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常见自身免疫性疾病动物模型建立方法简介

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自身免疫性疾病(Autoimmune Diseases,ADs)是由免疫系统对自身抗原发起攻击,导致细胞破坏、组织损伤或器官功能障碍而引起的慢性疾病。目前已确定的自身免疫性疾病有近100种,其中常见的有再生障碍性贫血、类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮、银屑病。由于ADs可能造成严重而广泛的器官损害,ADs患者的健康相关生活质量和劳动能力可能会降低。因此建立与人类自身免疫性疾病相似的动物模型是研究ADs的有效方法,有助于研究疾病的发病机制和有效的治疗药物。常见的自身免疫性疾病动物模型包括:

1 再生障碍性贫血模型

再生障碍性贫血(Aplastic Anemia,AA)是一类由多种原因造成骨髓细胞破坏、骨髓造血功能受损从而导致外周血全血细胞减少,临床上出现贫血、感染、出血等特征的获得性骨髓衰竭性综合征。目前认为T淋巴细胞异常活化、功能亢进造成骨髓损伤在原发性获得性AA发病机制中占主要地位。新近研究显示辅助性T细胞亚群Th1/Th2分化偏移、调节性T细胞、NK细胞、Th17、树突状细胞(DC细胞)以及巨噬细胞等功能异常参与了AA发病。

1.1 异体淋巴细胞输注联合全身辐照的免疫介导AA模型

使用供鼠淋巴细胞输注和全身辐照(TBI)联用的方法建立免疫介导的AA模型。实验通过将亲代雄性和雌性DsRed转基因小鼠配种后的子一代雌性小鼠(8~12周龄,体质量18~22 g)的淋巴结单细胞悬液以5×106/只的剂量,通过尾静脉注射注入经过5 Gy的TBI 4 h后的雌性C.B10小鼠进行造模。

将DBA/2小鼠胸腺淋巴结混合细胞按照1×106/只的剂量由尾静脉注入经4Gy137铯-γ射线全身照射的雌性BALB/c小鼠进行造模。实验小鼠的一般情况(小鼠精神状况、死亡状况、运动、外部形态及解剖后内脏变化)和体质量变化以及外周血(红细胞、白细胞及血小板)及骨髓有核细胞数等指标均符合AA的表现。

将雷帕霉素注入全身辐照联合异体淋巴细胞输注诱导的AA模型中发现,雷帕霉素可抑制T细胞中磷酸化S6和AKT的活性,表明雷帕霉素是通过调节mTOR的活性来发挥免疫抑制功能。

1.2 重组γ-干扰素联合白消安的AA模型

使用小鼠源性重组γ-干扰素联合白消安建立AA模型。实验通过予以近交系雌性BALB/c小鼠2 mg/mL的白消安悬液灌胃10 d,并同时腹腔注射小鼠源性重组γ-干扰素(IFN-γ)7 500 U/d进行造模。

人和小鼠的γ-干扰素有65%同源性,且重组人γ-干扰素价格低廉,容易获得,稳定性好。使用重组人γ-干扰素联合白消安建立AA模型。实验通过用18 mg/(kg·d)的剂量予以雌性昆明小鼠2 g/L的白消安生理盐水悬液灌胃7 d,并同时腹腔注射重组人γ-干扰素1×104U/d进行造模。

既往研究发现再生障碍性贫血患者骨髓和外周血中γ-干扰素明显增多并且是导致AA最重要的细胞因子。一定浓度(750~1 000 U/mL)IFN-γ可提高造血祖细胞对凋亡的敏感性从而抑制造血祖细胞生长并且引发骨髓细胞和CD34+细胞凋亡,最终导致AA。

白消安可以导致造血干细胞增殖缺陷并造成骨髓间质损伤,从而诱导AA。

2 类风湿性关节炎模型

类风湿性关节炎(Rheumatoid Arthritis,RA)是一种与慢性炎症过程相关的系统性自身免疫病,目前认为是由于瓜氨酸失调导致产生抗瓜氨酸蛋白抗体导致的。RA的主要临床表现为对称性、侵袭性小关节炎性反应,可累及到关节外器官,导致关节畸形和强直。RA发病涉及滑膜细胞增殖和纤维化、血管翳形成、软骨和骨侵蚀等过程,TNF-α、IL-6和IL-1等炎性因子参与其发病。

