動物模型的建立對攻克疾病到底有多重要?

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臨床上發生的很多疾病之所以沒有得到有效的治療,主要的原因就是因為缺乏對疾病發生原因和機製的瞭解。模式生物,因其自身的代謝系統、心血管系統、消化系統、骨骼發育等系統與人類高度相似、易於培養和觀察、繁殖率高等優點,科學家和臨床研究人員很自然地選擇了模式生物來進行疾病的相關研究。
在針對疾病建立動物模型的過程中,什麼樣的動物模型能真正反應人的疾病?本文小編為您盤點了近期科學家針對疾病所建立的動物模型取得的進展,讓我們一睹為快。
【1】J Virology:研究建立視覺化的埃博拉病毒藥物評價動物模型
國際學術期刊Journal of Virology線上發表了中科院上海巴斯德研究所黃忠課題組的研究成果“An Ebola virus-like particle-based reporter system enables evaluation of antiviral drugs in vivo under non-BSL-4 conditions”(一種基於病毒樣顆粒的報告系統可用於非生物安全4級條件下抗埃博拉病毒藥物的體內評價),該研究成功建立了一種安全有效的埃博拉病毒藥物評價動物模型。
2013-2015年,西非爆發了歷史上最大規模的埃博拉疫情。據世界衛生組織統計,此次疫情直接導致超過28,000人感染,超過11,000人死亡,引起了國際社會的廣泛關注。然而,至今尚無商業化的抗埃博拉病毒藥物或疫苗可供使用。由於埃博拉病毒的高致死性,操作感染性埃博拉病毒必須在生物安全4級(BSL-4)條件下進行。目前,全球僅有30多個BSL-4實驗室,其有限的空間和昂貴的運營成本,不能滿足候選藥物和疫苗高通量篩選及保護效果評價的需求,從而嚴重限制了抗埃博拉藥物和疫苗的研發。
為建立不依賴於BSL-4條件的埃博拉病毒藥物評價動物模型,上海巴斯德所博士研究生李大鵬、碩士研究生陳探等在黃忠研究員的指導下,利用基因工程手段,製備了包裝報告蛋白熒光素酶的埃博拉病毒樣顆粒。這種報告病毒樣顆粒無傳染性,但具有類似於天然埃博拉病毒的絲狀結構,能夠在體外模擬埃博拉病毒入侵細胞,並將所攜帶的熒光素酶傳遞進入靶細胞中,與底物作用後產生可直接檢測的熒光訊號。活體實驗顯示,注射了報告病毒樣顆粒的小鼠在局部產生熒光,可通過活體成像技術對早期侵染進行動態追蹤。進一步研究發現,保護性單克隆抗體13C6可顯著減弱報告病毒樣顆粒在小鼠體內所產生的熒光,證明瞭該系統作為BSL-4實驗室外抗病毒藥物和疫苗保護性評價模型的可行性和有效性。該動物模型具有安全、高效及視覺化等優點,將對全球範圍內抗埃博拉藥物和疫苗的研發產生積極影響。
該研究得到了上海巴斯德所疫苗中心金俠和周東明研究員的科研支援,獲得了中國科學院分子病毒與免疫重點實驗室埃博拉病毒疫情防控應急項目的經費支援。
【2】Nature:科學家證實巴西寨卡病毒可引發動物模型患小頭畸形症
近日,刊登在國際雜誌Nature上的一篇研究報告中,來自加州大學聖地亞哥醫學院、巴西及塞內加爾的研究人員通過研究首次給出直接的實驗證據,即證明巴西寨卡病毒實際上可以引發嚴重的嬰兒出生缺陷。
研究者開發出的這種確定寨卡病毒和小頭畸形因果關係的特殊模型可以作為一種新型工具來幫助評估潛在療法中和病毒的效力,利用這種新型平臺科學家們就可以用來理解為何巴西寨卡病毒如此獨特,同時還可以檢測新型藥物在抑製和病毒感染引發的神經學問題上的作用效果;此外研究者研究者們還開發出了一種強大的動物模型,而這種動物模型或會在測定潛在疫苗抵禦病毒感染過程中被用到。
