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人源化实验动物在国内应用现状与趋势
2015-08-09 16:32:35 来源:第四军医大学实验动物中心 作者: 【 】 浏览:1097次 评论:0
    实验动物作为“活试剂”为人类健康事业做出了很大贡献,医学上许多重大发现都离不开实验动物。但由于人与实验动物的差别,目前仍有许多人类疾病模型在实验动物中不能复制;即使能复制,也由于实验动物疾病与人类疾病存在的差异,这些模型不能完全反应人类疾病的特点,严重制约了生物医学发展。为了克服这一弊端,近几十年来,科学家进行了许多努力,试图通过细胞生物学、分子生物学等新技术、新方法将人组织/器官移植到实验动物,在其体内重建人组织/器官功能以建立人种属特异性病理、生理反应。于是,在实验动物学研究领域诞生了一个新的学科分枝—人源化动物。
 
    所谓的人源化动物是指体内带有功能性的人类基因、细胞或组织的实验动物。上世纪八、九十年代开始研究者将人PBMC、胎儿胸腺等移植到裸鼠、NOD-SCID小鼠等免疫缺陷动物,建立了携带有人组织/器官的嵌合体动物,移植的人组织/器官可以在受体动物中生长,因此也会产生人病理、生理反应。此类动物可以说是人源化动物的雏形。但由于移植物在动物体内存活时间短,只能局部反应人种属特点,因此其应用范围有限。进入二十一世纪后,随着体外同源重组技术和胚胎干细胞技术的不断完善,人源化动物发展也日新月异,目前已有多个不同品种、品系的人源化动物供生物医学研究应用。
 
    人源化动物是在免疫缺陷动物的基础上建立起来的。由于免疫系统缺失,来源于人的移植物才可在免疫缺陷动物体内存活。在人源化动物研究之初,自发性免疫缺陷裸小鼠是研究者常用的工具;随之,免疫缺陷程度更高的SCID、NOD-SCID小鼠成为研究者的新宠,广泛用于人源化动物的研究。但不管是裸小鼠还是SCID小鼠,其免疫缺陷程度有限,无法从根本上解决移植物在受体动物长时间存活的问题。随着体外同源重组技术和胚胎干细胞技术的不断完善,研究者将免疫相关基因进行突变,导致动物免疫功能低下、免疫缺陷程度更高,更有利于移植物在该类动物机体存活。目前常见的人源化动物就是在不同品种、品系动物机体内敲除scid、prkdc、rag2、 IL2rg、β2m及 Prf1等基因后导致动物免疫功能下调,然后将人CD34+造血干细胞、胎肝组织、胸腺组织等移植到此类动物后构建而成。与传统的裸鼠、SCID及NOD-SCID小鼠相比,基因工程免疫缺陷小鼠由于敲除了免疫相关基因,免疫缺陷程度更高,不仅T、B细胞缺失,而且NK细胞功能也缺失,更易于移植物在体内存活。以人源化小鼠为例,一般是将人免疫系统和/或肝脏系统移植到上述免疫缺陷动物后构建而成。目前这方面的明星鼠是以JAX公司的NOG、NSG小鼠及Taconic公司的hGM-CSF/hIL3-NOG小鼠为代表,在人源化动物研究中得到广泛应用。
 
