Immuunipuutteiset hiiret: NOD-yhteys

Lähettiläs JAXY: Miksi NOD on suositeltavin geneettinen tausta immuunipuutteisille hiirille?

Kuten aiemmassa postauksessamme totesimme, liikalihavuudesta riippumattomat diabeetikkohiiret (NOD/ShiLtJ-hiiret) ovat yksi yleisimmin käytetyistä hiiristä, joita käytetään mallintamaan insuliinista riippuvaista diabetesta (tyypin I diabetesta). Minusta tuntuu oudolta, että tämä kanta tulisi valituksi taustaksi kehitettäessä Nod Scid Gamma (NSG) -hiiriä ja muita vakavasti immuunipuutteisia hiiriä, jotka ovat mullistaneet seuraavan sukupolven ihmissyöpä- ja tartuntatautimallien kehittämisen. Miten tämä tarkalleen ottaen tapahtui?

Immunopuutteiset NOD-hiiret edistävät sekä diabeteksen että ihmisen tartuntatautien tutkimusta

Kaksi erilaista tutkimustavoitetta ohjasi NOD-immunopuutteisten mallien kehittämistä:

1) Sellaisen hiiren kehittäminen, jonka avulla voitaisiin selvittää, mitkä immuunisolut oikeastaan ohjaavat autoimmuunidiabeteksen kehittymistä NOD-hiirissä.

Kuten hiljattain julkaistussa postauksessa esitettiin, NOD-scid-hiiret (NOD.CB17-Prkdcscid/J) eivät kehity diabetesta, koska ne ovat B- ja T-solupuutteisia. Näin ollen ne ovat täydellisiä isäntiä diabeettisista NOD-hiiristä peräisin olevien T- ja B-solujen adoptiiviseen siirtoon, jolla tutkitaan niiden roolia autoimmuunidiabeteksen (tyypin 1) kehittymisessä.

2) Sellaisen hiiren kehittäminen, joka tukisi ihmissolujen ja -kudosten pitkäaikaista siirtämistä ihmisen tartuntatauteihin ja syöpään liittyviä tutkimuksia varten.

Prkdcscid on spontaani mutaatio, joka alunperin karakterisoitiin kongeneettisessä BALB/c-lajissa, jota kutsutaan nimellä C.B-17. Vaikka C.B-17-scid-hiiret ovat sekä T- että B-solupuutteisia, ne eivät kykene tukemaan sellaisten ihmisen immuunisolujen pitkäaikaista siirtymistä, jotka ovat kriittisiä kehitettäessä pieneläinmalleja ihmisen tartuntataudeille, kuten HIV:lle. Todennäköinen selitys niiden rajalliselle verensiirtokyvylle on se, että C.B-17-scid-hiirillä säilyy normaali NK- ja myeloidisolujen toiminta.

On käynyt ilmi, että NOD-rodun hiirillä on luontaisia puutteita keskeisissä humoraalisissa ja soluvälitteisissä immuunijärjestelmän solutoiminnoissa, mikä lisää NOD-scid-hiirten yleistä immuunivajetta verrattuna C.B-17-scid-hiiriin.B-17-scid- tai C57BL/6-scid (B6.CB17-Prkdcscid/SzJ) -hiiriin.

NOD-hiirten luontaiset immuunipuutokset, jotka lisäävät geneettisesti indusoituja immuunipuutoksia

NOD-insinööritiöhiirille ovat ominaisia seuraavat luontaiset immuunipuutokset:

1) Verenkierrossa olevan komplementin puuttuminen. Komplementtijärjestelmä on useisiin proteiineihin perustuva synnynnäisen immuunijärjestelmän osa, joka avustaa vasta-aineita ja fagosyyttisiä soluja patogeenien tuhoamisessa ja poistamisessa isännästä.

Normaalisti komplementtiproteiinien alaryhmä muodostaa komplekseja, jotka puhkaisevat reikiä patogeenin solukalvoon ja lysoivat tunkeutuvan solun. NOD-hiiret sekä useat muut sisäsiitoskannat ovat homotsygoottisia hemolyyttisen komplementin (Hc) geenissä olevan deletion suhteen, joka estää Hc (eli C5) komplementtiproteiinin ilmentymisen. Ilman toimivaa C5:tä komplementtiproteiinit eivät kokoonnu, ja tunkeutuvat patogeenit välttyvät niiden vahingollisilta vaikutuksilta.

2) Luonnollisten tappajasolujen (NK-solujen) vajaatoiminta. BALB/c- ja C.B-17-hiiriin verrattuna NOD-verrokkihiirillä on voimakkaasti vähentynyt NK-solujen aktiivisuus (Kataoka ym. 1983). NK-solut ovat synnynnäisen immuunijärjestelmän sytotoksisten solujen luokka, joka reagoi nopeasti virusinfektoituneisiin soluihin vasta-aineiden puuttuessa.

