Topi immunodeficienti: la connessione NOD

Caro JAXY: Perché NOD è il background genetico preferito per i topi immunodeficienti?

Come abbiamo discusso in un post precedente, i topi diabetici non obesi (NOD/ShiLtJ) sono uno dei topi più comunemente usati per modellare il diabete insulino-dipendente (Tipo I). Mi colpisce come strano che questo ceppo sarebbe diventato lo sfondo di scelta nello sviluppo di Nod Scid Gamma (NSG) e altri topi gravemente immunodeficienti che hanno rivoluzionato lo sviluppo di modelli umani di cancro e malattie infettive di nuova generazione. Come è successo esattamente?

I topi NOD immunodeficienti fanno progredire sia il diabete che la ricerca sulle malattie infettive umane

Due distinti obiettivi di ricerca hanno guidato lo sviluppo di modelli NOD immunodeficienti:

1) Lo sviluppo di un topo che potrebbe essere usato per scoprire quali cellule immunitarie effettivamente guidano lo sviluppo del diabete autoimmune nei topi NOD.

Come sottolineato in un recente post, i topi NOD-scid (NOD.CB17-Prkdcscid/J), perché sono carenti di cellule B e T, non sviluppano il diabete. Di conseguenza, sono gli ospiti perfetti per il trasferimento adottivo di cellule T e B da topi NOD diabetici per studiare i loro ruoli nello sviluppo del diabete autoimmune (tipo 1).

2) Lo sviluppo di un topo che sosterrebbe l’incisione a lungo termine di cellule e tessuti umani per studi relativi a malattie infettive umane e cancro.

La Prkdcscid è una mutazione spontanea inizialmente caratterizzata in un ceppo congenito BALB/c chiamato C.B-17. Sebbene i topi C.B-17-scid siano carenti di cellule T e B, non riescono a sostenere l’incisione a lungo termine delle cellule immunitarie umane che sono fondamentali per lo sviluppo di modelli di piccoli animali per le malattie infettive umane come l’HIV. La spiegazione probabile per la loro limitata capacità di incisione è che i topi C.B-17-scid mantengono la normale funzione delle cellule NK e mieloidi.

Si è scoperto che i topi di razza NOD hanno carenze intrinseche nelle attività chiave delle cellule immunitarie umorali e cellulari che aumenta la carenza immunitaria complessiva dei topi NOD-scid rispetto a C.B-17-scid o C57BL/6-scid (B6.CB17-Prkdcscid/SzJ) – topi.

Carenze immunitarie intrinseche nei topi NOD che aumentano le carenze immunitarie geneticamente indotte

I topi di razza NOD sono caratterizzati dalle seguenti carenze immunitarie intrinseche:

1) Assenza di complemento circolante. Il sistema del complemento è una componente multi proteica del sistema immunitario innato che assiste gli anticorpi e le cellule fagocitarie nella distruzione e nell’eliminazione degli agenti patogeni dall’ospite.

Normalmente, un sottogruppo di proteine del complemento forma complessi che bucano la membrana cellulare di un patogeno e lisciano la cellula invasore. I topi NOD, così come molti altri ceppi di razza, sono omozigoti per una delezione nel gene del complemento emolitico (Hc) che impedisce l’espressione della proteina del complemento Hc (nota come C5). Senza C5 funzionale, le proteine del complemento non riescono ad assemblarsi e gli agenti patogeni invasori sfuggono ai loro effetti dannosi.

2) Cellule Natural Killer (NK) difettose. Rispetto ai topi BALB/c e C.B-17, i topi di razza NOD hanno un’attività delle cellule NK gravemente ridotta (Kataoka et al. 1983). Le cellule NK sono una classe di cellule citotossiche del sistema immunitario innato che rispondono rapidamente alle cellule infettate da virus in assenza di anticorpi.

Importante, l’attività delle cellule NK è un ostacolo importante all’incisione di cellule ematopoietiche umane nei topi. Pertanto, la ridotta funzione delle cellule NK nei topi NOD migliora notevolmente l’incisione delle cellule umane.

