對于大部分實(shí)驗(yàn)室來說，實(shí)驗(yàn)動物（尤其是嚙齒類）都飼養(yǎng)于清潔無菌的環(huán)境中。但是一些免疫學(xué)家認(rèn)為,，在尋求標(biāo)準(zhǔn)化,、無污染的小鼠的過程中，科學(xué)家們使這些實(shí)驗(yàn)小鼠變得不再是人類免疫系統(tǒng)的可靠模型——適量帶點(diǎn)細(xì)菌能讓小鼠模型更好地用于人類疾病研究。

撰文  Cassandra Willyard

在 2 月一個異常溫暖的早晨， Mark Pierson 驅(qū)車 20 分鐘來到明尼阿波利斯的一家大型寵物店。作為明尼蘇達(dá)大學(xué)的一位免疫學(xué)家,，Pierson 經(jīng)常來這里買小鼠，所以大部分員工都認(rèn)識他,。這次他要買十只小鼠,，店員把它們從玻璃盒子里捉了出來。Pierson 需要體型較小的小鼠,，因?yàn)樗鼈兺ǔ１容^年幼——他的要求算不上嚴(yán)苛,。這些小鼠可能都攜帶了他想要的東西：細(xì)菌。

來源：Gosia Herba

這些小鼠即將進(jìn)入美國監(jiān)控最嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)室之一,，該實(shí)驗(yàn)室通常用于研究肺結(jié)核和基孔肯雅病毒等危險病原體,。這些從寵物店購買的小鼠雖然可能不會造成嚴(yán)重的人類感染，但它們攜帶的病原體會對實(shí)驗(yàn)室中數(shù)百個其它研究小鼠造成嚴(yán)重威脅,。

它們很快就會有新室友,，每一個都會與一群黑色的實(shí)驗(yàn)室小鼠混養(yǎng)在一起，共享食物,、水,、小窩，以及最為重要的——病原體,。此前,，這些實(shí)驗(yàn)小鼠一直被飼養(yǎng)在一個極其潔凈的環(huán)境中，沒有接觸過大多數(shù)的疾病病原,，所以其中一些在和寵物店小鼠混養(yǎng)后會生病,、死亡。活下來的實(shí)驗(yàn)室小鼠將形成更類似于野生小鼠的強(qiáng)大免疫系統(tǒng),，同時可能也更接近人類的真實(shí)情況,。

Pierson的做法實(shí)際上并不符合實(shí)驗(yàn)室的規(guī)矩。50多年來,，科學(xué)家一直在努力使實(shí)驗(yàn)室小鼠變得更潔凈,。在現(xiàn)在的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室里，動物的籠子,、水和食物都要經(jīng)過消毒處理,。明尼蘇達(dá)大學(xué)的免疫學(xué)家,、Pierson 所在實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人 David Masopust 指出，他們竭盡全力避免小鼠接觸到自然環(huán)境中的感染,。這些努力卓有成效：隨著病原體等復(fù)雜因素得到控制,，小鼠實(shí)驗(yàn)的結(jié)果變得越來越穩(wěn)定。

但是現(xiàn)在有大量的研究表明,，這種潔凈度是有代價的——嚙齒動物無法建立健全的免疫系統(tǒng)。在尋求標(biāo)準(zhǔn)化,、無污染的小鼠的過程中,，科學(xué)家們使這些實(shí)驗(yàn)小鼠變得不再是人類免疫系統(tǒng)的可靠模型，因?yàn)槿祟惿钤诔錆M微生物的世界里,，這對于一些在小鼠模型上大獲成功的新療法和疫苗在臨床上的應(yīng)用有重大影響,。雖然目前沒有明確證據(jù)將臨床試驗(yàn)的失敗歸因于實(shí)驗(yàn)小鼠過度干凈，但 Masopust 認(rèn)為潔凈的人造環(huán)境一定有影響,。一些基于動物實(shí)驗(yàn)的療法在人體身上的轉(zhuǎn)化成功率不盡如人意,，并非什么秘密；根據(jù)一項(xiàng)研究的估計,，90%進(jìn)入臨床試驗(yàn)的藥物會失敗,。Masopust 說：“你不得不懷疑，過度潔凈的實(shí)驗(yàn)環(huán)境可能對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了影響,，令人被誤導(dǎo),。”