對小鼠模型的研究表明,小頭畸形或許僅僅揭開了寨卡病毒感染的冰山一角而已,動物往往會在子宮內生長的時候發生生長停滯,而這就從根本上闡釋了母體子宮內較差的胚胎發育情況;目前關於寨卡病毒的媒體報道主要關注於小頭畸形如何影響嬰兒的健康,因為但凡是和小頭畸形相關的圖片都讓人非常觸目驚心,但真正對嬰兒的影響或許是廣泛而且摧毀性的。
隨後研究人員將人類大腦類器官暴露於寨卡病毒中進行研究,類器官是一種來自多能 幹細胞的三維細胞胚芽;研究結果表明,寨卡病毒的感染會導致類器官生長區域的減少並且會幹擾皮質層的發育,此外巴西寨卡病毒還會對其他人類類器官皮質組織異常產生明顯的影響。
研究者Muotri表示,我們在來自黑猩猩的類器官中檢測了寨卡病毒的作用,以此來分析巴西寨卡同非洲寨卡病毒的適應性差異,結果表明,相比非洲寨卡病毒而言,巴西寨卡病毒在來自黑猩猩的類器官中複製率較低,這就表明巴西寨卡病毒或許更加適應於人類機體的環境,當然研究者還希望通過後期研究來調查是什麼樣的 遺傳
特性導致非洲寨卡病毒和巴西寨卡病毒的差異。
【3】Transl Psychiatry:新型動物模型揭示了人類厭食症的發生機製
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神經性厭食症是所有精神疾病中死亡率最高的一種疾病,因此,迫切需要明確這種飲食失調的治療靶點。現在,來自哥倫比亞大學醫學中心(CUMC)的研究人員使用新的小鼠模型描述了導致神經性厭食症發生的 遺傳和環境危險因素,該研究結果已線上發表於Translational Psychiatry。
研究人員推斷厭食症是由於多種危險因素所造成的,包括 遺傳、生物因素,心理和社會文化改變,但是開發新治療方法的主要障礙是缺乏可模擬人類疾病發生的動物模型。
儘管存在一些以前的厭食症動物模型,也包括了一些變數,但是,沒有任何一個動物模型能夠將社會壓力和焦慮及厭食症的 遺傳因素包含在一起。
由於這項研究是在小鼠和非人類身上進行,因此研究人員指出,“總是會有人質疑小鼠模型充分模擬人類中如厭食症一樣複雜的疾病的相似程度。”但是,研究人員表示該模型在很多關鍵的地方準確地反映了促進進食障礙的因素,包括早期生活壓力和BDNF基因變異之間的相互作用,增加了機體的敏感性;以及節食常常導致厭食症的發生,而且其發病高峰是在青春期。
Moneek Madra 博士表示,“本研究中,我們最終建立了的動物模型,幾近複製了引起人類厭食症行為的影響因素。”
目前研究人員正在使用新的小鼠模型,以觀察導致厭食行為的大腦訊號通路。他們希望在不久的將來可以找到厭食症的治療靶點。
【4】Exp Mol Med:動物模型解釋慢性應激加重牙周炎的機製
牙周炎是一種常見的慢性炎症性疾病。近期研究已經表明,慢性應激可以調節牙周病的發生及發展,但是目前建立的關於慢性應激誘導的牙周炎模型並不多,其潛在的機製也尚未清楚。本研究旨在通過建立尼龍線結紮所模擬的慢性應激誘導牙周炎建立小鼠慢性應激-牙周炎模型。
在該模型中,通過影像學和病理學檢查評估小鼠牙周炎的嚴重程度。採用酶聯免疫吸附法檢測血清中白細胞介素(IL)-1β,IL-6和IL-8的水平。通過逆轉錄PCR和免疫蛋白印跡法檢測Toll樣受體4(TLR4)和糖皮質激素受體(GR -α)的表達水平。開場試驗和血清皮質酮用於評估慢性應激。
