在免疫缺陷小鼠中表演人类骨骼肌异种移植物

据报道，所有进行临床试验的药物开发项目中，只有13.8%是成功的，并导致了1^{批准的疗法。}虽然这个成功率高于^先前报道的10.4%，但仍有重大改进的余地。提高临床试验成功率的一个方法是改进临床前研究中使用的实验室模型。美国食品和药物管理局（FDA）要求动物研究在第一阶段临床试验之前显示治疗效果和评估毒性。然而，动物^{研究和临床试验3}之间的治疗结果往往有限。此外，临床前动物研究的需要可能是缺乏公认动物模型的疾病的治疗发展的不可逾越的障碍，而罕见或零星疾病往往就是这种情况。

模拟人类疾病的一种方法是将人体组织移植到免疫缺陷小鼠体内，以产生异种移植物。异种移植模型有三个关键优点:首先，它们可以概括人类疾病中存在的复杂遗传和表观遗传异常，这些异常可能永远无法在其他动物模型中重现。其次，如果患者样本可用，异种移植可用于模拟罕见或零星疾病。第三，异种移植物在一个完整的体内系统中对疾病进行建模。由于这些原因，我们假设治疗效果导致异种移植模型更有可能转化为在患者的试验。人类肿瘤异种移植已经成功地用于开发常见癌症的治疗方法，包括多发性骨髓瘤，以及针对个别患者的个性化治疗^{4、5、6、 7}.

最近，异种移植物已经被用来开发人类肌肉疾病^{的模型8。}在这个模型中，人类肌肉活检标本被移植到免疫缺陷NRG小鼠的后肢，形成异种移植物。移植的人类肌纤维死亡，但异种移植物中的人类肌肉干细胞随后膨胀并分化成新的人类肌纤维，重新填充移植的人类基础层。因此，这些异种移植物中再生的肌纤维完全是人，由小鼠宿主自发地重新血管化并内化。重要的是，移植到小鼠体内的肌肉萎缩症（FSHD）患者肌肉组织重述了人类疾病的主要特征，即DUX4转录^因子8的表达。FSHD是由DUX4的过度表达引起的，在正常的肌肉组织中，DUX4在表观遗传上是沉默^的9，10。在FSHD异种移植模型中，使用DUX4特异性形态诺治疗已被证明能够成功地抑制DUX4的表达和功能，并且可能是FSHD^患者11的潜在治疗选择。这些结果表明，人类肌肉异种移植是模拟人类肌肉疾病和测试小鼠潜在疗法的新方法。在这里，我们详细介绍了在免疫缺陷小鼠中创建人类骨骼肌异种移植物的手术方法。

约翰霍普金斯大学机构审查委员会（IRB）批准了所有人类研究标本的使用，以保护参与者的权利和福利。所有动物实验都根据国家卫生研究院（NIH）《实验室动物护理和使用指南》获得约翰霍普金斯大学机构动物护理和使用委员会（IACUC）的批准。雄性NOD-Rag1^nullIL2r®（NRG）宿主小鼠（8-12周大）用于进行异种移植实验。这些小鼠被安置在通风架中，并带有HEPA过滤、回火和加湿的空气以及反渗透过滤的超氯水。老鼠提供水和辐照抗生素饮食（材料表）和设施提供14小时到10小时的黑暗，由中央计时器控制。

1. 设备准备

1. 获取NOD-Rag1^空IL2r =^空（NRG） 小鼠，8-12 周的年龄。
2. 高压灭菌手术设备:剪刀、钳子、针架、手术订书机（材料表）、伤口夹、手术湿巾（材料表）和烧杯（图1A）。
3. 准备50 mL的肌肉培养基（20%胎儿牛血清，2%小鸡胚胎提取物，1%抗生素/抗益菌在哈姆斯F10中等）。除非在协议中另有说明，否则将所有用于手术的化学品/药物/溶液保持在室温下。
4. 用26G的针头准备一个1mL注射器，针头长3/8英寸，含有2mg/mL镇痛剂（材料表），放在冰上。使用无菌磷酸盐缓冲盐水（PBS）可将镇痛剂稀释至适当浓度。