這就是為什么 Masopust 等人正在開發(fā)帶菌模型，以便更好地模擬免疫系統(tǒng)在自然界中的建立過程,。有些團(tuán)隊(duì)會讓小鼠感染一些疾病,，而另一些則將天然微生物菌群引入小鼠體內(nèi)。但飼養(yǎng)這些帶菌小鼠可能會有風(fēng)險,。密蘇里大學(xué)的微生物組研究人員 Aaron Ericsson 指出,，寵物店里的小鼠攜帶大量病菌，就跟來自狄更斯所描述的孤兒院似的,。實(shí)驗(yàn)室動物管理者非常重視生物安全,，而小鼠是一種寶貴的資源。研究人員最怕的就是這些小鼠造成大規(guī)模感染,。

散布細(xì)菌

Masopust在十多年前就開始考慮小鼠潔凈度帶來的問題,。實(shí)驗(yàn)小鼠的免疫組成與人體的免疫組成之間存在的巨大差異令他感到震驚。當(dāng)時,，許多研究人員認(rèn)為這是因?yàn)檫z傳學(xué)上的差異造成的,，但 Masopust 懷疑，部分原因可能在于實(shí)驗(yàn)小鼠的生活環(huán)境,。他想知道這些問題是存在于所有小鼠中,，還是僅存在于實(shí)驗(yàn)小鼠中,。

為了解答這個問題，Masopust開始比較實(shí)驗(yàn)室小鼠,、寵物店小鼠以及谷倉里野生小鼠的免疫組成,。在實(shí)驗(yàn)室小鼠的血液中，抗癌和抗感染的記憶T細(xì)胞,，即接觸過病原體的免疫細(xì)胞非常少,。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)室小鼠的身體其它組織中幾乎完全沒有T細(xì)胞,，而這些記憶T細(xì)胞則廣泛存在于人類,、野生小鼠和寵物店小鼠的各個組織中。總體而言,，實(shí)驗(yàn)室小鼠的免疫系統(tǒng)似乎非?！霸肌保咏祟悑雰憾浅扇说拿庖呦到y(tǒng),。

Masopust懷疑感染史具有重要作用,。因此，他認(rèn)為可以通過將實(shí)驗(yàn)室小鼠暴露于感染因子下來誘導(dǎo)其免疫系統(tǒng)發(fā)生變化,。如果實(shí)驗(yàn)室小鼠的問題在于過于潔凈,，那么或許可以試著讓它們變“臟”。

他設(shè)計了一個看似簡單的實(shí)驗(yàn)：將一只寵物店小鼠放入一個裝有幾只實(shí)驗(yàn)小鼠的籠子里,。實(shí)驗(yàn)小鼠會感染上寵物店小鼠攜帶的各種病原體——皮毛螨,、蟯蟲和小鼠肝炎，或許之后在免疫方面會更接近寵物店的小鼠,。與 Masopust 合作的明尼蘇達(dá)大學(xué)免疫學(xué)家 Stephen Jameson 指出,，這種混養(yǎng)方式“會讓傳統(tǒng)備受呵護(hù)的實(shí)驗(yàn)室小鼠更貼近人類可能具有的正常免疫過程”。

然而研究人員遇到的一大難題是不知道該在哪里養(yǎng)這些帶菌的小鼠,。Masopust說：“我最不想做的就是污染同事的小鼠,。”當(dāng)他第一次與動物飼養(yǎng)人員討論這一實(shí)驗(yàn)時,，大家都很緊張,。但幸運(yùn)的是，明尼蘇達(dá)大學(xué)當(dāng)時正準(zhǔn)備在Masopust的實(shí)驗(yàn)樓里建造一個高度隔離的實(shí)驗(yàn)室——專為生物安全三級（BSL-3）研究而設(shè)計,，這意味著它能夠安全地隔離人類致病菌,。同時，它也可以防止帶病小鼠將病原體傳播給其它小鼠,。2013年,，Masopust等人設(shè)法申請到了一個房間。Masopust說：“我運(yùn)氣好,，BSL-3動物房利用率不高,。為了增加收入,，實(shí)驗(yàn)室允許其他人使用?！爆F(xiàn)在,，這個房間里共有500只小鼠，全部養(yǎng)在塑料籠子里,，每只籠子里混養(yǎng)著幾只潔凈的實(shí)驗(yàn)室小鼠和一只臟兮兮的寵物店小鼠,。

