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免疫缺陷动物模型---NOD小鼠

2020年03月13日 浏览量: 评论(0) 来源:实验动物那些事儿公众号 作者: 责任编辑:admin
摘要:裸鼠和SCID小鼠无疑是最知名的两种先天性突变免疫缺陷小鼠。但在人源化小鼠模型广泛使用的当下,常用的免疫缺陷小鼠如NSG、NOG、NRG和B-NDG®等都是以NOD小鼠为背景品系培育而成的。

裸鼠和SCID小鼠无疑是最知名的两种先天性突变免疫缺陷小鼠。但在人源化小鼠模型广泛使用的当下,常用的免疫缺陷小鼠如NSG、NOG、NRG和B-NDG®等都是以NOD小鼠为背景品系培育而成的。为更好地了解这些人源化小鼠模型,就有必要先了解和掌握NOD小鼠的特性。故本篇将给读者朋友们介绍一下NOD小鼠的主要生物学特性和其曲折的培育史。


生物学特性


NOD是Non Obese Diabetes的首字母简写,中文意思为非肥胖糖尿病,NOD小鼠即为非肥胖糖尿病小鼠的简称。常见的糖尿病主要分两种类型,其中I型糖尿病是一种因遗传易感导致患病个体胰腺中产生胰岛素的β细胞受自身免疫攻击破坏而致功能丧失,无法分泌胰岛素而形成的疾病。NOD小鼠就是一款自发I型糖尿病模型,其培育成功不仅为研究自身免疫性糖尿病和胰岛细胞损伤提供了不可替代的模型工具,同时也促进了I型糖尿病早发现、预防和治疗的进展。

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NOD/ShiLtJ小鼠,图片来自Jackson网站

NOD小鼠的糖尿病表型包括:具有糖尿病特征性胰岛炎(胰岛被白细胞浸润所致),胰岛β细胞选择性破坏,雌性小鼠12周龄左右胰腺胰岛素含量显著下降(雄性则会晚几周发生),形成低胰岛素血症和高血糖血症。值得注意的是,NOD小鼠在糖尿病发病率上存在性别差异,雌性小鼠发病早,发病率高,30周龄时的发病率为90-100%;而雄性NOD小鼠到30-40周龄时的发病率也只有40-60%。

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NOD小鼠培育简图

曲折的培育史

NOD小鼠是少有的一个在美国之外培育成功的自发突变实验动物模型。上个世纪70年代,位于日本大阪市的盐野义(Shionogi)制药公司着手开发和培育胰岛素依赖型糖尿病啮齿类动物模型的工作,并成立了项目团队。此前,在公司位于Abrahi实验动物中心工作的大藤博史(Hiroshi Ohtori)博士正利用来自日本实验动物供应商Nihon CLEA株式会社的ICR(Jcl:ICR)小鼠开展自发白内障品系的培育工作。ICR是源自Swiss封闭群小鼠,ICR这个名称源自Swiss品系小鼠的培育机构---美国的癌症研究所(Institute of Cancer Research)的首字母简写。这些小鼠随后被转给商业育种公司,并且衍生出了类似Jcl:ICR(日本CLEA公司)和CD-1(CharlsRiver公司)的商品化小鼠。1966年Jcl:ICR种群中出现白内障表型,大藤博史以此为基础,期望通过近交繁育固定这个表型,并期望建立一个自发白内障近交系小鼠。这个工作到1975年得以完成,获得了一个常染色体显性遗传的自发白内障近交系,并命名为CTS(Cataract Shionogi)。基于白内障与糖尿病的相关性,大藤博史突发奇想:“能否在白内障小鼠培育的同时,通过血糖水平不同筛选得到自发糖尿病的小鼠模型呢?”于是,在CTS小鼠近交繁育的第六代开始,他与之后来到实验动物中心的吉田丰彦(Toyohiko Yoshida)一起以空腹高血糖和正常血糖为指标对培育中的CTS小鼠进行分组繁育。如此繁育10代后,白内障性状在两组小鼠中都消失了,说明血糖变化与该小鼠的自发白内障没有相关性。之后,大藤离开了实验动物中心,吉田则继续这个血糖分组繁育的工作。到第13代时,得到了两个血糖水平差异明显的亚系,其中正常血糖亚系的空腹血糖浓度为100mg/dL,高血糖亚系的空腹血糖浓度为150mg/dL。


