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吱吱作响的干净的老鼠可能会毁了研究
发布日期:2018-05-14

Mark Pierson在2月份异常温暖的早晨,驾车20分钟即可抵达明尼阿波利斯的一家大型宠物店。明尼苏达大学免疫学实验室的研究员皮尔森经常来这里买老鼠,所以大部分员工都认识他。今天,他要求十个人,一名员工将他们从玻璃盒中捞出。皮尔森要求较小的老鼠,因为他们通常比较年轻,但他不太挑剔。他们可能都有他想要的东西:细菌。

这些老鼠即将进入该国最严密控制的实验室之一,这是一个通常用于研究诸如肺结核和基孔肯雅病毒等危险病原体的设施。这些啮齿类动物可能不会携带严重的人类感染,但它们确实存在对该建筑物中数百个其他研究小鼠构成严重威胁的疾病。

宠物店老鼠即将获得新的室友。每个人都会与一群闪亮的黑色实验室老鼠混杂在一起,分享食物,水,床上用品和最重要的病原体。到现在为止,实验小鼠一直保持在一个干净的环境中,没有大多数疾病,所以有些人会生病并死亡。其余的将开发更强大的免疫系统,更像野生小鼠 - 可以说是人类。

“即使我们试图这样做,人类也不会生活在消毒环境中。”

皮尔森在做什么违反了规则。 50多年来,科学家一直在努力使实验鼠变得更清洁。在今天的大多数实验中,动物的笼子都经过了消毒,他们的水瓶和食物都经过消毒。 “我们真的竭尽全力保持鼠家的自然感染体验,”明尼苏达大学免疫学家大卫马索普斯特说,他是皮尔逊工作的实验室的负责人。这些努力得到了回报:随着病原体控制的混杂效应,小鼠实验变得不那么容易了。

但是现在大量的研究表明,这种清洁已经付出代价,使啮齿动物的免疫系统发育迟缓。为了寻求标准化和无污染的老鼠,科学家们使这些生物成为人类免疫系统的不太忠实的模型,这种模型在一个充满微生物的世界中发展。这可能会对研究人员致力于将化疗和疫苗引出实验室并进入诊所产生严重影响。虽然目前尚无法针对标准鼠标模型无可挑剔的卫生问题制定具体的失败措施,但Masopust认为人造环境必须具有一定的效果。根据一个估计1,进入临床试验的药物90%失败,这并不是秘密,因为将治疗从动物转移到人类的成功率很低。 Masopust说:“你必须想知道,如果仅仅因为你处在一个干净的环境中,你有时会被误导。

这就是为什么他和其他研究人员正在开发更加复杂的模型,以更好地复制免疫系统在自然界发展的方式。有些小组已经给小鼠感染了2,3,其他小鼠则是更自然的微生物群4,5。但容纳脏兮兮的老鼠可能会有风险。哥伦比亚密苏里大学的微生物组研究人员Aaron Ericsson说,宠物店老鼠携带如此多的感染,好像它们来自“狄更斯孤儿院”。实验动物管理者非常重视生物安全,老鼠是一种宝贵的资源。 “你想做的最后一件事是有某种爆发。”

洗去污垢

Masopust在十多年前开始考虑清洁问题。实验小鼠的免疫组成与人体的免疫组成有很大差异,他感到惊讶。当时,许多研究人员指责遗传学上的差异,但Masopust怀疑实验室老鼠的部分原因在于他们住在哪里。 “这是一个鼠标问题,”他想知道,“或者这只是一个实验室鼠标问题?”

肮脏的室友让实验室老鼠更有用 / aside

为了回答这个问题,Masopust开始比较实验小鼠的免疫系统和那些他被困在谷仓里并从宠物店购买的小鼠的免疫系统。实验室老鼠的血液中有更多的抗癌和抗感染记忆T细胞 - 先前曾接触过病原体的免疫细胞。他们也几乎完全缺乏身体其他组织中的T细胞。人类,野生老鼠和宠物店老鼠蜂拥着这些组织驻留记忆T细胞。总体而言,实验小鼠的免疫系统看起来没有经验,更像人类婴儿的免疫系统,而不像成年人。

Masopust怀疑过去的感染是重要的一部分。如果是这样的话,他认为他可能通过将它们暴露于感染因子中而诱发实验小鼠免疫系统的变化。如果实验室鼠标问题很清洁,他可以让它们变脏吗?