在與寵物店小鼠混養(yǎng)一個月后，“變臟”的實(shí)驗(yàn)小鼠開始表現(xiàn)出很多與野生小鼠和寵物店小鼠一樣的免疫特征,。它們比正常實(shí)驗(yàn)小鼠具有更多的分化記憶T細(xì)胞,，并且還發(fā)育出了組織駐留記憶T細(xì)胞。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)小鼠的免疫相關(guān)基因活性與新生嬰兒差不多,，而寵物店小鼠和與其混養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)小鼠的基因活性特征則與成年人更接近。研究人員使用單核細(xì)胞增生李斯特氏菌感染這些帶菌的實(shí)驗(yàn)小鼠,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)帶菌小鼠比干凈的小鼠表現(xiàn)出更強(qiáng)的抵抗性：前者感染三天后攜帶的細(xì)菌數(shù)量下降超過四個數(shù)量級,，這一結(jié)果與接種過相應(yīng)疫苗的實(shí)驗(yàn)小鼠相近。

Masopust 在 BSL-3 實(shí)驗(yàn)室工作后不久,，圣路易斯華盛頓大學(xué)的免疫學(xué)家 Herbert Virgin 等人獨(dú)立開展了一個類似的項(xiàng)目,，以了解實(shí)驗(yàn)室小鼠的免疫系統(tǒng)。但他們并沒有使用寵物店小鼠來誘發(fā)感染,，而是決定自己誘發(fā)感染,，這種方法比混養(yǎng)更容易控制變量。Tiffany Reese 是 Virgin 實(shí)驗(yàn)室的一名成員,，也是德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的一名免疫學(xué)家,，她說：“作為一名訓(xùn)練有素的病毒學(xué)家，我想知道小鼠感染了什么病原體,?！?/p>

他們選擇了四種病原體：兩種皰疹病毒，一種流感病毒和一種能長期感染小鼠小腸的腸寄生蟲,。這幾種病原體與發(fā)展中國家兒童經(jīng)常感染的病原體相似,。研究人員每次用一種病原體感染小鼠，并且讓小鼠在下次感染前充分恢復(fù),，以便模擬人類感染過程——感染,、恢復(fù)、再感染,。另一組小鼠用鹽水進(jìn)行模擬接種,。最后的免疫激發(fā)利用了黃熱病疫苗，該疫苗是一種減毒活疫苗,。

與Masopust團(tuán)隊(duì)一樣,，Virgin團(tuán)隊(duì)注意到連續(xù)接受感染的小鼠發(fā)生了顯著的變化，但是兩支團(tuán)隊(duì)的小鼠在基因表達(dá)以及對疫苗的反應(yīng)方面存在不同：起初,，它們的抗體應(yīng)答是一樣的,，但一個月后，通過混養(yǎng)感染的實(shí)驗(yàn)小鼠的抗體水平較低,。目前還不清楚這種差異是否影響疫苗的效果,。Virgin說：“我認(rèn)為目前尚不能確定這一結(jié)果是否有某種現(xiàn)實(shí)意義?！北M管如此,，他希望帶菌小鼠模型能夠幫助人們更好地理解免疫系統(tǒng)。

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野性的呼喚

其他研究人員則從寵物店以外的方式尋找“臟”小鼠,。美國馬里蘭州糖尿病,、消化和腎臟疾病研究所（NIDDK）的免疫學(xué)家 Stephan Rosshart 驅(qū)車幾百公里去州內(nèi)和哥倫比亞特區(qū)的各個馬廄捕捉野生小鼠。

