Immunodeficiënte muizen: de NOD connectie

Daar JAXY: Waarom is NOD de geprefereerde genetische achtergrond voor immuundeficiënte muizen?

Zoals we in een eerder bericht hebben besproken, zijn niet-obese diabetische (NOD/ShiLtJ) muizen een van de meest gebruikte muizen om insuline-afhankelijke (Type I) diabetes te modelleren. Het komt mij vreemd voor dat deze stam de achtergrond bij uitstek zou worden bij de ontwikkeling van Nod Scid Gamma (NSG) en andere ernstig immunodeficiënte muizen die een revolutie teweeg hebben gebracht in de ontwikkeling van volgende-generatie humane kanker- en infectieziektemodellen. Hoe is dit precies gebeurd?

Immunodeficiënte NOD muizen bevorderen zowel diabetes als menselijk infectieziekten onderzoek

Twee verschillende onderzoeksdoelen dreven de ontwikkeling van NOD immunodeficiënte modellen aan:

1) De ontwikkeling van een muis die kan worden gebruikt om te ontdekken welke immuuncellen eigenlijk de ontwikkeling van auto-immuun diabetes in NOD muizen aandrijven.

Zoals uiteengezet in een recente post, ontwikkelen NOD-scid muizen (NOD.CB17-Prkdcscid/J), omdat ze B- en T-cel-deficiënt zijn, geen diabetes. Bijgevolg zijn zij de perfecte gastheren voor de adoptieve overdracht van T- en B-cellen van diabetische NOD-muizen om hun rol in de ontwikkeling van auto-immuun (type 1) diabetes te onderzoeken.

2) De ontwikkeling van een muis die langdurige enting van menselijke cellen en weefsels zou ondersteunen voor studies in verband met menselijke infectieziekten en kanker.

De Prkdcscid is een spontane mutatie die aanvankelijk werd gekarakteriseerd in een BALB/c congenic stam genaamd C.B-17. Hoewel C.B-17-scid-muizen zowel T- als B-cel deficiënt zijn, slagen zij er niet in de menselijke immuuncellen die van cruciaal belang zijn voor de ontwikkeling van kleine diermodellen voor menselijke infectieziekten zoals HIV, op lange termijn te enten. De waarschijnlijke verklaring voor hun beperkte entingscapaciteit is dat C.B-17-scid muizen normale NK- en myeloïde celfuncties behouden.

Het blijkt dat NOD-gefokte muizen inherente tekortkomingen hebben in belangrijke humorale en cellulaire immuuncelactiviteiten die de algemene immuundeficiëntie van NOD-scid muizen versterken in vergelijking met C.B-17-scid of C57BL/6-scid (B6.CB17-Prkdcscid/SzJ) -muizen.

Inherente immuundeficiënties bij NOD-muizen die genetisch geïnduceerde immuundeficiënties versterken

NOD-gefokte muizen worden gekenmerkt door de volgende inherente immuundeficiënties:

1) Afwezigheid van circulerend complement. Het complementsysteem is een meervoudig eiwit-gebaseerde component van het aangeboren immuunsysteem dat antilichamen en fagocytische cellen helpt bij het vernietigen en opruimen van ziekteverwekkers uit de gastheer.

Normaal vormt een subgroep van complements-eiwitten complexen die gaten in het celmembraan van een ziekteverwekker prikken en de binnendringende cel lyseren. NOD-muizen, evenals verschillende andere inteeltstammen, zijn homozygoot voor een deletie in het hemolytische complement (Hc)-gen dat de expressie van Hc (ook wel C5 genoemd) complementproteïnen verhindert. Zonder functioneel C5 kunnen complementproteïnen zich niet verzamelen en ontsnappen binnendringende ziekteverwekkers aan hun schadelijke effecten.

2) Defecte Natural Killer (NK) cellen. In vergelijking met BALB/c en C.B-17 muizen, hebben NOD inteeltmuizen een sterk verminderde NK cel activiteit (Kataoka et al. 1983). NK cellen zijn een klasse van cytotoxische cellen in het aangeboren immuunsysteem die snel reageren op viraal geïnfecteerde cellen in afwezigheid van antilichamen.

Belangrijk is dat NK cel activiteit een belangrijke belemmering is voor de transplantatie van menselijke hematopoietische cellen bij muizen. Daarom verbetert de verminderde NK-celfunctie in NOD-muizen de enting van menselijke cellen aanzienlijk.

