人源化动物模型的研究进展

胡锴克，徐 冶 (吉林医药学院肿瘤靶向治疗与转化医学实验室，吉林 吉林 132013)

动物实验是医学实验中一个历史悠久的分支，对动物模型的研究成果可以延伸到人类的相似疾病，推导其发生发展规律，进而研究防治措施。由于动物和人体存在的遗传背景、生理特性和免疫状态上的区别，尽管动物实验的结果有一定的相似性，但不能简单地直接套用到人身上。现代基因工程技术的兴起使得在动物身上营造出类似于人体的环境不再是无法解决的难题。在此基础上，为了追求更进一步地模拟人类的生理或病理状态，人源化动物模型便应运而生。该模型的建立是将来自于人的基因、细胞与组织导入到实验动物体内，使其获得与人类更为接近的生理病理特征[1]。

1 基因工程实验动物

基因工程动物是指使用转基因技术、基因敲除或敲入技术和基因组编辑技术等各种基因重组手段，改变基因组的遗传特征并引入特定的性状。根据基因工程动物的用途，可大致分为遗传动物模型、生物反应器和人源化动物模型。

1.1 遗传动物模型

遗传动物模型是以满足生物医学研究为目的、性状可以持续稳定表达并遗传给后代的基因工程动物。研究人员对实验动物进行基因编辑，分析特定基因的表达和调控机制。

1.2 生物反应器

生物反应器是通过基因编辑使其表达特定抗体和疫苗等生物因子的动物品系。与传统的疫苗等药物的制作工艺相比，基因工程改造的生物反应器生产效率更高、产品质量更稳定、生产成本易于控制。例如以其优异力学性能、良好的生物相容性和可降解性而有巨大应用潜力的丝蛋白生物材料，就可以通过基因工程合成许多重组丝蛋白基因，并在转基因动物(如小鼠、山羊)中表达生成[2]。

1.3 人源化动物模型

这里的人源化动物模型生产过程与生物反应器类似,区别在于建立人源化动物模型时，使用基因工程技术导入的是来自人类的基因片段，或直接将来自人体的细胞或组织移植入动物。目前，用于建立人类疾病模型的人源化动物一般以小鼠为主，而作为器官供体的动物模型则以猪、狒狒或黑猩猩为对象。

2 人源化动物模型

2.1 基因人源化动物模型

基因人源化是将人类的各类基因通过基因工程技术整合到动物基因中，使动物可以感染嗜人体病原体(如HIV、HBV)、分泌人类特有抗体、表达与人类相似的药物代谢性状[3]。如通过将HLA转入小鼠基因组中，同时敲除小鼠H-2的重要组分，建立人MHC转基因小鼠，可以更加有效地模拟人类免疫反应[4]，在临床治疗和疾病研究中，利用转基因小鼠获取人类单克隆抗体，已经是一项较为完善的技术[5]。

2.2 细胞人源化动物模型

细胞人源化是将人体的原代细胞或组织移植到动物体内，依靠动物提供生长环境。由于异种移植间难以避免的移植免疫排斥反应，细胞人源化的动物模型一般是建立在免疫缺陷的基础上。常见的品种有裸鼠、非肥胖糖尿病小鼠、重症联合免疫缺陷小鼠、NOD/SCID基础上敲除IL2rg基因小鼠以及建立在这些品系基础上的靶向基因突变的其他类型鼠。

2.2.1人肝嵌合小鼠

人肝嵌合小鼠模型是将人肝细胞移植到肝损伤的免疫缺陷小鼠体内，也称为人源化肝脏小鼠。人源化肝脏小鼠显示了人类肝脏基因表达的一些特征，并反映了人类肝脏对肝毒性药物的反应[6]。其比较常见的应用是研究人类药物代谢的机制，如使用人源化肝脏小鼠研究邻苯二甲酸二异壬基酯和氯苯噻唑乙酸在人体中的药代动力学[7]，给人源化肝脏小鼠服用酮康唑或利福平后观察其胆汁酸的分泌变化[8]。最近有研究报道，以人肝小鼠的肝脏替代人肝用于实验[9]。

2.2.2重建人免疫系统小鼠

在高度免疫缺陷小鼠体内移植来源于人的造血干细胞，使小鼠体内产生人类的免疫系统，称为重建人免疫系统(Human immune system,HIS)小鼠。通过其不同细胞来源又可分为SCID-hu、hu-PBL-SCID、hu-BLT-SCID等模型。在研究人类淋巴细胞生物学和免疫学的实验中，这类小鼠模型具有极高的应用价值[10]。