Tärkeää on, että NK-solujen aktiivisuus on merkittävä este ihmisen hematopoieettisten solujen siirtämiselle hiiriin. Siksi NOD-hiirten vähentynyt NK-solujen toiminta parantaa huomattavasti ihmisen solujen tarttumista.

3) Makrofagien ja antigeenin esittelevien solujen (APC) erilaistuminen ja toiminnalliset puutteet. Makrofagit ja APC:t ovat immuunisoluja, jotka ovat tärkeitä patogeenien nielemisessä. Myöhemmin patogeeneistä peräisin olevien antigeenien esittäminen APC:n solupinnalla on avainasemassa adaptiivisten immuunivasteiden laukaisemisessa.

NOD-verrokki-hiirten makrofagit säilyttävät monet kypsymättömien solujen makrofagien ominaisuuksista, ja niillä on heikot toiminnalliset vasteet (Serreze ym. 1993). Myös NOD-hiirten antigeenejä esittelevillä dendriittisillä soluilla on kypsymisvikoja (Pearson ym. 2003).

Yllä mainitut ominaisuudet yhdessä tekevät NOD-geenitaustasta ihanteellisen alustan, joka yhdessä scid-mutaation kanssa tuottaa hiiriä, jotka tukevat paremmin ihmisestä peräisin olevien immuunisolujen siirtymistä. NOD-scid-hiiret tukevat jopa 5-kertaisesti suurempaa ihmisen imusolujen siirtymistä verrattuna esimerkiksi C.B-17-scid-hiiriin.

Onko Sirpa?

SirpaNOD-alleeli edistää ihmisen hematopoieettisten kantasolujen (hHSC) tarttumista NOD-alkuisiin immuunipuutteisiin hiiriin.

Kilpailua entistä kehittyneempien NOD-alkuisten immuunipuutteisten hiirien kehittämiseksi on vauhdittanut tarve kehittää ”humanisoituja” hiiriä eli hiiriä, jotka ilmentävät täysin toimintakykyisiä inhimillisiä immuunijärjestelmän soluja hiirikohtaisten vastaaviensa sijasta.

On tiedetty jo yli vuosikymmenen ajan, että NOD-taustaiset immuunipuutteiset hiiret siirtävät ihmisperäisiä hematopoieettisia kantasoluja (HSC) tehokkaammin kuin immuunipuutteiset hiiret muilla geneettisillä taustoilla. Ilmiö selitettiin äskettäin sillä, että NOD-hiirten luuytimen makrofagit ilmentävät signaalisäätelyproteiini alfan (Sirpa) muunnosta, jolla on suurempi affiniteetti ihmisen hematopoieettisiin kantasoluihin (Takenaka ym. 2007; van den Berg ja van der Schoot 2008). NOD-SCID-hiiret, jotka kantavat NOR-hiiristä peräisin olevaa Sirpa-alleelia, joka on läheistä sukua NOD-hiirille, eivät siirrä hHSC-soluja yhtä helposti.

Mitä Sirpa tekee?

SIRPA-proteiini sekä hiirissä että ihmisissä on vuorovaikutuksessa Cd47:n kanssa, ja se kontrolloi useita toimintoja myelooisissa soluissa. Yksi parhaiten dokumentoiduista on SIRPA:n makrofageissa harjoittama isäntäsolujen fagosytoosin negatiivinen säätely, joka on kriittinen ”itsetunnistukselle” ja elinsiirtotoleranssille. Kun makrofageihin sitoutunut SIRPA sitoutuu isäntäsolun Cd47:ään, se synnyttää SHP-1-riippuvaisen estosignaalin, joka estää makrofageja nielemästä Cd47-positiivista solua.

Nykyisin ei kuitenkaan ole selvää, onko SirpaNOD-proteiinin tehostunut sitoutuminen hCD47:ään ja fagosytoinnin estosignaalin aktivoituminen varsinainen mekanismi, joka vastaa hHSC:iden tehostuneesta tarttumisesta NOD-peräisissä immuunipuutteisissa hiirissä.

On syytä huomata, että nyt on saatavilla immunopuutteisia hiiriä, joiden geneettinen tausta ei ole NOD-peräinen ja jotka yliekspressoivat ihmisen SIRPA-proteiinia (esim. C;129S4-Rag2tm1.1Flv Il2rgtm1.1FlvTg(SIRPA)1Flv/J) ja joiden hHSC:iden verensiirtyminen on verrattavissa NSG-hiiriin.

Scid-mutaation siirtäminen NOD-taustalle osoittautui keskeiseksi läpimurroksi, joka sekä edisti ymmärrystämme tyypin I diabeteksesta että johti vankempien pieneläinmallien kehittämiseen monenlaisten ihmisen sairauksien tutkimiseen. Kuka olisi arvannut, että diabeettisesta hiirestä tulisi kiistatta tärkein kantatausta ihmisen sairauksien ksenograft-pohjaisessa tutkimuksessa?