Rosshart 于 2013 年加入了 NIDDK 免疫學(xué)家 Barbara Rehermann 的實(shí)驗(yàn)室,。二人仔細(xì)研讀微生物組相關(guān)文獻(xiàn),，發(fā)現(xiàn)微生物組對免疫系統(tǒng)有巨大的影響，但大多數(shù)論文都是基于兩種實(shí)驗(yàn)小鼠的對比研究：一些攜帶來自實(shí)驗(yàn)室的微生物組,，另一些完全沒有微生物組,。Rosshart 想知道如果他給實(shí)驗(yàn)室小鼠添加野生鼠的微生物組會發(fā)生什么，或許那將保留實(shí)驗(yàn)室小鼠的遺傳背景,，但卻使其生理更接近野生鼠,。

Rosshart對野生微生物組供體有特殊的要求：成年小鼠、與實(shí)驗(yàn)室小鼠基因相似,，沒有病原體從而不會污染美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）的其它小鼠,。Rehermann試圖說服Stephan這不是一個好思路，因?yàn)椴僮麟y度很高,。但Rosshart仍堅(jiān)持己見,。每天早上，Rosshart都會開車去3到10個谷倉,，檢查100多個只捕鼠器,，然后將抓到的小鼠帶回研究院。隨后,，他會解剖這些小鼠,，并且保存它們的組織和糞便。到了晚上,，他沿原路線捕捉更多小鼠,，并在捕鼠器中重新放置花生醬。因此，他每天從凌晨 4 點(diǎn)半開始工作,，直到午夜才結(jié)束,。他就這樣每周工作 7 天，持續(xù)了兩個月,。Rosshart 說：“如果只做一個星期還是很有趣的,，但時間越久，就變得越具有挑戰(zhàn)性,?！?/p>

最終，Rosshart一共處理了800多只小鼠,，他和同事們從中選出三只遺傳背景適當(dāng)且沒有病原體跡象的小鼠,。他們將這幾只小鼠糞便中的微生物轉(zhuǎn)移到懷孕的無菌小鼠身上。當(dāng)后一種小鼠分娩時,，它們會將微生物傳給幼崽,。該團(tuán)隊(duì)將這些小鼠與從已消毒的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中獲得微生物組的無菌小鼠進(jìn)行了比較,。

接著,，他們用小鼠適應(yīng)流感病毒株感染這些小鼠；92%的攜帶野生微生物組的小鼠活下來了,，而攜帶標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室微生物組的小鼠只有17%存活下來了,。當(dāng)研究人員將兩組小鼠暴露于可導(dǎo)致結(jié)腸癌的化學(xué)物質(zhì)之下時,，前一種小鼠的癌癥病情也相對輕些,。Rehermann說：“一個大膽的假設(shè)是，如果實(shí)驗(yàn)室小鼠更像自然環(huán)境中的小鼠,，那么這些小鼠也會更適用于研究生活在自然環(huán)境中的人類,。”

然而,，更“野生”并不總是會帶來更強(qiáng)的抗感染能力,。上個月，普林斯頓大學(xué)的演化生態(tài)學(xué)家 Andrea Graham 和她的同事們證實(shí),，“野生化”的實(shí)驗(yàn)室小鼠更易發(fā)生蠕蟲感染,。Graham 讓實(shí)驗(yàn)室小鼠在 8 個室外籠子里自由行動。當(dāng)她釋放第一批時,，小鼠立即開始探索周圍環(huán)境，挖洞并尋找新食物,，有一些甚至徹夜活動,。小鼠碰到的微生物顯著影響了它們應(yīng)對某些寄生蟲的能力。Graham 實(shí)驗(yàn)室的小鼠能夠很快清除寄生蟲感染,。但“野生化”的小鼠“在幾周時間內(nèi)都感染了大量蠕蟲”。研究人員仍在嘗試探索可能的原因,，這或有助于揭示免疫系統(tǒng)如何在更自然的環(huán)境中工作。Rosshart 表示,，免疫系統(tǒng)或許優(yōu)先清除致命的微生物——病毒和細(xì)菌,，然后再處理蠕蟲等非致命的感染。他補(bǔ)充說：“免疫反應(yīng)不可能完美對抗一切,?！?/p>

