Kære JAXY: Hvorfor er NOD den foretrukne genetiske baggrund for immundefekte mus?
Som vi diskuterede i et tidligere indlæg, er ikkeobesdiabetiske (NOD/ShiLtJ) mus en af de mest almindeligt anvendte mus til at modellere insulinafhængig (type I) diabetes. Det forekommer mig mærkeligt, at denne stamme ville blive den foretrukne baggrund for udviklingen af Nod Scid Gamma (NSG) og andre alvorligt immundeficiente mus, som har revolutioneret udviklingen af næste generation af menneskelige kræft- og infektionssygdomsmodeller. Hvordan skete det helt præcist?
Immunodeficiente NOD-mus fremmer både diabetes og forskning i menneskelige infektionssygdomme
To forskellige forskningsmål drev udviklingen af NOD-immunodeficiente modeller:
1) Udviklingen af en mus, der kunne bruges til at afdække, hvilke immunceller der rent faktisk driver udviklingen af autoimmun diabetes hos NOD-mus.
Som beskrevet i et nyligt indlæg udvikler NOD-scid-mus (NOD.CB17-Prkdcscid/J) ikke diabetes, fordi de er B- og T-celle-deficiente, fordi de er B- og T-celle-deficiente. Derfor er de de perfekte værter til adoptiv overførsel af T- og B-celler fra diabetiske NOD-mus med henblik på at undersøge deres rolle i udviklingen af autoimmun (type 1)-diabetes.
2) Udvikling af en mus, der kan understøtte langtidsindpodning af menneskelige celler og væv til undersøgelser vedrørende menneskelige infektionssygdomme og kræft.
Prkdcscid er en spontan mutation, som oprindeligt blev karakteriseret i en BALB/c-kongen stamme kaldet C.B-17. Selv om C.B-17-scid-musene har mangel på både T- og B-celler, er de ikke i stand til at understøtte langvarig indpodning af de humane immunceller, som er afgørende for udvikling af smådyrsmodeller for humane infektionssygdomme som f.eks. HIV. Den sandsynlige forklaring på deres begrænsede indpodningskapacitet er, at C.B-17-scid-musene bevarer normal NK- og myeloidcellefunktion.
Det viser sig, at NOD-indavlede mus har iboende mangler i centrale humorale og cellulære immuncelleaktiviteter, hvilket øger den generelle immundefekt hos NOD-scid-musene i forhold til C.B-17-scid eller C57BL/6-scid (B6.CB17-Prkdcscid/SzJ) -mus.
Inherente immundefekter hos NOD-mus, der forstærker genetisk inducerede immundefekter
NOD-indavlede mus er karakteriseret ved følgende iboende immundefekter:
1) Fravær af cirkulerende komplement. Komplementsystemet er en multiproteinbaseret komponent i det medfødte immunsystem, der hjælper antistoffer og fagocytiske celler med at ødelægge og fjerne patogener fra værten.
Normalt danner en undergruppe af komplementproteiner komplekser, der prikker huller i et patogens cellemembran og lyserer den invaderende celle. NOD-mus samt flere andre indavlede stammer er homozygote for en deletion i det hæmolytiske komplement (Hc)-gen, der forhindrer ekspression af Hc-komplementproteinet (også kaldet C5). Uden funktionelt C5 kan komplementproteinerne ikke samles, og invaderende patogener undslipper deres skadelige virkninger.
2) Defekte Natural Killer (NK)-celler. I sammenligning med BALB/c- og C.B-17-mus har NOD-indavlede mus en stærkt nedsat NK-celleaktivitet (Kataoka et al. 1983). NK-celler er en klasse af cytotoksiske celler i det medfødte immunsystem, der hurtigt reagerer på viralt inficerede celler i fravær af antistoffer.
Væsentligt er, at NK-celleaktivitet er en væsentlig hindring for indpodning af humane hæmatopoietiske celler i mus. Derfor forbedrer den reducerede NK-celfunktion i NOD-mus i høj grad engraftingen af humane celler.