3) Differenziazione e deficit funzionali nei macrofagi e nelle cellule che presentano l’antigene (APC). I macrofagi e le APC sono cellule immunitarie che sono importanti nel fagocitare gli agenti patogeni. La successiva visualizzazione di antigeni derivati dagli agenti patogeni sulla superficie cellulare delle APC è fondamentale per innescare risposte immunitarie adattative.

I macrofagi dei topi di razza NOD conservano molte delle caratteristiche dei macrofagi delle cellule immature e hanno deboli risposte funzionali (Serreze et al. 1993). Le cellule dendritiche presentanti l’antigene nei topi NOD mostrano anche difetti di maturazione (Pearson et al. 2003).

Composti, gli attributi di cui sopra rendono il background genetico NOD una piattaforma ideale che, in combinazione con la mutazione scid, produce topi che supportano una migliore incisione di cellule immunitarie di derivazione umana. Infatti, i topi NOD-scid supportano livelli fino a 5 volte superiori di incisione di cellule linfoidi umane, rispetto ad esempio ai topi C.B-17-scid.

Hai Sirpa?

L’allele SirpaNOD promuove l’incisione di cellule staminali ematopoietiche umane (hHSCs) in topi immunodeficienti derivati da NOD.

La corsa allo sviluppo di topi immunodeficienti derivati da NOD ancora più avanzati è stata alimentata dalla necessità di sviluppare topi “umanizzati” – cioè topi che esprimono cellule immunitarie umane completamente funzionali al posto delle loro controparti murine.

È noto da oltre un decennio che i topi immunodeficienti con il background NOD incidono cellule staminali ematopoietiche umane (HSC) in modo più efficiente dei topi immunodeficienti su altri background genetici. Questo fenomeno è stato spiegato recentemente dalla scoperta che i macrofagi nel midollo osseo dei topi NOD esprimono una variante della proteina alfa di regolazione del segnale (Sirpa) che ha una maggiore affinità per le cellule staminali ematopoietiche umane (Takenaka et al. 2007; van den Berg e van der Schoot 2008). I topi NOD-SCID che portano un allele Sirpa dai topi NOR, un ceppo che è strettamente correlato al NOD, non incidono le hHSCs così prontamente.

Cosa fa Sirpa?

La proteina Sirpa sia nel topo che nell’uomo interagisce con Cd47, e controlla molteplici funzioni nelle cellule mieloidi. Una delle meglio documentate è la regolazione negativa da parte di SIRPA nei macrofagi della fagocitosi delle cellule ospiti, fondamentale per il “riconoscimento di sé” e la tolleranza al trapianto. Quando la SIRPA legata ai macrofagi si lega al Cd47 della cellula ospite, genera un segnale inibitorio SHP-1-dipendente che impedisce ai macrofagi di inghiottire la cellula Cd47-positiva.

Al momento non è chiaro, tuttavia, se il maggiore legame della proteina SirpaNOD a hCD47 e l’attivazione di un segnale inibitorio fagocitario sia il meccanismo effettivo responsabile dell’incisione migliorata delle hHSC nei topi immunodeficienti derivati da NOD.

E’ da notare che sono ora disponibili topi immunodeficienti su sfondi genetici non derivati dai NOD che sovraesprimono la proteina umana SIRPA (per esempio C;129S4-Rag2tm1.1Flv Il2rgtm1.1FlvTg(SIRPA)1Flv/J) e mostrano livelli di incanalamento delle hHSCs paragonabili ai topi NSG.

Il trasferimento della mutazione scid sul background NOD si è rivelato una svolta fondamentale che ha fatto progredire la nostra comprensione del diabete di tipo I e ha portato allo sviluppo di modelli animali più robusti per studiare una vasta gamma di malattie umane. Chi sapeva che il topo diabetico sarebbe diventato, probabilmente, il ceppo di fondo più importante nella ricerca sulle malattie umane basata sullo xenotrapianto?