到1973年,公司总部的糖尿病动物模型研发项目组因缺乏实质性进展而面临解散的命运。项目组成立之初因有丰富动物饲养工作经验而从Abrahi调到总部的前田真作(Jinsaku Maeda)也只好回到动物中心。在吉田也离开Abrahi后,前田接手了这两个亚系小鼠的饲养管理工作。此时,高血糖亚系的小鼠中已表现出较高的血浆葡萄糖水平和葡萄糖不耐症,雄性小鼠尤其明显,但却并没有出现糖尿迹象。由于曾参与糖尿病项目攻关小组的关系,前田从两个亚系中各取几对小鼠送到大阪的公司总部项目组做糖尿表型检查和评估。总部糖尿病模型项目组的吉野义弘(Yoshihiro Tochino)对这些小鼠进行了血糖和尿糖检查,发现其中一只来自正常血糖亚系的雌性小鼠存在多尿和尿糖阳性症状。这是一个出乎意料的结果,因为与最初期望相反,不是在高血糖亚系,而是在正常血糖亚系中发现了糖尿小鼠。

 

虽然这只小鼠来自正常血糖亚系,但其血糖水平很高,且体重迅速减轻,并很快死于酮症酸中毒。前田送来的其余小鼠中则没有发现多尿和糖尿症,吉野也没有对发病的这只小鼠进行生化和病理检查,但他还是在1975年公司的研究会议上报道了这个发现。这个消息很快传到了Abrahi实验动物中心。前田此前曾发现血糖正常亚系小鼠中出现了多例新生小鼠死亡的事件,并将死亡原因归咎于饮水瓶漏水导致的笼盒内垫料过渡潮湿。得到了这个消息后,前田猜测垫料的过渡潮湿可能是小鼠多尿的结果,因此把更多的小鼠送到大阪总部给吉野检测。检测结果证明了前田的猜测,吉野在更多的血糖正常亚系小鼠中发现了尿糖阳性个体,而在高血糖亚系却没有发现。吉野以前田的英文名(Maeda)和他自己的英文(Tochino)名首字母为这个糖尿小鼠命名为“mt小鼠”。Abrahi实验动物中心的病理学家村岗义弘(Yoshihiro Muraoka)则首次在“mt小鼠”(第20代)的胰腺中发现了胰岛炎。1976年,吉野和村岗等人在日本糖尿病协会近畿地区会议上介绍了“mt小鼠”。但由于是地方会议,这个工作并没有引起多少人注意。


名古屋大学的近藤恭二(Kyuoji Kondo)教授于1970年被任命为Abrahi实验动物中心的顾问。近藤以建立II型糖尿病模型而闻名,1957年他培育了葡萄糖耐受不良和中度肥胖的KK小鼠。此时近藤的博士生牧野进(Susumu Makino)来到了实验动物中心,并在前田退休(1975年)后开始接管了“mt小鼠”。近藤做为牧野的导师,要求牧野完成如下工作:


1)培育一种自发糖尿病小鼠品系;

2)以“mt小鼠”为基础群培育一个血糖正常品系小鼠;

3)开展“mt小鼠”糖尿病相关的遗传分析。


牧野进从第20代开始接手管理“mt小鼠”,并将部分小鼠转到无特定病原体(SPF)条件下饲养,继续以近交的方法来繁育这些小鼠,同时详细记录其糖尿情况。到1980年, mt小鼠在牧野进手上也已经繁育了20代,自发胰岛炎和胰岛素依赖性的糖尿病性状已经完全固定下来,品系的名称也被改为NOD。

 

