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在免疫學、傳染病、癌癥生物學、造血干細胞和再生醫學等領域的研究中，免疫缺陷小鼠已經成為十分重要的模型工具。但目前免疫缺陷小鼠的品系繁多，且每種品系自身特性也有所不同。我們如何選擇合適的免疫缺陷小鼠模型呢？
本期小編將對免疫缺陷小鼠進行全面盤點。
免疫缺陷小鼠發展歷史
圖1. 免疫缺陷鼠發展史[1]
自上世紀60年代，裸鼠作為第一類免疫缺陷品系出現以來，免疫缺陷小鼠發展至今已有80多年的歷史。在這漫長的歷程中，不斷出現各種新的品系，我們對免疫缺陷小鼠的研究也愈發深入，下面小編將為你介紹一下常見品系的發展歷程。
裸鼠
1962年，在英國格拉斯哥Ruchill醫院的病毒實驗室中，病毒流行病學家Norman Grist“偶遇了”一只全身無毛的小鼠，這只小鼠就是第一只被發現的裸鼠。
圖2. a：雌性裸鼠純合子（nu/nu），b：雌性裸鼠雜合子（nu/+)[2]
裸鼠的主要特征表現為無毛（Hairless）和無胸腺（Athymus）。這些表型歸咎于Foxn1蛋白的隱形突變。無毛的成因并不是毛囊缺失，而是由于Foxn1功能缺失導致毛發無法穿透表皮，盤繞在基底層內。而小鼠無胸腺同樣是由于Foxn1功能缺失，導致胸腺上皮細胞和T細胞祖細胞無法正常增殖和分化，影響胸腺的發育和成熟。
圖3. 裸鼠毛發生長示意圖
圖4. 胸腺上皮細胞調控T細胞祖細胞分化
目前，裸鼠主要用作構建腫瘤的異源移植模型。根據移植來源不同分為CDX和PDX模型。但由于裸鼠只存在T細胞免疫缺陷，腫瘤移植種類只限于實體瘤，并且成瘤率、腫瘤生長和轉移都會受到限制。
由于裸鼠的乳腺發育不完全，裸鼠的繁育方式主要是通過雌性雜合子和雄性純合子進行交配。
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SCID小鼠
1983年，Bosma（美國Fox Chase癌癥研究所）在CB17近交系小鼠中發現位于16號染色體上的Prkdc基因存在隱性突變，并首次描述了缺乏功能性T和B淋巴細胞的嚴重聯合免疫缺陷（Severe Combined Immunodeficient Mice，SCID）小鼠。
SCID小鼠外觀與普遍小鼠無差異，體重發育正常，免疫細胞發育分化環境正常，但胸腺、脾臟、淋巴結等組織器官中無功能性T細胞及B細胞。Prkdc基因編碼了DNA依賴性蛋白激酶的催化亞基（DNA-PKcs）。該蛋白是DNA修復中NHEJ通路的關鍵蛋白，并且參與了T、B 細胞的 T 細胞抗原受體（TCR）、B 細胞抗原受體（BCR）基因的V(D)J重排。SCID小鼠Prkdc的缺失導致TCR、BCR基因的V(D)J重排無法進行，進而影響T、B細胞的成熟。
![圖6. 典型DNA雙鏈斷裂的修復途徑[3].jpg](https://videos.modelorg.com/default/20231114/024e634e44e72e761ecd62fc14a37ec5.jpg!original "圖6. 典型DNA雙鏈斷裂的修復途徑[3].jpg")
圖6. 典型DNA雙鏈斷裂的修復途徑[3]
與裸鼠相比，SCID小鼠的人類腫瘤植入效率更高。SCID小鼠的免疫細胞發育分化環境正常，理論上可以用作人造血干細胞（HSCs）和外周血單核細胞（PBMC）移植的受體，但移植效率并不理想。這是因為SCID小鼠殘存有NK細胞、補體及髓系細胞的正常免疫，阻止了人類細胞的歸巢和維持。此外，由于Prkdc的缺失，SCID小鼠對輻照較為敏感，無法在移植前進行輻照處理。隨著年齡的增長，SCID小鼠會發生免疫細胞泄露，產生一定程度的功能性T、B細胞。
RAG-/-小鼠（重組激活基因缺失小鼠）
1992年，缺失重組激活基因（Rag-/-）的免疫缺陷小鼠模型問世。重組激活基因包括 Rag1 和 Rag2 ，兩者編碼的RAG1和RAG2組成的RAG復合體在TCR和免疫球蛋白 V(D)J重排中起到關鍵作用。RAG復合體識別RSS序列并將DNA雙鏈剪切，之后 DNA 雙鏈通過 DNA-PKcs、Ku70/Ku80、Artemis等酶啟動NHEJ，修復DNA雙鏈完成 VDJ 重排。因此，Rag1和 Rag2 任一基因的缺失都會導致T細胞和B細胞的缺乏。
