Nature長文：「臟」小鼠可能更有研究價值

本文轉載自「生命奧秘」。

在2月一個異常溫暖的早晨，明尼蘇達大學（University of Minnesota）的免疫學家Mark Pierson開了20分鐘的車，他要前往明尼阿波利斯的一家大型寵物店。Pierson經常來這裡買小鼠，所以大部分員工都認識他。那天，他要買十隻小鼠，於是員工從玻璃盒子里取小鼠。Pierson想要體型較小的小鼠，因為一般體型大小和年齡正相關，但他的要求也沒有那麼嚴苛。因為這些小鼠無論大小，都攜帶了他想要的東西——細菌。

這些小鼠即將進入美國監控最嚴密的實驗室之一，該實驗室通常用於研究諸如肺結核（tuberculosis）和基孔肯亞病毒（chikungunya virus）等危險病原體。這些從寵物店購買的小鼠雖然可能沒有攜嚴重的人類感染，但它們攜帶了對該建築物中數百個其它研究小鼠來說是嚴重威脅的病原體。

來自寵物店的小鼠很快就會有新的室友。每個小鼠都會與一群黑色的實驗室小鼠混養在一起，分享食物、水、窩和最重要的病原體。此前，這些實驗小鼠一直被飼養在一個乾淨的環境中，沒有接觸過大多數疾病病原，所以其中一些在和寵物小鼠混養後，會生病並死亡。活下來的實驗室小鼠將發育出更強大的免疫系統，並更像野生小鼠——也更接近人類的真實情況。

Pierson的做法實際上違反了實驗室的規定。50多年來，科學家一直在努力使實驗鼠變得更清潔。在現在的大多數實驗中，動物的籠子、水和食物都經過了消毒。明尼蘇達大學（University of Minnesota）的免疫學家、Pierson所在實驗室的負責人David Masopust指出，他們竭盡全力保持小鼠生活環境的潔凈。這些努力得到了回報：隨著病原體等複雜因素得到控制，小鼠實驗的結果變得越來越穩定了。

但是現在大量的研究表明，這種清潔也會帶來負面影響——嚙齒動物的免疫系統的發育變得遲緩了。為了尋求標準化和無污染的小鼠，科學家使這些實驗小鼠無法可靠地模擬人類的免疫系統，因為人類生活在充滿微生物的世界，這導致了一些在小鼠模型上大獲成功的新療法和疫苗無法轉化成臨床手段。雖然目前沒有將臨床試驗的失敗歸因於實驗鼠過度乾淨的明確證據，但Masopust認為這個因素在其中扮演了一定角色。根據Hay, M., Thomas等人的估計（Hay, M., Thomas, D. W., Craighead, J. L., Economides, C. & Rosenthal, J. Nature Biotechnol. 32, 40–51 (2014).），90％的藥物進入臨床試驗時會失敗，這並不是秘密，因為對動物有效的治療在人身上的轉化率很低。Masopust表示，這種情況讓他們不得不懷疑，過度清潔的實驗鼠有時的確會提供一些錯誤信息。

這就是為什麼Masopust等人正在開發更加複雜的模型，以便更好地模擬免疫系統在自然界中的發育方式。有些團隊會讓小鼠感染一些疾病，而其他團隊則將天然微生物引入小鼠體內。但飼養這些「被污染的」小鼠可能會有風險。哥倫比亞密蘇里大學（University of Missouri）的微生物組研究人員Aaron Ericsson指出，寵物店裡的小鼠攜帶了太多的病菌了。實驗動物管理者非常重視生物安全，並且小鼠是一種寶貴的資源。最棘手的莫過於，小鼠實驗室可能會爆發大規模的疫情。

散布細菌

Masopust在十多年前就開始考慮清潔問題。得知實驗小鼠的免疫組成與人體的免疫組成有很大差異時，他非常驚訝。當時，許多研究人員認為這是因為遺傳學上的差異而造成的，但Masopust懷疑，部分原因可能在於實驗鼠生活的環境。他一直在思考：這是小鼠的問題嗎？還是不僅僅是小鼠的問題？

