本文描述了利用人源化小鼠产生和表征肿瘤特异性T细胞的方法。将人胸腺组织和基因修饰的人造血干细胞移植到免疫缺陷小鼠体内,从而重建工程化的人类免疫系统,以实现在体内研究抗肿瘤免疫应答。
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本文描述了利用人源化小鼠产生和表征肿瘤特异性T细胞的方法。将人胸腺组织和基因修饰的人造血干细胞移植到免疫缺陷小鼠体内,从而重建工程化的人类免疫系统,以实现在体内研究抗肿瘤免疫应答。
小动物模型(如小鼠)已被广泛用于研究人类疾病以及开发新的治疗干预手段。尽管这些研究提供了大量信息,但小鼠免疫系统的独特特性以及病毒性疾病(如人类免疫缺陷病毒(HIV)感染)的物种特异性,促使了人源化小鼠模型的发展。早期的模型包括使用 C. B 17 scid/scid 小鼠,并移植人类胎儿胸腺和胎儿肝脏,称为胸腺/肝脏(thy/liv)模型(SCID-hu)1, 2,或过继转移人类外周血白细胞(SCID-huPBL)3。这两种模型主要用于HIV感染的研究。
这两种模型的主要局限性之一是外周血中人免疫细胞的重建不够稳定,导致其在研究艾滋病疾病时的生理相关性不足。为解决这一问题,开发了BLT人源化小鼠模型。BLT是骨髓/肝脏/胸腺(bone marrow/liver/thymus)的缩写。在该模型中,6至8周龄的NOD.Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/SzJ(NSG)免疫缺陷小鼠首先接受胸腺/肝脏组织植入(与SCID-hu小鼠模型相同),随后再进行第二次人造血干细胞移植4。该系统的优势在于能够在外周完全重建人类免疫系统。该模型已被用于研究HIV感染及潜伏感染5-8。
我们对该模型进行了改良,使用基因修饰的人类造血干细胞(hHSC)构建胸腺/肝脏植入物,随后注射经转导的自体hHSC7, 9。该方法可产生基因修饰的细胞谱系。更重要的是,我们对该系统进行了改进,以评估生成表达黑色素瘤特异性T细胞受体的功能性细胞毒性T细胞(CTL)的潜力。利用该模型,我们通过活体正电子发射断层扫描(PET)成像技术评估了转基因CTL的功能,以确定肿瘤退缩情况(9)。
本实验方案的目的是描述如何制备这些转基因小鼠,并利用活体PET成像评估其体内功效。需要说明的是,由于我们使用人源组织和慢病毒载体,实验设施符合美国疾病控制与预防中心(CDC)和美国国立卫生研究院(NIH)规定的生物安全二级(BSL2)标准,并采取特殊防护措施(BSL2+)。此外,NSG小鼠免疫系统严重缺陷,因此其饲养和维护必须符合最高健康标准(http://jaxmice.jax.org/research/immunology/005557-housing.html)。
A. BLT 小鼠的制备
BLT小鼠的制备分为三个部分:(1)胎儿组织处理及人CD34+造血干细胞的制备,(2)人组织移植,(3)二次移植。对于所有实验方案,我们提供了包含试剂信息的表1。
1. 组织处理与人CD34造血干细胞的分离
可使用新鲜的胎儿组织,或从各器官获取机构通过冰上连夜运输送达的组织。胎儿组织通常并非无菌,这一点可通过每毫升周围培养基在血琼脂上产生1000个细菌菌落得到证实。我们常规使用40 ml无菌PBS对组织进行两次洗涤。尽管该步骤无法完全去除所有细菌,但可决定移植实验系列的成功与否,避免大多数受体小鼠因细菌感染而死亡。作为额外步骤,为进一步消毒组织,我们将细胞悬液在含有抗生素的培养基中进行培养。
1.1 胎儿胸腺组织的处理
1.2 胎肝组织的处理
1.3 CD34 造血干细胞的分选与转导
2. 组织移植
该步骤的目的是将人胎儿胸腺/肝脏类器官移植到NSG小鼠的肾包膜下。此类器官能够更好地模拟人类T细胞的选择和成熟过程,因为人造血干细胞将利用人胸腺而非小鼠胸腺作为其分化为不同T细胞及其他淋巴细胞谱系的场所。在移植过程中使用CD34-细胞的目的是重建胎儿肝脏间质,从而促进移植物更有效地移植和生长。所用NSG小鼠的年龄为6-8周龄。
3. 二次移植
在BLT小鼠制备过程中,此步骤的目的是利用人源造血干细胞重建小鼠骨髓。步骤(2)中移植的组织块不足以支持小鼠体内人免疫系统的完全重建。在二次移植过程中,我们对小鼠进行亚致死剂量照射,以清除其骨髓中的小鼠源性骨髓细胞,从而为人源CD34+细胞的植入创造“空间”。
B. 体内 正电子发射断层扫描(PET)