他设计了一个看似简单的实验:他将一只宠物商店的老鼠放入一个带有几只实验鼠的笼子里。实验室老鼠会拿起任何宠物店老鼠携带的东西 - 从皮毛螨和pin虫到小鼠肝炎的所有东西 - 也许免疫学上更像宠物店的老鼠。明尼苏达大学与Masopust合作的免疫学家Stephen Jameson说,这种共住方式可以让研究人员“把我们珍爱的明确的近交系紧紧地推向人类可能具有的正常免疫体验”。

但是有一个主要障碍:研究人员没有地方可以放置那些生病的啮齿类动物。 Masopust说:“我想做的最后一件事是污染同事们的小鼠群落。他说,当他首次与动物资源工作人员讨论实验时,“它肯定会引发心悸”。但幸运的是,大学即将在Masopust自己的建筑中建造一座高度遏制的实验室。该设施专为生物安全三级(BSL-3)研究而设计,这意味着它将安全地包含可感染人类的​​病原体。但它也可以防止小鼠病原体传播给其他小鼠。 2013年,Masopust和他的同事设法在那里确保了一个房间。 “我很幸运,”他说。 “它没有得到充分利用。他们需要收入。这有助于他们保持开放态度。“今天,这个房间里放置了500只塑料笼子里的老鼠,每只老鼠都装有一把光滑的实验鼠和一只精致的宠物店老鼠。

经过一个月的宠物店小老鼠的淘金,新脏实验小鼠有许多与野生和宠物店老鼠相同的免疫学特征2。他们比正常实验小鼠具有更多的分化记忆T细胞,并且他们开发了组织驻留记忆T细胞。标准的实验室小鼠在免疫学上看起来与新生婴儿的基因活性差不多,但宠物商店和共同饲养的小鼠的基因活性特征与成年人更接近。当研究人员用细菌感染单核细胞增生利斯特氏菌时,脏小鼠的安全性比清洁小鼠高得多:感染三天后,它们携带的细菌数量下降超过四个数量级,这种反应与已经接种过细菌的实验室小鼠的反应相当。

鼠标的房子可能会破坏实验 / aside

在Masopust开始在BSL-3实验室工作后不久,密苏里州圣路易斯华盛顿大学的免疫学家Herbert Virgin和他的同事们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老鼠传播感染,而是决定自己传播感染,这种方法比共同住房提供了更多的控制。 “作为一个也曾接受过病毒学家培训的人,我喜欢知道病原体是什么,”蒂芙尼里斯说,她当时是维珍的实验室成员,现在是德克萨斯大学西南医学中心的病毒免疫学家。在达拉斯。

他们选择了四种病原体:两种类型的疱疹病毒,一种流感病毒和称为蠕虫的肠蠕虫,这种蠕虫长期感染小鼠的小肠。病原体与发展中国家经常感染儿童的病原体相似。研究人员一次给予小鼠一次感染,并允许动物在施用下一次感染之前有时间恢复 - 与人感染相同,恢复,然后再次感染。另一组小鼠接受用盐水模拟接种。最后的免疫挑战是针对黄热病的疫苗接种,该疫苗使用活的但弱化的病毒形式。

像Masopust的小组一样,研究人员注意到顺序感染的小鼠发生了显着变化3。它们的基因表达谱和对疫苗接种的反应不同:首先,两组都具有相同的抗体应答,但一个月后,共感染的小鼠具有较低的抗体水平。目前尚不清楚这种差异是否影响疫苗的效果。 “我认为陪审团不在乎它是否有任何特定用途,”维珍尼说。尽管如此,他希望这些更脏的模型能够更好地理解免疫系统。

野性的召唤

其他研究人员已经绕过宠物店寻求肮脏的老鼠。位于马里兰州贝塞斯达的美国国家糖尿病与消化和肾脏疾病研究所(NIDDK)的免疫学家Stephan Rosshart已驾车行驶了数百公里,在整个州和哥伦比亚特区探访马厩以收集野生老鼠。

Rosshart于2013年加入了NIDDK免疫学家Barbara Rehermann的实验室,他们开始仔细研究微生物组的文献,这些文献收集生活在更大生物体上的微生物。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的比较:其中一些与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,如果他给实验室老鼠一个野生的微生物群,会发生什么?这将保留老鼠的遗传背景,但推动其生理更接近它的野生表亲。

Rosshart对他的野生微生物组织供体有特殊的要求:他想要一个成年人,与实验室小鼠基因相似,没有病原体,因此它没有在美国国立卫生研究院(NIH)感染其他小鼠的风险。 “我试图说服Stephan,这是一个非常糟糕的研究想法,因为这非常困难,”Rehermann说。但罗莎哈不能被劝阻。所以每天早上,他开车到3至10个谷仓,清空100多只鼠标陷阱,并且用老鼠赶回NIH。他然后解剖他们并且保存他们的组织和粪便。到了晚上,他回到了路上,收集了更多的老鼠,并用花生酱舀了新的陷阱。他的日子从凌晨4点半开始,到午夜时分结束。他每周七天接受这个例行两个月。 “当你这样做的时候,就像一周那样很有趣,但过了一段时间就会变得非常具有挑战性,”他说。