我国人源化动物发展现状
   我国对人源化动物研究和应用较为重视,早在2009年国家科技部就投入资金开展这方面的研究工作,经过多年的发展,已建立了多个具有独立知识产权的人源化动物品种/品系。但与国外相比,我国人源化动物发展水平仍明显落后。
(1)我国开发的人源化动物品种/品系
   我国政府和科学家一直对人源化动物研究工作非常工作重视。自从国外报道人源化小鼠以后,我国科学家就积极开始了这方面的研究工作以开发具有独立知识产权的人源化动物。从整体水平来看,尽管我国人源化动物研究起步晚,但进展较快,目前在这方面已经取得很大成功。北京维通达公司开发的具有独立知识产权的NPG和URGTM小鼠,在国内得到广泛应用。2010年以后随着TALEN及CRISPR/Cas9技术的发展,更是加快了人源化动物研究的步伐。南京大学模式动物研究所采用CRISPR/Cas9技术敲除了NOG/shi小鼠prkdc及IL2rg基因,构建了高度免疫缺陷的NCG小鼠。TALEN和CRISPR/Cas9技术的应用无物种限制,同样可在大鼠、兔及非人灵长类动物中实现靶基因的快速敲除。我国科学家利用该技术又敲除了兔、大鼠及食蟹猴的rag或IL2rg,这些研究为人源化动物多样性奠定了良好的基础。
 (2)人源化动物在国内的应用
   与传统实验动物相比,人源化动物有诸多优势,因此人源化动物应用范围较广,肿瘤学、血液学、微生物学、器官移植及免疫学等研究领域应用人源化动物后已取得了一批重大研究成果。具体到我国,以裸鼠、NOD-SCD小鼠制备人源化动物报道已屡见不鲜,然而以基因工程免疫缺陷小鼠为基础的人源化动物应用受到很大限制,尽管有许多生物医学研究者对这类动物非常青睐,但其应用范围仍然有限。经过medline检索后发现,目前国内也只有极少数单位,如中山大学、第二军医大学及第三军医大学等有使用NSG、Fah-/-Rag2-/-及NOD.β2mnull.HHD人源化小鼠进行研究的报道。分析原因,有以下几个因素限制了人源化动物在我国的应用。一是人源化动物的基础是免疫缺陷动物,而免疫缺陷动物饲养要求较高,空气洁净度必须达到万级以上,甚至有些地区达到百级以上方能满足其饲养要求,这无形中限制了人源化动物的应用。二是目前人源化动物购买成本较高。据了解,人源化小鼠国内售价每只至少在600元以上。相对于传统实验动物来讲,购买成本较高,从而限制了人源化动物的应用。三是由于知识产权的原因,国外公司如JAX、Taconic、CIEA公司等目前还未开拓中国市场,这些公司的人源化动物在国内还无法采购。四是国内开发的具有独立知识产权的人源化动物生物学特性仍存在一定问题,从而影响了人源化动物的应用。
 (3)人源化动物在国内的发展趋势
   随着生物医学研究的发展和我国科技投入力度的不断加大,人源化动物在国内将会有极大的发展前景,使用数量将会急剧增大,应用范围也会越来越广。未来人源化动物在我国的应用将呈现以下发展趋势:一是将会有更多的不同品种/品系的人源化动物可供国内研究者使用。随着TALEN及CRISPR/Cas9技术的不断改进,人源化动物制备将会变得更为简便、快捷,将会有更多人源化动物被开发应用。据了解,除上述国内已开发的人源化动物品种/品系外,目前国内还有很多单位正在积极开展这方面的研究工作,如中国食品药品检定研究院的rag2基因敲除大鼠模型、中国科学院广州生物医药与健康研究院rag基因敲除兔模型及第四军医大学rag2、IL2rg双基因敲除的BALB/c小鼠模型等,相信不久以后,这些模型会丰富我国人源化动物的研究,可为生物医学研究提供良好的实验工具;二是人源化动物与人相似度将会越来越高。目前的人源化动物尚不能完整模拟人病理、生理反应,但随着生物医学的发展,一些新技术和新方法的应用可以克服目前人源化动物的缺陷,这将会促进人源化动物的应用。三是从人源化动物应用来看,未来国内对人源化动物需求将会越来越多,这不仅表现在人源化动物数量的提升,而且表现在人源化动物质量的加强。
 
    人源化动物自应用以来,极大地促进了生物医学的发展。我国人源化动物研究起步晚,但进展较快,已有多个独立知识产权的不同品种/品系人源化动物供生物医学应用。尽管目前人源化动物在我国的应用范围有限,但随着生物医学的发展和我国科技投入力度的不断加大,人源化动物在我国将会有极大的应用前景。
 
专家简介:张海,陕西省实验动物质量监督检测中心及第四军医大学实验动物中心副教授、副主任,陕西省实验动物学会秘书长,全军实验动物专业委员会委员、陕西省医学会微免学会委员。2001年获第四军医大学实验动物学硕士学位,2005年获第四军医大学微生物学博士学位,2010-2012年美国FDA访问学者。主要从事肿瘤自噬及人类疾病动物模型研究工作,近年来,积极探索人源化动物研究工作,利用CRISPR/Cas9技术敲除BALB/c小鼠rag2及IL2rg基因,该项工作目前进展顺利,正在筛选F2代纯合子小鼠。
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