在我们的研究中,通过检测葡萄糖摄取([18F]-氟代脱氧葡萄糖([18F]FDG)来评估肿瘤代谢活性,因此小鼠在成像前需禁食4-6小时。MicroPET/CT扫描使用microPET Inveon扫描仪(Siemens Preclinical Solutions)和MicroCATII CT扫描仪(Siemens Preclinical Solutions)进行。图像分析采用OsiriX(Pixmeo,瑞士)软件完成。本方法的目标是测量肿瘤的代谢活性,并最终利用PET成像替代传统的物理测量方法来评估肿瘤退缩情况。如图2所示,我们发现某些肿瘤根据其外观和大小判断似乎未被靶向作用,但活体PET成像却显示出广泛的组织坏死。该方法可作为评估肿瘤退缩更为敏感且准确的指标。
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移植过程的流程图见图1A。图1B显示了thy/liv移植物的照片。胸腺组织发育正常,并具有人CD4和CD8 T细胞的生理性分布。在重建完成后,动物体内携带人类免疫系统,其中CD4、CD8 T细胞及其他免疫细胞谱系分布正常。
肿瘤大小与活体组织之间的差异如图2所示。尽管CT扫描(灰色区域)显示存在较大的肿瘤生长,体内 PET成像却表明其大部分为坏死组织和瘢痕组织(图2)。这凸显了PET成像在评估肿瘤退缩和清除方面具有更高的敏感性和准确性,是一种更为有效的手段。
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改良的BLT人源化小鼠模型结合体内 PET成像技术,是研究慢性人类疾病的有力工具。该系统在BLT小鼠模型的基础上,将其应用范围从局限于HIV研究扩展至更广泛的领域。此外,该模型为我们提供了一个理想的平台,可在临床应用之前评估多种基因治疗方案及诊断技术。加之使用小鼠相较于灵长类动物具有成本低的优势,使得该模型具有极高的实用价值。
PET成像技术使我们能够评估该方法的有效性。如果我们仅依赖对肿瘤的物理测量,就会低估转基因T细胞所引发的抗肿瘤反应的强度。广泛的瘢痕组织和坏死组织呈现出大肿瘤的外观,而实际上这些是已经死亡的组织。
总之,改良的BLT小鼠模型的应用可拓展至其他疾病模型。尽管该模型仍存在一些缺点,例如小鼠寿命较短,但它仍可成为一种非常有力的工具 体内 评估人类免疫系统的多个方面,测试并开发新型治疗干预手段。
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未声明任何利益冲突。
我们感谢 Alvin Welch 和 Larry Pang 提供的技术支持。本工作部分由美国国立卫生研究院(NIH)资助项目 P50 CA086306、加州再生医学研究所(CIRM)资助项目 RC1-00149-1 和 RS1-00203-1、CIRM 新教员奖 RN2-00902-1、加州理工学院-加州大学洛杉矶分校转化医学联合中心、加州大学洛杉矶分校艾滋病研究中心(CFAR)NIH/NIAID AI028697、加州大学洛杉矶分校艾滋病研究所、CIRM 工具与技术奖 RT1-01126,以及加州抗病毒药物发现中心多校区研究计划与倡议(编号 MRPI-143226)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| PBS | Invitrogen | 10010049 | |
| RPMI 1640 | A1049101 | ||
| Iscove's 培养基 | 12440061 | ||
| 胎牛血清 | 16000085 | ||
| IV型胶原酶 | Sigma Aldrich | C5138 | |
| 透明质酸酶 | H3506 | ||
| DNase I | Roche Diagnostics | 10104159001 | |
| Piptazo (Zosyn) | Pfizer | 哌拉西林/他唑巴坦组合 | |
| Ficoll (Ficoll-Paque Plus) | GE Healthcare Life Sciences | 17-1440-02 | |
| MACS 缓冲液 | Miltenyi Biotech | 见注释 | MACS缓冲液:含0.5%胎牛血清和2 mM 枸橼酸右旋葡萄糖溶液-A的PBS |
| CD34 微珠试剂盒 | 130-046-702 | ||
| LS 柱 | 130-042-401 | ||
| Retronectin | Takara | T100A | |
| Matrigel | BD Biosciences | 354263 | |
| 异氟烷 | Baxter | http://www.baxter.com/healthcare_professionals/products/forane.html | |
| 卡洛芬 (Rimadyl) | Pfizer Animal Health | https://www.rimadyl.com/default.aspx |
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