牧野进于1981年在日本举行的首届非肥胖糖尿病研讨会上介绍了NOD小鼠,使其为日本学界所知的同时也导致了NOD小鼠的需求量与日俱增。为了满足日益增长的需求,盐野义公司令Abrahi实验动物中心扩大生产的同时,还专门成立了NOD研究委员会(委员会)来决定NOD小鼠的分发和派送。随着吉野等人于同年在以色列举行的糖尿病动物模型专题研讨会上向全世界的科学家介绍了NOD小鼠,对其需求也即刻从日本扩展到了国外。1982年Jackson实验室向盐野义公司提出引入NOD小鼠并在美国建立繁殖种群的申请,但被委员会以生产能力不足为由拒绝。之后,委员会又做出NOD小鼠不供应国外的决定。这直接导致了美国糖尿病协会及其旗下杂志做出了不接受来自日本NOD小鼠相关研究论文的决定。在这种压力下,盐野义公司最终与美国糖尿病协会达成协议,到1984年NOD小鼠终于可以走出日本,并在美国和澳大利亚等国建立了新的繁殖种群。

 

NOD小鼠起源自日本商业公司的ICR小鼠,由于ICR小鼠具有良好的繁殖性能,因此NOD小鼠也继承了这一优良品种,平均窝产子数可达9只。然而,由于糖尿病,大多数雌性NOD小鼠最多能生产两次。此外需要注意的是,在不同微生物等级饲养条件下,糖尿病的发病率存在差异,SPF饲养条件下的NOD小鼠的糖尿病发病率要显著高于普通环境饲养的NOD小鼠。后续的研究表明NOD小鼠除了血糖异常外,还存在多种免疫缺陷,如抗原递呈细胞免疫调节功能缺陷,T淋巴细胞库的调节缺陷,NK细胞功能缺陷,巨噬细胞产生的细胞因子缺陷和伤口愈合不良及缺乏溶血补体C5等,这也是其后来成为明星免疫缺陷动物背景品系的主要诱因。


从大藤博史脑洞大开地在CTS小鼠培育同时开展糖尿病小鼠培育算起,NOD小鼠的培育和为世人所知历经了15年。由于NOD培育早期的工作内容主要以日文的形式报道或发表,且因在小范围内的交流,多不为世人所知。牧野进则因以第一作者身份发表了NOD小鼠繁育的英文论文,而使业界误以为他是这个小鼠他培育者。真实的NOD小鼠培育史却是一个多人参与的接力赛,期间任何一个人放弃或不用心都可能会导致失败。可以说这段历史即见证了日本实验动物科学发展历程,也体现了日本科学家的品质,他们细心、耐心、富有责任心和无私心的表现尤其值得我们学习。盐野义制药公司为NOD小鼠的培育提供了宽松的环境,亦是功不可没。

NOD小鼠并非来自预想中的高血糖亚系说明科学实验结果往往会出人意表,并不总是按预期的方向发展,这也是科学的魅力所在。


参考文献:

1. Yi-Guang Chen, Clayton E. Mathews, and John P. Driver. The Role of NOD Mice in Type 1 Diabetes Research: Lessons from the Past and Recommendations for the Future. Front Endocrinol. 2018; 9: 51.

2. Yoko Mullen. Development of the Nonobese Diabetic Mouse and Contribution of Animal Models for Understanding Type 1 Diabetes. Pancreas Volume 46, Number 4, April 2017

3. Makino S, Kunimoto K, Muraoka Y, Mizushima Y, Katagiri K, Tochino Y. Breeding of a Non-Obese, Diabetic Strain of Mice. Jikken Dobutsu. 1980 Jan;29(1):1-13.

4. Kataoka S, Satoh J, Fujiya H, Toyota T, Suzuki R, Itoh K, Kumagai K. Immunologic aspects of the nonobese diabetic (NOD) mouse. Diabetes 1983, 32:247-253

5. Baxter AG, Cooke A. Complement lytic activity has no role in the pathogenesis of autoimmune diabetes in NOD mice. Diabetes 1993,42:1574-1578

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