2.3 人类病毒感染模型

乙肝、艾滋病等重大传染病严重危害人类健康，但因为HBV和HIV等病毒在宿主选择上有严苛的人细胞嗜性，缺乏稳定可操作的动物模型限制了对其致病机制的研究和抗病毒药物及疫苗的筛选进展。人肝嵌合小鼠和重建人免疫系统小鼠则分别突破了这两种病毒的感染限制[11]，为模拟这些重要病原体自然感染人的过程和产生的病理变化、新型疫苗的开发和治疗方法的发展提供了重要平台。

2.4 异种移植肿瘤模型

恶性肿瘤是当前世界范围内最迫切需要解决的公共卫生问题之一。人类恶性肿瘤细胞系来源的异种移植模型也是抗肿瘤药物研发中常用的体外平台[12]，这种模型建立方式称为细胞系来源异种移植(cell-derived xenograft,CDX)。但在长期离体培养的过程中，由于缺乏正常的细胞基质和肿瘤微环境，肿瘤细胞会发生一系列不可逆的生物学特性改变并趋于同质化，因此无法较为合理地反映患者体内原代肿瘤的情况[13]。相比传统的CDX，患者来源异种移植(patient-derived xenograft,PDX)进一步保留了病人肿瘤的基本性质和各类特征[14]，更适合用于评估药物的疗效,为个体化治疗提供研究手段[15]。

2.5 重建人免疫系统的患者来源肿瘤组织异种移植模型

尽管PDX比起CDX已显著改善，但仍存在其局限性。对于异种移植使用的免疫缺陷小鼠而言，因为移植排斥反应的存在，其免疫缺陷程度越高，对异种移植物的容受性就越高，模型构建的成功率自然也就越高[16]。同时也导致模型因为其本身的免疫缺陷性质而易受到感染[17]。而PDX模型在建立和传代过程中，小鼠基质会逐渐代替人的基质成分，仍有可能改变肿瘤的种种特性和异质性使其趋于同质化，对供体患者的个体化治疗方案定制方面依然存在限制。为了克服这些问题，研究者通过将体外扩增的人类造血干细胞注射至NSG小鼠体内建立HIS模型，再移植入取自患者的原代肿瘤组织，构建出重建HIS+PDX小鼠模型[18]。这种模型在提供患者体外肿瘤生长环境的基础上，引入了人体免疫因子，构建的肿瘤微环境与人体更相似，相比CDX或PDX更适合用于研究肿瘤的病理特性、转移机制与靶向治疗[19]。

3 临床应用

人源化动物作为研究人类疾病的活体模型，在探究疾病的病理药理特性方面，较传统的动物模型或体外细胞培养具有更广泛的应用和更精确的成果。然而在肿瘤学药物开发领域的应用并不理想。部分原因在于细胞系模型无法准确预测临床疗效，也无法针对患者群体量身定制化疗的方案。PDX维持了人类肿瘤的组织病理学结构和分子特征，并提供了一个潜在的解决方案，最大限度地提高了药物开发的成功率。同时在研究肿瘤、病原体等致病因子的耐药机制、个体化治疗选择方面也提供了更多的可能性。据报道，研究人员正着力于制作基因与人类相似度更高的模型[20]，研发增强内源性免疫肿瘤相关的自抗原和新抗原(疫苗)[21]，尝试使用复合治疗手段清除感染艾滋病的人源化小鼠体内的HIV病毒[22]。

纵观异种移植的历史，其供体有兔、羊、狒狒、猩猩、猪等，移植物则有肝、肾、心脏等等。然而在各式各样的异种移植中，患者的生存时间短则数小时，长达几月，均未超过一年[23],相比同种异体移植的成效可谓相去甚远。因此异种移植研究需要做更多探索。相信伴随着基因工程的兴起，可以实现对供体动物的全面基因改造，获得异种移植的合适供体。

从人类疾病动物模型到基因工程动物，再到人源化动物模型，表明了人类医学的进步。目前来看，人源化动物模型应用价值最高的自然就是对疾病治疗的研究和作为异种移植的供体。伴随科学界实验技术的完善和基因研究的深入，假如将来基因工程技术所构建的人源化动物模型发展到可以生产出与人类完全一致的组织器官，无论是用于疾病研究还是异种移植，其医学价值之高不言而喻，这些研究一旦成功，必将成为医学史上的丰碑。但在追求其正面作用的同时，也不能忽视可能产生的不良后果。如何更好地使用基因工程动物，还需要深入研究、多加考量。