結果表明,慢性應激可誘導牙周炎小鼠的行為改變,增加其體內皮質酮的水平。慢性應激可顯著加重牙槽骨喪失的水平,加深牙周袋的深度以及菌斑的數目。慢性應激還加重了機體的炎症反應。這些結果表明,慢性應激加速了結紮誘導的與牙周炎有關的病理變化。該機製的進一步分析表明慢性應激小鼠的牙周組織中GR –α的表達顯著降低。體外阻斷脂多糖及皮質類固醇激素所治療的人牙周膜成纖維細胞中的GR –α訊號通路能顯著上調p-Akt和TLR4的表達,促進核因子-κB的活性,並提高IL-1β,IL-6和IL-8的水平。
總而言之,這項研究表明,慢性應激或可通過GR -α訊號介導的炎症反應促進牙周炎的病理髮展,這可能是牙周病治療的潛在治療靶點,尤其是對於處於慢性應激情況下的患者。
【5】Science:二硝基酚在動物模型中成功逆轉2型糖尿病和脂肪肝
耶魯大學研究人員開發了一種控釋口服藥物,可以用來治療2型 糖尿病和脂肪肝,在大鼠模型已經獲得了成功。研究結果發表於Science雜誌上。
基於早期的研究結果,耶魯大學醫學院Gerald I. Shulman博士領銜的研究團隊試圖在動物模型,觀察一種70年前用於減重的藥物--線粒體質子 載體2,4-二硝基酚(DNP)是否能夠安全治療NAFLD/NASH和2型 糖尿病
早期研究結果顯示,DNP相關的藥物毒性與其血漿濃度相關,當血藥濃度高於100倍而未達毒性水平時,可以有效減少肝臟脂肪和肝臟炎症。但是,在人體尚未進行毒性試驗研究。
Shulman博士說:“該藥物低劑量(高於100倍而低於毒性水平)胃內注入NAFLD模型,除可以逆轉脂肪肝外,還可以顯著降低血糖、甘油三酯和胰島素濃度和2型 糖尿病。”
隨後,Shulman和其團隊成員開發了DNP的新的口服、控釋片--CRMP,每日服用一次即可維持血藥濃度超過100倍而低於毒性水平。CRMP治療大鼠NAFLD和2型糖尿病模型,獲得了相似的結果,逆轉了脂肪肝、胰島素耐受和高血糖;在NASH模型治療中,CRMP也可逆轉肝臟炎症和肝纖維化。同時,研究證明CRMP無 不良反應
Shulman表示,鑑於在NAFLD/NASH和2型糖尿病動物模型中獲得的這些有價值的結果,他們將進行臨床前安全性研究,以最終將該藥物應用於臨床。
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【6】Neurocrit Care:新型自發性腦出血動物模型可用地研究造影響劑外溢
自發性腦出血(ICH)會引起造影劑外溢(CE),且預示擴大的血腫和不良的預後。但我們對CE增長和ICH之間的動態關係知之甚少。為此我們在活體動物體內進行研究,並使用一種新的急性 腦出血動物模型來研究顱內血腫的發生機率。
我們根據顱內血腫不對稱增長方式和變化多樣的增長速度速度這兩大特徵定義了CE三個不同的發展階段。第一期為主要增長期(持續時間為160秒;四分位數間距為50 - 130),結果顯示呈線性快速增長方式(0.04 mm / s,IQR為0.01 - -0.10),這一階段佔HE總數的70%-100%;穩定階段(時間持續145秒,IQR為0 - 655);第二個增長期(時間持續300秒,IQR為130 - 600),這一階段佔HE總數的11%-31%。在第一和第二增長期,不對稱增長髮生在相對穩定時期的前後(分別為0.056 mm / s,p = 0.026和0.0112 mm / s,p = 0.03)。單相的有2頭豬(佔14%),即隻顯示增長第一期;雙相的有4頭豬(佔35%)(第一增長階段後出現第二增長階段),和三相的有8頭豬(佔56%)(即出現第一、二增長階段和相對穩定階段)。
我們採用的這種新型的ICE研究模型能夠幫助我們實時瞭解和監測CE的發生率和動態變化,並且我們獲得的資料有助於我們理解ICH的發生原因與轉歸。但是不可否認的是,這對動物是一種傷害。