3) Differentiering og funktionelle mangler i makrofager og antigenpræsenterende celler (APC’er). Makrofager og APC’er er immunceller, som er vigtige for at opsluge patogener. Den efterfølgende visning af antigener afledt af patogenerne på APC’ernes celleoverflade er nøglen til at udløse adaptive immunresponser.
Makrofager fra NOD-indavlede mus bevarer mange af de egenskaber, der kendetegner umodne celler makrofager, og har svage funktionelle responser (Serreze et al. 1993). Antigenpræsenterende dendritiske celler i NOD-mus viser også modningsdefekter (Pearson et al. 2003).
Sammenlagt gør ovenstående egenskaber NOD-genbaggrunden til en ideel platform, der i kombination med scid-mutationen frembringer mus, der understøtter en bedre indpodning af humant afledte immunceller. NOD-scid-mus understøtter nemlig op til 5 gange højere niveauer af indpodning af humane lymfoide celler sammenlignet med f.eks. C.B-17-scid-mus.
Har du Sirpa?
SirpaNOD-allelen fremmer indpodning af humane hæmatopoietiske stamceller (hHSC’er) i NOD-afledte immundeficiente mus.
Ræset om at udvikle endnu mere avancerede NOD-afledte immundeficiente mus har været drevet af behovet for at udvikle “humaniserede” mus – dvs. mus, der udtrykker fuldt funktionelle menneskelige immunceller i stedet for deres murine modstykker.
Det har været kendt i over et årti, at immundefekte mus med NOD-baggrund indgraverer menneskelige hæmatopoietiske stamceller (HSC’er) mere effektivt end immundefekte mus på andre genetiske baggrunde. Dette fænomen blev for nylig forklaret ved opdagelsen af, at makrofager i knoglemarven hos NOD-mus udtrykker en variant af det signalregulerende protein alfa (Sirpa), der har en højere affinitet for humane hæmatopoietiske stamceller (Takenaka et al. 2007; van den Berg og van der Schoot 2008). NOD-SCID-mus, der bærer en Sirpa-allel fra NOR-mus, en stamme, der er nært beslægtet med NOD, engrafter ikke hHSC’er så let.
Hvad gør Sirpa?
SIRPA-protein i både mus og mennesker interagerer med Cd47 og kontrollerer flere funktioner i myeloide celler. En af de bedst dokumenterede er den negative regulering af SIRPA i makrofager af værtscellens fagocytose, som er afgørende for “selvgenkendelse” og transplantationstolerance. Når makrofagbundet SIRPA binder sig til værtscellens Cd47, genererer det et SHP-1-afhængigt inhiberende signal, der forhindrer makrofagerne i at opsluge den Cd47-positive celle.
På nuværende tidspunkt er det imidlertid ikke klart, om den øgede binding af SirpaNOD-protein til hCD47 og aktiveringen af et phagocytosehæmmende signal er den egentlige mekanisme, der er ansvarlig for den øgede engraftning af hHSC’er i NOD-afledte immundeficiente mus.
Det er værd at bemærke, at der nu bliver immundefekte mus på ikke-NOD-afledte genetiske baggrunde tilgængelige, som overudtrykker det humane SIRPA-protein (f.eks. C;129S4-Rag2tm1.1Flv Il2rgtm1.1FlvTg(SIRPA)1Flv/J) og viser niveauer af hHSC-engravering, der er sammenlignelige med NSG-mus.
Overførslen af scid-mutationen til NOD-baggrunden viste sig at være et afgørende gennembrud, der både har fremmet vores forståelse af type I-diabetes og ført til udvikling af mere robuste smådyrsmodeller til undersøgelse af en bred vifte af sygdomme hos mennesker. Hvem vidste, at en diabetisk mus ville blive den vel nok vigtigste stamme-baggrund i xenograftbaseret forskning i sygdomme hos mennesker?