為了解答這個問題，Masopust開始比較實驗小鼠、從寵物店購回的小鼠以及從穀倉里抓到的小鼠的免疫組成。實驗鼠的血液中抗癌和抗感染記憶T細胞——先前曾接觸過病原體的免疫細胞——非常少。同時，實驗鼠的身體其它組織中幾乎也沒有T細胞。人類、野生小鼠和寵物店小鼠的多個組織中則都有這些記憶T細胞。總體而言，實驗小鼠的免疫系統看起來非常「原始」，更像人類嬰兒，而非成人的免疫系統。

Masopust懷疑過去的感染是重要原因。如果是這樣的話，他認為可以通過將實驗鼠暴露於感染因子，而誘發實驗小鼠免疫系統的變化。如果實驗鼠的問題在於過於潔凈，那麼讓它們變髒能解決問題嗎？

他設計了一個看似簡單的實驗：將一隻寵物商店的小鼠放入一個裝有幾隻實驗鼠的籠子里。實驗室小鼠會被感染上寵物店小鼠攜帶的各種病原體——從皮毛蟎、蜱蟲到小鼠肝炎——也許免疫學上會更像寵物店的小鼠。明尼蘇達大學與Masopust合作的免疫學家Stephen Jameson指出，這種共住方式「會讓傳統的實驗室小鼠更貼近人類可能具有的正常免疫體驗」。

但是有一個棘手之處，研究人員不知道該將這些帶病的小鼠飼養於何處。Masopust表示，他不能讓生病小鼠污染同事的小鼠。當他首次與動物飼養管理人員討論實驗時，「大家肯定都會擔心」。但幸運的是，明尼蘇達大學即將在Masopust的實驗樓里建造一個高度隔離的實驗室。該設施專為生物安全三級（BSL-3）研究而設計，這意味著它可以安全地隔離可以感染人類的病原體。同時，它也可以防止帶病小鼠將病原體傳播給其它小鼠。2013年，Masopust等人設法申請到了一個房間。Masopust指出，他很幸運，BSL-3動物房利用率不高。為了增加收入，管理中心允許對外開放。現在，這個房間里有一整排小鼠籠子，裡面一共有500隻小鼠，每隻籠子里都有幾隻實驗鼠和一隻寵物店小鼠。

在與寵物店小鼠同居一個月後，「變髒」的實驗小鼠開始擁有了很多與野生和寵物店小鼠一樣的免疫特徵。它們比正常實驗小鼠具有更多的分化記憶T細胞，並且它們也發育出了組織駐留記憶T細胞（tissue-resident memory T cells）。標準的實驗室小鼠的免疫相關基因活性譜與新生嬰兒差不多，而寵物店小鼠和與其同居的實驗室小鼠的基因活性特徵則與成年人更接近。當使用單核細胞增生李斯特氏菌（Listeria monocytogenes）感染這些「臟」了的實驗室鼠時，研究人員發現「臟」小鼠的抵抗力比乾淨的小鼠強得多：前者感染三天後攜帶的細菌數量下降超過四個數量級，這與接種過相應疫苗的實驗鼠的反應差不多。

Masopust在BSL-3實驗室工作後不久，華盛頓大學（Washington University）的免疫學家Herbert Virgin等人獨立開展了一個類似的項目，以了解實驗小鼠的免疫系統。但他們並沒有使用寵物店小鼠來誘發感染，而是決定自己誘發感染，這種方法更容易控制變數。Virgin當時實驗室中的一員、後就業於德克薩斯大學西南醫學中心（德克薩斯大學西南醫學中心）的免疫學家Tiffany Reese表示，作為一個訓練有素的病毒學家，他想知道小鼠感染了什麼病原體。