![圖7. VDJ重排示意圖[4].png](https://videos.modelorg.com/default/20231114/8fd018810ab6b39481114c2bec5c0129.png!original "圖7. VDJ重排示意圖[4].png")
圖7. VDJ重排示意圖[4]
Rag1-/-和Rag2-/-小鼠的特征基本相似。與SCID小鼠相比，Rag基因缺失能更早且更完全地阻斷T和B細胞分化。并且Rag基因缺失不影響DNA雙鏈修復進程，因此Rag-/-小鼠對輻照不敏感。不過，Rag-/-小鼠保留了較高水平的NK細胞，在一定程度上也限制了人HSC細胞的移植。
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NOD-SCID小鼠
無論是SCID小鼠還是Rag KO小鼠，因為其固有免疫活性限制了人類組織細胞的定植率。因此，科學家們嘗試通過更換小鼠背景改變這一情況。NOD SCID小鼠應運而生。
1980年， Makino（日本Shionogi公司）發現非肥胖糖尿病（NOD）小鼠患有由T淋巴細胞浸潤和胰島β細胞破壞引起的糖尿病，同時還伴有多種免疫異常，包括補體缺失和NK、巨噬細胞和樹突狀細胞功能受損等。
圖8. NOD小鼠免疫異常細胞
1995年，Shultz通過雜交NOD和SCID小鼠建立了NOD SCID小鼠。NOD SCID小鼠不會發生糖尿病，缺乏T細胞和B細胞，患有低丙種球蛋白血癥，補體活性降低，抗原呈遞細胞（APC）、巨噬細胞和NK細胞的功能受到損害。因此成為人類造血干細胞和人類實體瘤移植的更好的受體。此外，Shultz等研究發現，SCID小鼠免疫滲漏高達90%，而NOD SCID小鼠則低于10%。NOD SCID小鼠一度成為造血細胞研究中應用最廣、最為重要的移植模型。
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IL2rg-/-小鼠
X連鎖重癥聯合免疫缺陷癥（X-SCID）是一種 X 染色體隱性遺傳的免疫缺陷病，表現為外周血T細胞和NK細胞的缺乏，B細胞通常存在但幾乎沒有免疫球蛋白。X-SCID是由IL2RG 基因突變引起的，該基因編碼干擾白細胞介素2（interleukin2, IL-2）受體gamma鏈（IL-2Rγc）。
圖9. X-SCID疾病患者
IL-2Rγc是形成高親和力受體的重要組成部分，能編碼重要的信號通路組成因子（如細胞因子IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15和IL-21），這對于淋巴細胞和NK細胞的發育至關重要。
![圖10. IL-2Rγc相關細胞因子[5].png](https://videos.modelorg.com/default/20231114/a2a9b552acab5504f7b5e953bb59437e.png!original "圖10. IL-2Rγc相關細胞因子[5].png")
圖10. IL-2Rγc相關細胞因子[5]
1995年，通過靶向敲除IL2rg基因，獲得了IL2rg-/-小鼠。它們的T細胞和B細胞發育和功能嚴重受損，且NK細胞發育被完全阻斷。IL2rg-/-小鼠的產生使更多固有免疫缺陷小鼠模型成為可能，可以大大降低人體細胞和組織的排斥率。
IL-2Rγ與Jak3激酶相互作用進行信號轉導，因此，Jak3缺失的Jak3-/-小鼠與IL2rg-/-小鼠類似，也缺乏NK細胞且T、B淋巴細胞減少。
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M-NSG小鼠
IL2rg缺陷小鼠，為免疫缺陷小鼠品系的構建提供了新的思路。各地科學家們紛紛嘗試將IL2rg缺陷引入NOD SCID小鼠，構建免疫缺陷程度更高的小鼠。南模生物在NOD SCID小鼠中敲除Il2rg基因，成功構建出了M-NSG小鼠。
M-NSG缺乏成熟的 T、B 和 NK 細胞，對人源細胞和組織免疫排斥反應低，腫瘤細胞成瘤性好，是人源化小鼠、異種移植、免疫重建的重要載體；對于研究人類造血干細胞、腫瘤發生與治療、免疫缺陷疾病與體內免疫機制研究都具有重要意義。
與M-NSG小鼠相似的小鼠品系有NOG和NSG等，分別是在02年和05年由日本實驗室和美國實驗室構建。NOG小鼠的IL2rg缺乏胞內結構域，而NSG小鼠則完全缺失IL-2rg，二者的免疫缺陷程度與M-NSG相同，都表現出了無成熟T細胞、B細胞和功能性NK細胞，細胞因子信號傳遞能力缺失等。