帶菌小鼠模型讓研究者們很興奮。紐約 Taconic Biosciences 公司的微生物組產(chǎn)品與服務(wù)負(fù)責(zé)人 Alexander Maue 表示,，從多個角度來說,，這些研究都具有里程碑意義。這些“臟”小鼠使得研究者“能夠探索在正常小鼠模型中無法發(fā)現(xiàn)的保護(hù)性免疫的不同機(jī)制,?！?/p>

模型的廣泛應(yīng)用

但研究人員還不知道哪些模型最適合用于研究哪些問題。例如,，在Masopust的研究中,，每組實(shí)驗(yàn)小鼠獲得不同的病原體組合。Masopust認(rèn)為這樣做有利有弊,，因?yàn)槿祟惖牟≡w也是多樣化的,。而在Virgin的設(shè)計中，小鼠則獲得了明確的一組病原體,，但其對免疫系統(tǒng)的影響并沒有很明顯。

英國愛丁堡大學(xué)的免疫學(xué)家 Eleanor Riley 指出,，這些模型都不能完全復(fù)制大自然中的真實(shí)情況。野生小鼠在許多方面與實(shí)驗(yàn)室小鼠不同：飲食,、性行為,、日光或溫度都會產(chǎn)生影響。她說：“我認(rèn)為我們需要更多地與生態(tài)學(xué)家和動物學(xué)家合作,，共同研究現(xiàn)實(shí)環(huán)境,，如果單純采取簡化的方法會存在一定風(fēng)險?！?/p>

Virgin表示,，即使是在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)一個簡化的野生環(huán)境也是令人頭痛的問題。他認(rèn)為大家都意識到這么做的重要性，但問題是這需要很多基礎(chǔ)設(shè)施,。雖然野生微生物組模型解決了許多有關(guān)病原體接觸的問題,，但正如 Rosshart 所知,，捕獲野生小鼠是極其麻煩的事情,。

帶菌小鼠模型是否比標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)小鼠更能代表人類的狀況，進(jìn)而為藥物開發(fā)提供更好的測試基礎(chǔ),，還有待進(jìn)一步觀察,。理想的實(shí)驗(yàn)可能需要在新模型中測試一些之前在臨床試驗(yàn)中失敗的療法，以查看其結(jié)果是否與人類試驗(yàn)結(jié)果相同,。

Masopust的團(tuán)隊(duì)正在與兩家制藥公司合作進(jìn)行這方面的研究,。他們選擇了一種在人體研究中失敗的療法，其中一家公司想知道帶菌小鼠是否可以預(yù)測這種失敗,。另一家公司要求Masopust使用他的小鼠來測試在干凈的小鼠身上效果顯著的候選療法,。初步的數(shù)據(jù)表明該療法對帶菌小鼠沒有明顯效果。

其他實(shí)驗(yàn)室也開始飼養(yǎng)“臟”小鼠,。去年 12 月,，西雅圖貝納羅亞研究所（Benaroya Research Institute）的免疫學(xué)家 Daniel Campbell 從 NIH 那獲得了一筆資助，用于構(gòu)建帶菌小鼠模型,。他和同事們想要測試他們?yōu)樽陨砻庖卟￠_發(fā)的治療方法,。這類療法似乎對無菌小鼠非常有效，但他表示很多在無菌小鼠上有效的療法在轉(zhuǎn)化中都失敗了,。Campbell 認(rèn)為帶菌小鼠比標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)小鼠的免疫系統(tǒng)更發(fā)達(dá),，因此可能用做一種更接近真實(shí)狀況的模型來測試這些療法。例如,，帶菌小鼠能夠幫助研究者可以更好地檢測到副作用,，他說：“安全性是一個大問題,?！?/p>

Campbell表示構(gòu)建混養(yǎng)小鼠模型非常具有挑戰(zhàn)性，但是它是值得的,。他的許多同事都希望用“臟”小鼠去研究一些問題,。他說：“我認(rèn)為很多人都會有興趣，并且愿意進(jìn)行相關(guān)嘗試,?！?/p>

來源：Nature自然科研