3) Differentiatie en functionele tekorten in macrofagen en antigeenpresenterende cellen (APC’s). Macrofagen en APC’s zijn immuuncellen die belangrijk zijn bij het opslokken van ziekteverwekkers. De daaropvolgende weergave van antigenen afkomstig van de pathogenen op het celoppervlak van het APC is de sleutel tot het op gang brengen van adaptieve immuunreacties.

Macrofagen van NOD inteeltmuizen behouden veel van de kenmerken van onrijpe cellen macrofagen en hebben zwakke functionele reacties (Serreze et al. 1993). Antigeen-presenterende dendritische cellen in NOD muizen vertonen ook rijpingsdefecten (Pearson et al. 2003).

Gecombineerd maken de bovenstaande eigenschappen de NOD genetische achtergrond tot een ideaal platform dat, in combinatie met de scid mutatie, muizen produceert die betere engraftment van mens-afgeleide immuuncellen ondersteunen. NOD-scid muizen ondersteunen zelfs tot vijfmaal hogere niveaus van menselijke lymfoïde celentransplantatie, in vergelijking met bijvoorbeeld C.B-17-scid muizen.

Got Sirpa?

Het SirpaNOD-allel bevordert de enting van menselijke hematopoëtische stamcellen (hHSC’s) in NOD-afgeleide immunodeficiënte muizen.

De race om nog geavanceerdere NOD-afgeleide immunodeficiënte muizen te ontwikkelen is gevoed door de behoefte om “gehumaniseerde” muizen te ontwikkelen – dat wil zeggen muizen die volledig functionele menselijke immuuncellen tot expressie brengen in plaats van hun muizentegenhangers.

Het is al meer dan een decennium bekend dat immunodeficiënte muizen met de NOD achtergrond menselijke hematopoietische stamcellen (HSCs) efficiënter enten dan immunodeficiënte muizen met andere genetische achtergronden. Dit fenomeen werd onlangs verklaard door de ontdekking dat macrofagen in het beenmerg van NOD muizen een variant van het signaalregulerend eiwit alfa (Sirpa) tot expressie brengen dat een hogere affiniteit heeft voor menselijke hematopoietische stamcellen (Takenaka et al. 2007; van den Berg en van der Schoot 2008). NOD-SCID muizen die een Sirpa allel dragen van NOR muizen, een stam die nauw verwant is aan NOD, enten minder gemakkelijk hHSC’s.

Wat doet Sirpa?

SIRPA eiwit in zowel muizen als mensen heeft een interactie met Cd47, en controleert meerdere functies in myeloïde cellen. Een van de best gedocumenteerde is de negatieve regulatie door SIRPA in macrofagen van de fagocytose van de gastheercel, cruciaal voor “zelfherkenning” en transplantatietolerantie. Wanneer macrofaag-gebonden SIRPA bindt aan gastheercel Cd47, genereert het een SHP-1-afhankelijk remmend signaal dat voorkomt dat de macrofagen de Cd47-positieve cel opslokken.

Momenteel is het echter niet duidelijk of de verhoogde binding van SirpaNOD-eiwit aan hCD47 en de activering van een fagocytair remmend signaal het eigenlijke mechanisme is dat verantwoordelijk is voor de verhoogde engraftment van hHSC’s in van NOD-afgeleide immunodeficiënte muizen.

Het is vermeldenswaard dat immunodeficiënte muizen op niet-NOD-afgeleide genetische achtergronden nu beschikbaar komen die het menselijke SIRPA-eiwit overexpresseren (b.v. C;129S4-Rag2tm1.1Flv Il2rgtm1.1FlvTg(SIRPA)1Flv/J) en niveaus van hHSCs-transplantatie laten zien die vergelijkbaar zijn met NSG-muizen.

De overdracht van de scid-mutatie op de NOD-achtergrond bleek een belangrijke doorbraak te zijn die zowel ons begrip van type I-diabetes bevorderde als leidde tot de ontwikkeling van robuustere kleine diermodellen voor het bestuderen van een breed scala van menselijke ziekten. Wie had kunnen denken dat een diabetische muis misschien wel de belangrijkste stam zou worden voor het onderzoek naar xenograften van ziekten bij de mens?