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NRG/BRG等其他相似品系
在NSG小鼠的基礎上，更多類似的重度免疫缺陷小鼠品系被開發。其中應用最為廣泛品系的有NRG小鼠（NOD-Rag1-/- IL2rg-/-）和BRG小鼠（BALB/cA-Rag2-/- IL2rg-/-）。
NRG小鼠與NSG小鼠非常類似，是由Rag1基因缺失代替scid突變，可以克服scid突變引起的一些不足，如：對輻照敏感。BRG小鼠是在BALB/c背景的小鼠中引入Rag1-/-或Rag2-/-突變和IL-2Rγ缺失，表現為T、B細胞缺失和NK細胞無活性。
NRG小鼠的人HSC細胞定植率比BRG高，主要的原因是NOD小鼠骨髓中的巨噬細胞中的信號調控蛋白alpha(SIRPα)產生突變。SIRPα是一種跨膜蛋白，在巨噬細胞上表達，并與其配體 CD47結合。SIRPα與CD47結合后，會向巨噬細胞發出抑制信號，阻止其進行自噬活動：即所謂的 "別吃我 "信號。這種結合具有物種特異性。在大多數小鼠品系中，小鼠的SIRPα無法識別人類的CD47，從而導致小鼠巨噬細胞的活化和對移植人類組織的排斥。而突變的NOD小鼠的SIRPα可以結合人源CD47，抑制巨噬細胞對人源細胞的吞噬作用。目前也有部分科學家將BRG小鼠的SIRPα進行改造來提高BRG小鼠的人HSC細胞定植率。
![圖11. 不同背景小鼠SIRPα與hCD47親和力對比[6].png](https://videos.modelorg.com/default/20231114/6829c819b231593ecac3af5d16d3ad84.png!original "圖11. 不同背景小鼠SIRPα與hCD47親和力對比[6].png")
圖11. 不同背景小鼠SIRPα與hCD47親和力對比[6]
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如何選擇免疫缺陷小鼠？
多種多樣的免疫缺陷小鼠讓我們在不同的研究領域或研究策略中可以靈活選擇，這時需要從以下幾個方面來綜合考量：
遺傳背景
小鼠的遺傳背景，比如不同背景的小鼠H2單體型不同：裸鼠就有3種不同的背景：BALB/c Nude、Nu/Nu、CD-1 Nude。其中BALB/c Nude為近交系，個體差異小，最常用于異種移植瘤模型的建立，成瘤所需腫瘤細胞接種量以及成瘤速度較后兩者也都具有一定的優勢；Nu/Nu和CD-1 Nude為封閉群，個體差異較大，但生命力更旺盛。
免疫系統組成成分
T 淋巴細胞功能缺陷，例如：裸鼠
B 淋巴細胞功能缺陷，例如：CBA/N小鼠。
NK細胞功能缺陷，例如：Beige小鼠。
聯合免疫缺陷，例如：NOD-Scid小鼠、NSG小鼠等。
突變基因在研究過程中，考慮某個或某幾個基因的突變對免疫反應的影響（如NK細胞，巨噬細胞和補體活性等），以及與遺傳背景可能的相互作用。例如，β2微球蛋白（B2m）和穿孔素（Prf1）突變會降低NK細胞活性；白介素2受體γ鏈（Il2rg）突變則使NK細胞完全失活；scid突變在NOD小鼠中抵抗糖尿病的發生。
免疫細胞的泄漏
有的免疫缺陷小鼠品系會隨著年齡的增長，會產生一定程度的功能T、B細胞，例如SCID小鼠免疫滲漏高達90%。
壽命
有的免疫缺陷小鼠會自發淋巴瘤，導致小鼠壽命大幅縮短，因此不利于長期的跟蹤實驗。比如：Nod-Scid小鼠的壽命大約只有8-9個月。
輻照敏感度
對輻照特別敏感的免疫缺陷小鼠品系不適合在移植前進行輻照處理，比如：scid突變小鼠的輻照耐受量不超過400cGy (4 Gy)。
繁殖能力
例如：雌性裸鼠的繁殖能力很差，只有2.5月齡到4月齡的雌鼠才有生育能力。所以裸鼠的繁育是通過雄性純合子與雌性雜合子來完成的。
介紹了這么多，相信大家已經初步掌握免疫缺陷小鼠的相關知識。免疫缺陷小鼠一直備受關注，其在腫瘤模型構建及人源化免疫系統重建等方面有著廣泛應用，是疾病相關機理研究、臨床前藥物篩選、藥效學和安全性評價的重要載體。
Reference:
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