2. 外科准备

1. 在MRC（医学研究^{委员会）12}号表上，从肌肉显示力量>4-/5的患者那里获得IRB批准的方案下的人肌肉活检。将研究标本放入含有肌肉介质的 100 mm x 15 mm 培养皿中。
   注:MRC量表用于临床实践作为肌肉力量的评估，0显示没有收缩，5显示正常力量，4（4-4+）显示抗性^运动12。我们发现，轻度至中度虚弱的肌肉（MRC > 4-/5）通常表现出疾病病理学，但未被脂肪组织或纤维化广泛取代，这两种肌肉都会阻碍异种移植再生。在尸体解剖组织的情况下，最近的MRC分数是不可用的，肌肉质量可以通过总观察访问。外观呈淡粉色或脂肪组织大面积的肌肉活检不太可能成功进行异种移植。
2. 使用立体显微镜和光源用手术剪刀从标本中取出任何剩余的筋膜或脂肪组织，以帮助可视化。
3. 使用立体显微镜和光源用手术剪刀将肌肉活检分解成约 7 mm x 3 mm x 3 mm 片。确保纤维在试样内纵向排列。
4. 将含有解剖肌肉的培养皿放在冰上。平均而言，异种移植物在进行手术时在介质中保存4小时。然而，在异种移植之前，活检已在介质中储存了24小时，这种延迟似乎没有对移植或再生产生负面影响。
5. 将合成的、不可吸收的缝合线（材料表）放入含有70%乙醇的100毫米x15毫米培养皿中。
6. 设置双程序麻醉回路:在立体显微镜上设置Mapleson E呼吸回路，并将感应室放在生物安全柜中（图1A，B）。
7. 通过在秤上放入高压烧杯，并转移到感应室，获得 NRG 鼠标的重量。诱导麻醉在3%的异常内。一旦达到适当的麻醉深度（通过观察呼吸速率、肌肉松弛和缺乏自愿运动来评估），在手术的剩余部分将蒸发器设置降低至1.5%。
8. 将小鼠从感应室转移到Mapleson E呼吸回路，并在眼睛上涂上眼膏。
9. 用修剪器从脚踝到膝盖上覆盖头发前部 （TA）， 然后用脱毛化妆水（材料表） 进行 1 分钟治疗（图 2A）。
10. 用波维酮-碘溶液擦拭腿部，对手术部位进行消毒。然后用70%乙醇洗去剩余的波维酮碘。
11. 以5mg/kg的剂量，将小鼠皮下注射镇痛剂，如卡洛芬（材料表）。

3. 异种移植手术

1. 用剪刀和虹膜钳在远端肌腱处，在膝盖以下端接，在视网膜前部（TA）肌肉上做直切口（图2B）。
2. 使用手术剪刀使用钝切除将皮肤与肌肉分开。
3. 用剪刀从肌腱开始，到膝盖结束，穿过TA肌肉的表皮。
   注:这是一个非常肤浅的切割（小于0.5毫米;图2B，黑色虚线），和底层TA不应在这个过程中损坏，因为这将使删除更具挑战性。正确执行时，肌肉纤维会明显放松。
4. 用剪刀切割TA的远端肌腱，用虹膜钳抓住肌腱，将TA拉向膝盖（图2C）。
5. 用剪刀切割扩展器长肌 （EDL） 的远端肌腱，并将 EDL 向上拉向膝盖（图 2D）。一旦双体长肌（PL）肌的近肌腱可见，用剪刀去除EDL（图2D，绿色虚线）。
6. 用剪刀去除TA（图2D，蓝色虚线），并使用用PBS和轻微压力润湿的手术擦拭，以达到血质化（图2E）。
7. 通过近端长直肌 （PL） 肌腱和修剪线进行缝合，在肌腱的两侧留下大约 1.5 英寸的螺纹（图2F）。
8. 执行前半部分的两手手术方结，但不要拧紧:这将形成一个圆圈。在此圆圈中放置异种移植物并拧紧环以固定异种移植物。完成另一半方结（图2G，H）。这将缝合异种移植到PL的近肌腱。
9. 螺纹缝合通过远端PL肌腱，并重复方结技术从步骤3.8，以绑异种移植到远端肌腱（图2H，I）。
   注:中部动脉和静脉可以靠近或位于 PL 的远端肌腱附近或顶部。请勿在这些容器或周围放置缝合线。很容易判断缝合线是否被不当放置，因为船只会发白或出血。如果发生这种情况，请取出缝合线并放置在其他位置。
10. 将皮肤拉过异种移植的肌肉，用手术胶水密封，并在切口上放置2-3个手术钉钉（图2J）。
11. 将鼠标放在加热垫上的干净笼子中以恢复。监测鼠标，直到完全清醒，并定期在未来几天内，当地全身感染的迹象，并确保手术部位不重新开放。
    注:步骤2.11中所述的单剂量镇痛药通常足以缓解疼痛。然而，还应监测小鼠是否持续疼痛（例如跛脚、褶皱的外衣、驼背姿势），如有必要，在术后24小时重新加药。

