Immunodefiziente Mäuse: die NOD-Verbindung

Liebe JAXY: Warum ist NOD der bevorzugte genetische Hintergrund für immundefiziente Mäuse?

Wie wir in einem früheren Beitrag erörtert haben, sind nicht adipöse diabetische (NOD/ShiLtJ) Mäuse eine der am häufigsten verwendeten Mäuse zur Modellierung von insulinabhängigem (Typ I) Diabetes. Es erscheint mir seltsam, dass dieser Stamm zum bevorzugten Hintergrund für die Entwicklung von Nod Scid Gamma (NSG) und anderen schwer immundefizienten Mäusen wurde, die die Entwicklung von Modellen der nächsten Generation menschlicher Krebs- und Infektionskrankheiten revolutioniert haben. Wie genau kam es dazu?

Immundefiziente NOD-Mäuse bringen sowohl die Erforschung von Diabetes als auch von Infektionskrankheiten beim Menschen voran

Zwei verschiedene Forschungsziele waren ausschlaggebend für die Entwicklung immundefizienter NOD-Modelle:

1) Die Entwicklung einer Maus, mit der sich herausfinden lässt, welche Immunzellen die Entwicklung von Autoimmundiabetes bei NOD-Mäusen tatsächlich antreiben.

Wie in einem kürzlich erschienenen Beitrag beschrieben, entwickeln NOD-scid-Mäuse (NOD.CB17-Prkdcscid/J) keinen Diabetes, da sie einen Mangel an B- und T-Zellen aufweisen. Daher sind sie die idealen Wirte für den adoptiven Transfer von T- und B-Zellen aus diabetischen NOD-Mäusen, um deren Rolle bei der Entwicklung von Autoimmunerkrankungen (Typ-1-Diabetes) zu untersuchen.

2) Die Entwicklung einer Maus, die die langfristige Einpflanzung menschlicher Zellen und Gewebe für Studien im Zusammenhang mit menschlichen Infektionskrankheiten und Krebs unterstützt.

Prkdcscid ist eine spontane Mutation, die ursprünglich in einem kongenen BALB/c-Stamm namens C.B-17 charakterisiert wurde. Obwohl C.B-17-scid-Mäuse einen Mangel an T- und B-Zellen aufweisen, gelingt es ihnen nicht, langfristig menschliche Immunzellen zu transplantieren, die für die Entwicklung von Kleintiermodellen für menschliche Infektionskrankheiten wie HIV wichtig sind. Die wahrscheinliche Erklärung für ihre begrenzte Fähigkeit zur Transplantation ist, dass C.B-17-scid-Mäuse eine normale NK- und myeloische Zellfunktion aufweisen.

Es hat sich herausgestellt, dass NOD-Inzuchtmäuse inhärente Defizite in wichtigen humoralen und zellulären Immunzellaktivitäten aufweisen, die die allgemeine Immunschwäche von NOD-scid-Mäusen im Vergleich zu C.B-17-scid oder C57BL/6-scid (B6.CB17-Prkdcscid/SzJ) -Mäusen.

Inhärente Immundefekte bei NOD-Mäusen, die genetisch induzierte Immundefekte verstärken

NOD-Zuchtmäuse sind durch die folgenden inhärenten Immundefekte gekennzeichnet:

1) Fehlen des zirkulierenden Komplements. Das Komplementsystem ist eine auf mehreren Proteinen basierende Komponente des angeborenen Immunsystems, die Antikörper und phagozytische Zellen bei der Zerstörung und Beseitigung von Krankheitserregern im Wirt unterstützt.

Normalerweise bildet eine Untergruppe von Komplementproteinen Komplexe, die Löcher in die Zellmembran eines Krankheitserregers stoßen und die eindringende Zelle lysieren. NOD-Mäuse sowie mehrere andere Inzuchtstämme sind homozygot für eine Deletion im hämolytischen Komplement (Hc)-Gen, die die Expression des Komplementproteins Hc (auch C5 genannt) verhindert. Ohne funktionsfähiges C5 können sich die Komplementproteine nicht zusammensetzen, und eindringende Krankheitserreger entgehen ihrer schädlichen Wirkung.

2) Defekte natürliche Killerzellen (NK). Im Vergleich zu BALB/c- und C.B-17-Mäusen haben NOD-Inzuchtmäuse eine stark reduzierte NK-Zellaktivität (Kataoka et al. 1983). NK-Zellen sind eine Klasse zytotoxischer Zellen des angeborenen Immunsystems, die in Abwesenheit von Antikörpern schnell auf virusinfizierte Zellen reagieren.

Wichtig ist, dass die NK-Zellaktivität ein Haupthindernis für die Transplantation menschlicher hämatopoetischer Zellen in Mäusen darstellt. Daher verbessert die reduzierte NK-Zellfunktion in NOD-Mäusen die Transplantation menschlicher Zellen erheblich.