他們選擇了四種病原體：兩種皰疹病毒，一種流感病毒和一種長期感染小鼠小腸的腸寄生蟲（helminth）。這幾種病原體與發展中國家經常感染兒童的病原體相似。研究人員一次用一種病原體感染小鼠，並且每次感染之後留足時間讓小鼠恢復——與人感染相同，恢復，然後再次感染。同時，給另一組小鼠用鹽水進行模擬接種。最後的免疫測試是接種黃熱病（yellow fever）疫苗，該疫苗是減毒活疫苗。

與Masopust的小組一樣，Virgin注意到接受了感染的小鼠發生了顯著的變化。它們的基因表達譜和對疫苗的反應與對照組不同：起初，對照組和實驗組具有相同的抗體應答，但一個月後，被感染的實驗組小鼠具有較低的抗體水平。目前尚不清楚這種差異是否會影響疫苗的效果。Virgin指出，他認為監管機構可能不在乎這是否有任何特定用途。儘管如此，他希望這些「更臟」的模型能夠幫助我們更好地理解免疫系統。

野性的召喚

其他研究人員選擇寵物店以外的方式尋找攜帶病原體的小鼠。美國糖尿病、消化和腎臟疾病研究所（US National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases，NIDDKD）的免疫學家Stephan Rosshart驅車幾百公里去馬里蘭州的各個穀倉和哥倫比亞特區的各個馬廄設陷阱捕捉野生小鼠。

Rosshart於2013年加入了NIDDKD免疫學家Barbara Rehermann的實驗室，隨後他們開始深度調研關於生活在大型生物體表面和體內的微生物的文獻。研究表明，微生物組對免疫系統有巨大的影響，但他們發現的大多數論文都是基於兩種實驗室小鼠進行的比較：其中一些攜帶實驗室衍生的微生物組和另一些完全沒有微生物組。Rosshart想知道，如果他給實驗室小鼠一個野生的微生物群體，會發生什麼？這將保留實驗室小鼠的遺傳背景，但使其生理更接近野生鼠。

Rosshart對野生小鼠有特殊的要求：他想要一個成年野生小鼠，與實驗室小鼠基因相似，沒有病原體，因此不會污染NIH的其它小鼠。Rehermann試圖說服Stephan，認為這是一個非常糟糕的研究想法，操作難度很高。但Rosshart不為所動。每天早上，Rosshart都會開車到3到10個穀倉，檢查100多個只小鼠陷阱，然後將抓到的小鼠帶回NIH。隨後，他會解剖這些小鼠，並且保存它們的組織和糞便。到了晚上，他再次去收集小鼠，並重新往陷阱中投放花生醬。因此，他每天從凌晨4點半開始工作，直到午夜才結束。他就這樣每周工作7天，持續了兩個月。Rosshart指出，剛開始這麼做的時候，自己還是覺得很有趣的，到後面就覺得繁瑣了。

最終，Rosshart一共處理了800多隻小鼠，並選出三隻遺傳學類似、沒有病原體的野生小鼠。他們將這幾隻小鼠糞便中的微生物轉移到懷孕的無菌小鼠身上。當這些小鼠分娩時，它們會將微生物傳給幼崽。該團隊將這些小鼠與微生物群體來源於已消毒的實驗室環境的無菌小鼠進行了比較。

他們用流感病毒感染這些小鼠：92％的野生微生物組小鼠活下來了，而標準實驗室微生物組小鼠只有17％的存活率。當研究人員將兩組小鼠暴露於導致結腸癌的化學物質時，野生微生物組小鼠的癌症病情也相對輕。對此，Rehermann指出，他們的假設是，如果你讓實驗室小鼠更像自然環境中的小鼠，那麼這些小鼠也更像生活在自然環境中的人類。