2.1 佐剂诱导性关节炎(Adjuvant-Induced Arthritis,AA)模型

AA又称弗氏佐剂关节炎,弗氏佐剂分为完全弗氏佐剂(CFA)和不完全弗氏佐剂(IFA),其作用机制是结核分枝杆菌致关节炎抗原为热休克蛋白,RA患者软骨内具有与热休克蛋白相似的蛋白多糖桥联蛋白抗原成分,弗氏佐剂注入激活T细胞,从而参与RA发病机制。

实验通常将100μL的完全弗氏佐剂通过皮下注射的方式注入雄性Wistar大鼠跖下区域来构建AA模型。性别差异对佐剂诱导的RA模型有一定影响,雌性大鼠对体液免疫有较强的反应,炎症反应更加强烈。

2.2 胶原诱导性关节炎(Collagen-Induced Arthritis,CIA)模型

CIA主要由Th1、Th2两种T细胞共同调节,原本处于平衡的Th1/Th2亚群会出现失衡状态,血清中IL-1β、TNF-α水平会持续升高。

在小鼠尾部基部远端2 cm处皮内注射牛Ⅱ型胶原蛋白和CFA混合乳剂,第21天加强注射IFA混合乳剂也构建出了CIA小鼠模型。在小鼠选择方面,有实验发现B10·RIII、C57BL/6(H-2b)等小鼠均可以构建CIA模型,但是造模率不如DBA/1J小鼠。

将1 g/L的牛Ⅱ型胶原蛋白冰乙酸溶液混合制成乳液,在实验的第1周和第2周分别向Wistar大鼠的趾或尾注射0.2 mL和0.1 mL的乳液构建CIA模型。有研究显示,将牛Ⅱ型胶原蛋白和CFA 1∶1(V∶V)配制成乳化剂,向大鼠尾部皮下注射0.2 mL,6 d后加强注射0.1 mL的IFA混合乳剂,也可制备关节炎模型。

3 系统性红斑狼疮模型

系统性红斑狼疮(Systemic Lupus Erythematosus,SLE)是一种多因素导致的复杂自身免疫性疾病,涉及多系统,涵盖了表观遗传、遗传、生态和环境因素,激活先天免疫和适应性免疫,引发T细胞激活自身反应性B细胞并导致免疫复合物在组织中沉积,从而触发自身免疫级联反应,可能单一器官受损也可能导致全身性免疫反应。目前尚不清楚SLE的确切病因,已知导致该病的主要因素包括日晒、怀孕、治疗性流产、感染以及多种药物。SLE的症状表现多种多样,涵盖了从轻微自愈的症状到严重威胁生命的器官受损的广泛临床表现。SLE的特征在于产生针对细胞核和细胞质抗原的抗体。

3.1 慢性移植物抗宿主病(cGVHD)引发的狼疮模型

将亲代小鼠的淋巴细胞注射到C57BL/6-DBA/2 F1杂交体中,会引起持续性淋巴组织增生、产生高丙种球蛋白血症和类似SLE的疾病,即慢性移植物抗宿主病(cGVHD)。使用7~8周龄的雌性(C57BL/6-DBA/2J)F1杂交小鼠作为雌性DBA/2J供体淋巴细胞的受体,通过将含有来自供体胸腺、脾脏和淋巴结混合细胞的细胞悬液进行静脉注射,成功建立了cGVHD模型的狼疮性肾炎。

3.2 咪喹莫特(IMQ)诱发的狼疮模型

IMQ属于咪唑喹啉家族,最初被批准用于作为一线合成治疗药物,用于治疗人乳头瘤病毒(HPV)感染引起的生殖器尖锐湿疣。TLR信号传导的改变会在人类和小鼠模型中导致狼疮的发生和/或恶化。浆细胞样树突状细胞(pDC)在SLE的发病机制中扮演关键角色,其通过TLR7激活后产生IFN-α。一项针对TLR-7转基因小鼠的研究指出,增加TLR-7的特定剂量足以必要地促进具有RNA特异性的自身反应性B细胞和骨髓细胞的增殖。目前,除了涉及pDC的机制外,IMQ诱导的狼疮模型中TLR7刺激与狼疮样疾病发展之间的潜在关系尚不清楚。

3.3 降植烷诱导的系统性狼疮小鼠模型

降植烷是一种天然存在的烃类化合物,已知在小鼠模型中无论其遗传背景如何,都是触发狼疮特异性自身抗体的最有效化学物质。类似于人类狼疮受试者,单次腹腔内施用碳氢化合物降植烷(TMPD)会引发干扰素特征、异常B细胞刺激和凋亡细胞清除缺陷。这个疾病的病理学包括自身抗核抗体(ANA)、免疫复合物介导的肾小球肾炎、贫血、肺毛细血管炎和关节炎的发展。

