其膽汁酸的分泌變化[8]。最近有研究報(bào)道，以人肝小鼠的肝臟替代人肝用于實(shí)驗(yàn)[9]。

2.2.2重建人免疫系統(tǒng)小鼠

在高度免疫缺陷小鼠體內(nèi)移植來(lái)源于人的造血干細(xì)胞，使小鼠體內(nèi)產(chǎn)生人類的免疫系統(tǒng)，稱為重建人免疫系統(tǒng)(Human immune system,HIS)小鼠。通過(guò)其不同細(xì)胞來(lái)源又可分為SCID-hu、hu-PBL-SCID、hu-BLT-SCID等模型。在研究人類淋巴細(xì)胞生物學(xué)和免疫學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，這類小鼠模型具有極高的應(yīng)用價(jià)值[10]。

2.3 人類病毒感染模型

乙肝、艾滋病等重大傳染病嚴(yán)重危害人類健康，但因?yàn)镠BV和HIV等病毒在宿主選擇上有嚴(yán)苛的人細(xì)胞嗜性，缺乏穩(wěn)定可操作的動(dòng)物模型限制了對(duì)其致病機(jī)制的研究和抗病毒藥物及疫苗的篩選進(jìn)展。人肝嵌合小鼠和重建人免疫系統(tǒng)小鼠則分別突破了這兩種病毒的感染限制[11]，為模擬這些重要病原體自然感染人的過(guò)程和產(chǎn)生的病理變化、新型疫苗的開發(fā)和治療方法的發(fā)展提供了重要平臺(tái)。

2.4 異種移植腫瘤模型

惡性腫瘤是當(dāng)前世界范圍內(nèi)最迫切需要解決的公共衛(wèi)生問(wèn)題之一。人類惡性腫瘤細(xì)胞系來(lái)源的異種移植模型也是抗腫瘤藥物研發(fā)中常用的體外平臺(tái)[12]，這種模型建立方式稱為細(xì)胞系來(lái)源異種移植(cell-derived xenograft,CDX)。但在長(zhǎng)期離體培養(yǎng)的過(guò)程中，由于缺乏正常的細(xì)胞基質(zhì)和腫瘤微環(huán)境，腫瘤細(xì)胞會(huì)發(fā)生一系列不可逆的生物學(xué)特性改變并趨于同質(zhì)化，因此無(wú)法較為合理地反映患者體內(nèi)原代腫瘤的情況[13]。相比傳統(tǒng)的CDX，患者來(lái)源異種移植(patient-derived xenograft,PDX)進(jìn)一步保留了病人腫瘤的基本性質(zhì)和各類特征[14]，更適合用于評(píng)估藥物的療效,為個(gè)體化治療提供研究手段[15]。

2.5 重建人免疫系統(tǒng)的患者來(lái)源腫瘤組織異種移植模型

盡管PDX比起CDX已顯著改善，但仍存在其局限性。對(duì)于異種移植使用的免疫缺陷小鼠而言，因?yàn)橐浦才懦夥磻?yīng)的存在，其免疫缺陷程度越高，對(duì)異種移植物的容受性就越高，模型構(gòu)建的成功率自然也就越高[16]。同時(shí)也導(dǎo)致模型因?yàn)槠浔旧淼拿庖呷毕菪再|(zhì)而易受到感染[17]。而PDX模型在建立和傳代過(guò)程中，小鼠基質(zhì)會(huì)逐漸代替人的基質(zhì)成分，仍有可能改變腫瘤的種種特性和異質(zhì)性使其趨于同質(zhì)化，對(duì)供體患者的個(gè)體化治療方案定制方面依然存在限制。為了克服這些問(wèn)題，研究者通過(guò)將體外擴(kuò)增的人類造血干細(xì)胞注射至NSG小鼠體內(nèi)建立HIS模型，再移植入取自患者的原代腫瘤組織，構(gòu)建出重建HIS+PDX小鼠模型[18]。這種模型在提供患者體外腫瘤生長(zhǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)上，引入了人體免疫因子，構(gòu)建的腫瘤微環(huán)境與人體更相似，相比CDX或PDX更適合用于研究腫瘤的病理特性、轉(zhuǎn)移機(jī)制與靶向治療[19]。

3 臨床應(yīng)用

人源化動(dòng)物作為研究人類疾病的活體模型，在探究疾病的病理藥理特性方面，較傳統(tǒng)的動(dòng)物模型或體外細(xì)胞培養(yǎng)具有更廣泛的應(yīng)用和更精確的成果。然而在腫瘤學(xué)藥物開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用并不理想。部分原因在于細(xì)胞系模型無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)臨床療效，也無(wú)法針對(duì)患者群體量身定制化療的方案。PDX維持了人類腫瘤的組織病理學(xué)結(jié)構(gòu)和分子特征，并提供了一個(gè)潛在的解決方案，最大限度地提高了藥物開發(fā)的成功率。同時(shí)在研究腫瘤、病原體等致病因子的耐藥機(jī)制、個(gè)體化治療選擇方面也提供了更多的可能性。據(jù)報(bào)道，研究人員正著力于制作基因與人類相似度更高的模型[20]，研發(fā)增強(qiáng)內(nèi)源性免疫腫瘤相關(guān)的自抗原和新抗原(疫苗)[21]，嘗試使用復(fù)合治療手段清除感染艾滋病的人源化小鼠體內(nèi)的HIV病毒[22]。

縱觀異種移植的歷史，其供體有兔、羊、狒狒、猩猩、豬等，移植物則有肝、腎、心臟等等。然而在各式各樣的異種移植中，患者的生存時(shí)間短則數(shù)小時(shí)，長(zhǎng)達(dá)幾月，均未超過(guò)一年[23],相比同種異體移植的成效可謂相去甚遠(yuǎn)。因此異種移植研究需要做更多探索。相信伴隨著基因工程的興起，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)供體動(dòng)物的全面基因改造，獲得異種移植的合適供體。

從人類疾病動(dòng)物模型到基因工程動(dòng)物，再到人源化動(dòng)物模型，表明了人類醫(yī)學(xué)的進(jìn)步。目前來(lái)看，人源化動(dòng)物模型應(yīng)用價(jià)值最高的自然就是對(duì)疾病治療的研究和作為異種移植的供體。伴隨科學(xué)界實(shí)驗(yàn)技術(shù)的完善和基因研究的深入，假如將來(lái)基因工程技術(shù)所構(gòu)建的人源化動(dòng)物模型發(fā)展到可以生產(chǎn)出與人類完全一致的組織器官，無(wú)論是用于疾病研究還是異種移植，其醫(yī)學(xué)價(jià)值之高不言而喻，這些研究一旦成功，必將成為醫(yī)學(xué)史上的豐碑。但在追求其正面作用的同時(shí)，也不能忽視可能產(chǎn)生的不良后果。如何更好地使用基因工程動(dòng)物，還需要深入研究、多加考量。