然而，更「野生」並不總是會導致更強的抗感染力。上個月，新澤西州普林斯頓大學（Princeton University）進化生態學家Andrea Graham等人表示，「野生化」的實驗室小鼠更易發生蠕蟲感染。Graham讓實驗室小鼠在8個室外籠子里自由行動。當她投入第一批時，小鼠立即開始探索圍欄，挖洞和吃東西。Graham指出，小鼠很開心，玩了好幾個通宵。小鼠遇到的微生物顯著影響了它們控制某些寄生蟲的能力。Graham實驗室的小鼠傾向於很快清除寄生蟲感染。但戶外組的小鼠「在幾周內都擺脫不了蠕蟲」。研究人員仍然試圖探索可能的原因，這可能有助於揭示免疫系統如何在更自然的環境中工作。Rosshart表示，或許免疫系統優先處理致命的微生物——病毒和細菌，然後再處理非致命的感染，如蠕蟲。Graham表示，免疫反應不可能完美對抗一切。

紐約實驗動物的飼養者和供應商Taconic Biosciences公司的微生物組產品和服務負責人Alexander Maue表示，「臟」小鼠模型讓學界很興奮。從多個角度來說，這些研究都具有里程碑意義。這些「骯髒」的小鼠將使研究人員「能夠看到在正常小鼠模型中不會發現的保護性免疫的不同機制。

大眾模型

但研究人員還不知道哪些模型最適合研究哪些問題。例如，在Masopust的研究中，每組實驗小鼠獲得不同的病原體組合。Masopust指出，這有好有壞，因為人類的病原體也是多樣化的。而在Virgin的設計中，小鼠則得到了一套確定的病原體，但對免疫系統的影響並不那麼大。

英國愛丁堡大學（University of Edinburgh）的免疫學家Eleanor Riley指出，這些模型都不能完全複製大自然中的真實情況。野生小鼠在許多方面與實驗室小鼠不同：飲食、性別、日光或溫度都會有差異。她認為我們需要更多地與生態學家和動物學家一起工作，看看現實世界。單純採取簡化的方法是會存在風險的。

Virgin表示，即使在實驗室建立這種簡單版本的野生動物模型也是頭痛的問題。他感覺大家都意識到實驗動物野生化很重要，但問題是這需要很多基礎設施。雖然野生微生物模型解決了病原體接觸的問題，但正如Rosshart所知道的，捕獲野生小鼠是極其麻煩的事情。

野生化的小鼠模型是否比標準的實驗小鼠更能代表人類的狀況——並為藥物開發提供更好的測試模型——還有待觀察。理想的實驗可能需要在新模型中測試在臨床試驗中失敗的療法，以查看其結果是否與人類試驗結果相同。

Masopust的小組正在與兩家製藥公司合作展開這類實驗。他們選擇了一種在人體研究中失敗的療法，該公司想知道這些野生化小鼠是否可以預測這種失敗。另一個項目要求Masopust使用他的小鼠來測試在乾淨的小鼠身上效果顯著的候選療法。初步的數據表明該療法對「臟」小鼠無效。

其他實驗室也開始飼養「臟」小鼠。西雅圖貝納羅亞研究所（Benaroya Research Institute）的免疫學家Daniel Campbell去年12月從NIH那獲得了一筆資助，建立了自己的野生化實驗鼠。他的團隊想要測試他們為自身免疫病（免疫系統攻擊自身組織引起的疾病）開發的治療方法。新療法似乎對無菌小鼠非常有效。但他指出，很多在無菌小鼠上有效的療法在臨床試驗中都失敗了。Campbell認為，「臟」的小鼠比標準的實驗小鼠的免疫系統更發達，這可能是一種更現實的模型，可以用來測試這些療法。例如，「臟」小鼠可以更好地檢測到不需要的副作用。安全是大問題。

Campbell指出，讓野生鼠與無菌鼠同居一直是非常有挑戰性的做法，但他認為這是值得的。他的許多同事都希望用「臟」小鼠去研究一些問題。Campbell認為很多人對這個有興趣，他們都想嘗試。

原文檢索：

Cassandra Willyard. (2018) Squeaky clean mice could be ruining research. Nature, 556: 16-18.

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