3) Differenzierungs- und Funktionsdefizite bei Makrophagen und antigenpräsentierenden Zellen (APCs). Makrophagen und APCs sind Immunzellen, die bei der Aufnahme von Krankheitserregern eine wichtige Rolle spielen. Die anschließende Präsentation von Antigenen, die von den Krankheitserregern stammen, auf der Zelloberfläche der APCs ist der Schlüssel zur Auslösung adaptiver Immunantworten.

Makrophagen von NOD-Inzuchtmäusen behalten viele der Merkmale unreifer Zellen und haben schwache funktionelle Antworten (Serreze et al. 1993). Antigen-präsentierende dendritische Zellen in NOD-Mäusen weisen ebenfalls Reifungsdefekte auf (Pearson et al. 2003).

Die oben genannten Eigenschaften machen den genetischen Hintergrund der NOD-Mäuse zu einer idealen Plattform, die in Kombination mit der scid-Mutation Mäuse hervorbringt, die eine bessere Verpflanzung von Immunzellen menschlichen Ursprungs unterstützen. In der Tat unterstützen NOD-scid-Mäuse die Transplantation menschlicher lymphatischer Zellen in bis zu 5-fach höherem Maße als beispielsweise C.B-17-scid-Mäuse.

Got Sirpa?

Das SirpaNOD-Allel fördert die Transplantation menschlicher hämatopoetischer Stammzellen (hHSCs) in NOD-abgeleiteten immundefizienten Mäusen.

Der Wettlauf um die Entwicklung noch fortschrittlicherer NOD-abgeleiteter immundefizienter Mäuse wurde durch die Notwendigkeit angeheizt, „humanisierte“ Mäuse zu entwickeln – d.h. Mäuse, die voll funktionsfähige menschliche Immunzellen anstelle ihrer murinen Gegenstücke exprimieren.

Seit über einem Jahrzehnt ist bekannt, dass immundefiziente Mäuse mit NOD-Hintergrund menschliche hämatopoetische Stammzellen (HSC) effizienter einpflanzen als immundefiziente Mäuse mit anderem genetischen Hintergrund. Dieses Phänomen wurde kürzlich durch die Entdeckung erklärt, dass Makrophagen im Knochenmark von NOD-Mäusen eine Variante des signalregulierenden Proteins alpha (Sirpa) exprimieren, das eine höhere Affinität zu menschlichen hämatopoetischen Stammzellen hat (Takenaka et al. 2007; van den Berg und van der Schoot 2008). NOD-SCID-Mäuse, die ein Sirpa-Allel von NOR-Mäusen, einem eng mit NOD verwandten Stamm, tragen, transplantieren nicht so leicht hHSCs.

Was macht Sirpa?

Das Sirpa-Protein interagiert sowohl bei Mäusen als auch bei Menschen mit Cd47 und kontrolliert mehrere Funktionen in myeloischen Zellen. Eine der am besten dokumentierten Funktionen ist die negative Regulierung der Phagozytose von Wirtszellen durch SIRPA in Makrophagen, die für die „Selbsterkennung“ und die Transplantationstoleranz entscheidend ist. Wenn das an Makrophagen gebundene SIRPA an die Wirtszelle Cd47 bindet, erzeugt es ein SHP-1-abhängiges inhibitorisches Signal, das die Makrophagen daran hindert, die Cd47-positive Zelle zu verschlingen.

Zurzeit ist jedoch nicht klar, ob die verstärkte Bindung des SirpaNOD-Proteins an hCD47 und die Aktivierung eines phagozytischen inhibitorischen Signals der eigentliche Mechanismus ist, der für das verstärkte Engraftment von hHSCs in NOD-abgeleiteten immundefizienten Mäusen verantwortlich ist.

Es ist erwähnenswert, dass jetzt immundefiziente Mäuse auf nicht-NOD-abgeleiteten genetischen Hintergründen verfügbar sind, die das menschliche SIRPA-Protein überexprimieren (z.B. C;129S4-Rag2tm1.1Flv Il2rgtm1.1FlvTg(SIRPA)1Flv/J) und ein mit NSG-Mäusen vergleichbares Niveau der hHSCs-Gravierung aufweisen.

Die Übertragung der scid-Mutation auf den NOD-Hintergrund erwies sich als entscheidender Durchbruch, der sowohl unser Verständnis von Typ-I-Diabetes vorantrieb als auch zur Entwicklung robusterer Kleintiermodelle für die Untersuchung eines breiten Spektrums menschlicher Krankheiten führte. Wer hätte gedacht, dass eine diabetische Maus zum wohl wichtigsten Stamm in der Xenograft-basierten Forschung an menschlichen Krankheiten werden würde?