4 银屑病模型

银屑病(Psoriasis)是由T细胞控制的全身性疾病。银屑病产生皮肤破损是由于淋巴细胞、中性粒细胞、巨噬细胞大量的浸润皮肤。银屑病斑块产生的IFN-α导致髓质细胞活化,DC细胞与T细胞相互作用的APC产生大量的细胞因子如TNF-α、IL-23、IL-12、IL-6。这类细胞因子促进角质形成细胞不断增殖促使激活炎症反应。T细胞在银屑病发病中起十分重要的作用:T细胞包括CD8+和Th1识别皮肤中的APC,并与真皮的DC细胞相互作用而释放细胞因子IL-23、IL-12,促进Th1、Th17、Th22反应使表皮细胞凋亡。其中Th1型CD4+T细胞诱发银屑病过程中会释放大量IFN-γ和TNF-α。TNF-α能够与其他细胞因子相互作用放大炎症作用,还可以诱导DC细胞产生IL-23促进Th17细胞增殖分化从而分泌IL-17,刺激角质形成细胞增殖分化受损。角质形成细胞受损释放炎症趋化因子和抗菌肽,招募免疫细胞聚集,进一步加重银屑病。

4.1 局部使用IMQ小鼠模型

IMQ局部涂抹小鼠造模的原理是利用IMQ可以诱导IL-23/IL-17轴表达,增加脾脏Th17细胞。Alsabbagh提出,IMQ诱导小鼠产生于银屑病相似的免疫反应,是由于IL-23/IL-17轴和TNF-α免疫诱导而发病。

Van der Fits等将8~12周大的BALB/c和C57BL/6剃光小鼠背上和右耳上连续5到6 d涂抹62.5 mg 5%IMQ乳膏,即每天接受3.125 mg的活性化合物。同时对照组涂抹凡士林拉奈特乳膏。通过改良后的客观评分系统对小鼠背部的炎症严重程度进行评分。BALB/c小鼠在涂抹了5%的IMQ乳膏2~3 d后背部皮肤出现红斑、脱屑。2种使用了咪喹莫特品系的小鼠均在实验2~3 d后银屑病炎症症状逐渐出现,病情逐渐加重。实验组小鼠的组织病理学特征显示,小鼠的表皮分化紊乱;HE染色显示有大量单核细胞浸润。免疫组织化学分析显示,经IMQ处理的小鼠皮肤中IL-23/IL-17轴促炎细胞因子短暂增加,表明IL-23/IL-17轴参与银屑病发病。

4.2 皮内注射细胞因子小鼠模型

皮内注射细胞因子小鼠模型是为探究银屑病发病机制中的IL-23/IL-17通路开发的一种简单快捷的诱导小鼠模型,可以在灌洗过程中快速读出并检测小鼠细胞因子水平。实验采用5~8周龄雌性C57BL/6,建立小鼠气袋腔6 d后注射抗CD3、IL-23和IL-17β银屑病炎症触发混合物,结果表明小鼠气袋腔的T细胞被激活。

对上述几种常见ADs的造模方法及机制进行归纳总结如下表(参考文献略):

表1 自身免疫性疾病造模方法及机制

Table 1 Modeling Methods and Mechanisms of Autoimmune Diseases

image.png

 

5 总结

目前,很多ADs的发病机制和治疗药物效果并不明确,因此动物模型依旧是深入研究ADs的有效且必要工具。在AA的研究中,通常使用异体淋巴细胞输注联合全身辐照以及白消安联合重组γ-干扰素构建动物模型;对于RA的研究,佐剂诱导性关节炎模型(AA)和胶原诱导型关节炎模型(CIA)因为具有操作简单、造模速度快等优点而被广泛使用;在对SLE有关的研究中,通常使用c GVHD诱导的狼疮模型、IMQ诱导型狼疮模型和降植烷诱导型SLE模型;在构建银屑病的模型时,局部使用IMQ进行造模是最常见的。然而,很多ADs的相关模型还不能准确模拟人类ADs的发病和临床表现,例如目前大部分AA模型仍不符合人类再生障碍性贫血中T淋巴细胞过度活化的特征,因此仍然需要进一步探寻更加符合人类ADs的动物模型。

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