到最后,Rosshart已经处理了800多只老鼠。他和他的同事们选择了三个正确的遗传学,没有病原体迹象。他们将动物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,他们将这种微生物传给了他们的幼崽。该团队将该组与无菌小鼠进行了比较,该小鼠的微生物群体来源于已消毒的实验室环境。

然后他们用老鼠适应的流感病毒感染小鼠; 92%的野生微生物组小鼠存活,而标准实验室微生物组小鼠只有17%的小鼠存活4。当研究人员将它们暴露于导致结肠癌的化学物质时,野生微生物组小鼠也发生较不严重的疾病。 “这个挑衅性的假设是,如果你让自然界的老鼠更像一只真正的老鼠,这对于生活在自然界中的人来说也是一个更好的模型,”雷赫曼说。

然而,更多的野性并不总是会导致更大的抗感染力。上个月,新泽西州普林斯顿大学进化生态学家Andrea Graham和她的同事们表示,让实验小鼠自己复活会使他们更容易受到蠕虫感染5。格雷厄姆给她的实验室老鼠免费运行八个室外机箱。当她发布第一批时,他们立即开始探索围栏,挖洞和取样新食物。 “他们很生气。他们拉了几个全食,“她说。他们遇到的微生物显着影响了小鼠控制某些类型寄生虫的能力。格雷厄姆实验室的小鼠倾向于很快清除寄生虫感染。但在户外,“在几周内他们有巨大的蠕虫负担”,她说。研究人员仍然试图解开可能的原因,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说,或许该系统优先处理致命的微生物 - 病毒和细菌 - 而不是致命的感染,如蠕虫。 “免疫反应不可能完美对抗一切,”他补充道。

肮脏的模型产生了很大的兴奋。 “在许多方面,它们都是具有里程碑意义的研究,”Taconic Biosciences的微生物组产品和服务负责人Alexander Maue说,他是纽约伦斯勒实验动物的饲养者和供应商。他说,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”。

为群众的模型

但研究人员还不知道哪些模型最适合哪些研究问题。例如,在Masopust的版本中,每组实验小鼠获得不同的鸡尾酒病原体。 Masopust说,这既是一种诅咒,也是一种幸福,因为人类也是变化的。在维珍的设计中,小鼠得到了一套确定的病原体,但对免疫系统的影响并不那么强劲。

英国爱丁堡大学的免疫学家埃莉诺莱利说,这些模型都不能完全复制大自然中发生的事情6。野生老鼠在许多方面与实验室老鼠不同:饮食可以扮演部分或性别,日光或温度。 “我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,”她说。 “采取稍微简化的方法是一种危险。”

Virgin说,即使在实验室重新创建这种简单版本的野生动物也是头痛的问题。 “我不认为人们有任何问题认为这很重要,但实际上做实验需要很多基础设施。”野生微生物模型解决了许多与病原体一起工作的问题,但正如Rosshart所知道的,捕获野生老鼠有自己的挑战。

肮脏的小鼠模型是否比标准的实验小鼠更能代表人类的状况 - 并为药物提供更好的测试场所 - 还有待观察。理想的实验将涉及在临床试验中采取失败的疗法,并在新模型中对其进行重新测试,以查看结果是否与人类发生的情况相符。

这正是Masopust的小组正在与两家制药公司合作的过程。其中一种疗法在人体研究中失败,该公司想知道这些肮脏的老鼠是否可以预测这种失败。另一个要求Masopust使用他的老鼠来测试在干净的老鼠身上运作良好的候选疗法。初步的数据表明它对肮脏的小鼠没有太大的影响。

肮脏的老鼠的殖民地正在其他地方涌现。华盛顿州西雅图贝纳罗亚研究所的免疫学家丹尼尔坎贝尔去年12月从美国国立卫生研究院获得一笔资助,以建立自己的收藏。他和他的同事们想要测试他们为自身免疫开发的治疗方法,其中免疫系统开始攻击健康组织。对于这种情况的治疗似乎在无病原体的小鼠中运作良好。但他说,“很多人没有很好地将其转化为人类”。坎贝尔认为肮脏的小鼠比标准的实验小鼠具有更发达的免疫系统,可能是一种更现实的模型,可以用来测试这些疗法。例如,他们可能会让研究人员更好地检测到不需要的副作用。 “关心的是安全,”他说。

坎贝尔说,让共同住房模式启动并运行一直具有挑战性,但他认为结果将是值得的麻烦。他的许多同事都有一些问题,他们希望在菌落准备好后对脏老鼠进行测试。 “我认为有很多兴趣,”他说。 “我想他们都会想进去。”

Nature 556,16-18(2018)