【7】PLoS Pathog:開發出中東呼吸道冠狀病毒易感的絨猴動物模型
近日,刊登在國際雜誌PLoS Pathogens上的一篇研究論文中,來自國家過敏症和傳染病研究所的就人員通過研究首次開發出了可以模擬中東呼吸道冠狀病毒(MERS-CoV)感染症狀的動物模型,這為開發治療該病毒感染的新型療法和藥物提供了新的研究思路。
文章中,研究者揭示了MERS-CoV如何識別並且侵入人類細胞,該病毒可以利用其表面的突起蛋白來結合人類細胞表面名為DPP4的蛋白,從而使得病毒內陷入細胞中,隨後病毒便開始在細胞中進行自我複製進而將人類機體細胞轉化成為病毒自身的合成工廠。
在動物不同種間DPP4蛋白的變異似乎就決定了其對MERS-CoV感染具有易感性,比如對於老鼠來講,倉鼠或白鼬,其細胞表面的DPP4蛋白和人類機體中的蛋白並不一樣,而且其對MERS-CoV病毒具有耐受性,然而當倉鼠或白鼬感染該病毒後,其僅僅會表現出輕微至中度的感染症狀,並不像人類一樣攜帶高水平的病毒,引發嚴重的疾病甚至死亡。
研究者Heinz Feldmann表示,我們力圖去尋找和人類細胞DPP4蛋白相似的動物,尤其是可以直接同病毒突起蛋白相結合的模式動物,最後我們發現絨猴機體細胞表面的DPP4蛋白和人類的DPP4蛋白具有相同的氨基酸序列。通過三維模型立體分析證實,絨猴和人類細胞表面的DPP4蛋白的差異之處位於DPP4和病毒突起蛋白結合域之外。
因為狨猴或許可以作為研究者們進行MERS-CoV易感研究的模式動物,隨後研究人員對9隻狨猴進行病毒感染,結果顯示所有感染動物均表現出體弱、肺部病毒載量較高階炎症反應等,大多數動物都引發的嚴重的肺炎。研究者表示,我們期待狨猴可以作為我們未來進行MERS-CoV病毒致病機製研究的新型動物模型,這對於我們開發治療MERS-CoV感染的新型療法或許會帶來更大幫助。
【8】Infect Immun:艱難梭菌疫苗在動物模型中有效率達100%
艱難梭菌是一種高度感染性的強毒性 細菌,可導致腸道疾病。美國每年因此而死亡的人數約3萬。《感染與免疫(Infection and Immunity)》一項預發表的研究顯示,實驗疫苗在動物模型中可100%對抗艱難梭菌。
據估算,美國每年用於對抗50萬艱難梭菌感染的花費近100億美元,如有疫苗能成功預防感染,則可節省大部分開支。近10年來,相關患病率和死亡率逐年上升,這很可能是因為復發性疾病、強毒性菌株感染的患病率增加。
該病的治療非常困難,該 細菌的芽孢在院內環境下持續存在,大部分感染發生於此。且對於復發性疾病尚無有效的標準性治療,有少數研究認為艱難梭菌糞便移植對該病的治療成功率極高,且無副作用。
在這項研究中,僅僅兩次疫苗接種即對小鼠和非人靈長類動物提供了保護,幫助其對抗純化的艱難梭菌毒素,以及經口胃芽孢感染(模擬人類疾病的實驗室模型)。
文章的通訊作者、來自費城德雷克賽爾大學醫學院的Michele Kutzler表示,在兩次接種後,受試動物並未患病或表現出艱難梭菌相關疾病的跡象。此 DNA疫苗通過募集對抗毒素的中和性抗體來對抗 細菌毒素。在接種2次後疫苗發揮作用,這需要特別注意,因為人類在艱難梭菌定植和發生症狀間的時間窗僅有10-14天。
感染艱難梭菌的患者有時可發生嚴重併發症,如重度腹瀉、中毒性巨結腸、腸穿孔、多臟器衰竭和死亡。如果完成開發,本項研究中所使用的 DNA疫苗可避免有感染艱難梭菌風險的住院患者受到該菌的致命性影響。

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