4. 异种移植系列

注:异种移植通常在手术后4至6个月之间收集。然而，在手术后12个月，已经进行了收集。

1. 在收集异种移植物之前，将含有200 mL 2甲基丁烷的覆盖烧杯放入含有干冰的盒子里至少30分钟。
2. 诱导室中3%等曲下诱导麻醉。一旦达到适当的麻醉深度，将蒸发器设置降低到手术剩余部分的1.5%。
3. 将鼠标从感应室转移到在立体显微镜上排列的 Mapleson E 呼吸回路。
4. 去除头发上覆盖前脚踝到膝盖与修剪和脱毛化妆水。缝合保持异种移植到位可以通过皮肤看到 （图 3A）。
5. 胶带下来的腿，并使用剪刀和虹膜钳打开皮肤的异种移植，直到两个缝合线是可见的（图3B）。皮肤覆盖异种移植可以去除，如所示，使去除异种移植更容易。
6. 使用手术刀在异种移植和头骨之间切割（图3B，箭头表示初始站点和切口方向）。这将释放异种移植的一侧。
7. 使用手术刀在PL肌肉和胃肠肌之间切割（图3C，incision沿用箭头标记的毛皮）。 PL 将与异种移植一起被删除。
8. 切在远端缝合线下方，穿过PL的远端肌腱（图3D，沿虚线切割）。
9. 去除异种移植物和PL，抓住缝合线与虹膜钳，并偏转它朝膝盖，同时使用剪刀削减它远离底层肌肉（图3E）。
10. 用剪刀在近缝合线上方切割，以去除异种移植物和PL（图3F，沿3E的虚线切割）。
11. 将试样放在一小块纸板或塑料上，并尽可能靠近缝合线。固定试样时，轻轻伸展肌肉，以确保在卡扣冻结过程中保持纤维方向。固定到位的销后，将肌肉向上滑动，使其位于纸板正上方。
    注:或者，异种移植物的一端可以安装在软木塞上的龙骨，也可以完全浸入最佳切割温度（O.C.T.）化合物中的低温。小心，肌肉构象可以通过这两种方法保留。
12. 在预冷却的2甲基丁烷中捕捉冷冻异种移植物。
13. 将异种移植储存在-80°C。
14. 紧接异种移植后，按照美国兽医医学协会的指导方针对小鼠实施安乐死:
    1. 将小鼠放入密封室，并配备适当的废气清除系统。使用浓度为3-4%的共和胶诱导麻醉。
    2. 一旦达到适当的麻醉深度（通过观察呼吸速率、肌肉松弛和缺乏自愿运动来评估）将蒸发器设置增加到5%，以诱导死亡。在呼吸停止后，将小鼠留在腔室中再多2分钟。通过观察小鼠在过量服用胶质后10分钟内未能恢复，可以证实死亡。
    3. 最后，对小鼠进行宫颈脱位。
       注:对于双边异种小鼠，可保存反向异种移植，以便以后收集。要执行生存收集，请用手术剪刀用单直接切口打开过异种移植的皮肤，然后按照步骤 4.6 到 4.10 中所述去除异种移植物。然后用手术胶水和订书针将皮肤合上空的骨室。如步骤 2.11 所述，用镇痛剂处理小鼠，并将鼠标放在加热垫上的干净笼子中以恢复。监测小鼠，直到完全清醒，并定期在未来几天内，当地全身感染的迹象，并确保手术部位不重新开放。

5. 异种移植免疫组织化学

1. 使用低温切割从收集的异种移植到带正电荷的幻灯片（材料表）的10至12 μm截面。
2. 用甲醇填充染色罐，并在-20°C下预冷却30分钟。
3. 将幻灯片放入冰冷的甲醇中 10 分钟，以修复和渗透异种移植部分。
4. 将幻灯片放入染色罐中，用磷酸盐缓冲盐水 （PBS） 清洗 3 倍，5 分钟。
5. 在4°C下用防鼠IgG（材料表）块2小时。
6. 在PBS中，具有原发抗体的布洛特，如光谱、拉明A/C和胚胎肌苷（材料表），在4°C下与2%山羊血清一夜之间补充。
7. 将幻灯片放入染色罐中，用磷酸盐缓冲盐水 （PBS） 清洗 3 倍，5 分钟。
8. 在PBS中，用荧光染料结合的二级抗体（材料表）与2%山羊血清在室温下补充1小时。
9. 将幻灯片放入染色罐中，用磷酸盐缓冲盐水 （PBS） 清洗 3 倍，5 分钟。
10. 将安装介质（材料表）放在异种移植部分上，将盖玻片放在顶部，并使用指甲油密封盖玻片。

图2:异种移植手术。（A） 头发从手术部位被移除.（B） 在前部 （TA） 上切口。TA 和扩展位长肌 （EDL） 的远端肌腱用箭头标记。黑色虚线表示步骤 3.3 中将切割的表皮的位置。（C） TA的远端肌腱被切断，肌肉被拉到膝盖上。（D） EDL 的肌腱被切开，EDL 被拉到膝盖上。这暴露了用箭头标记的直龙 （PL） 的近肌腱。虚线指示用剪刀切割的位置以移除 EDL（绿色）和 PL（蓝色）。（E） 删除 EDL 和 TA。（F） 缝合通过 PL. （G） 的近端肌腱放置， 异种移植物被放置在空的牙室中， 并使用两手手术方结缝合到近端 PL 肌腱.（H） 缝合通过PL的远端肌腱放置，用箭头标记，另一个两手手术方结用于缝合异种移植到远端肌腱。（I） 异种移植物被完全移植并缝合到 PL （J） 皮肤用手术胶水封闭.请点击此处查看此图的较大版本。

图3:4个月异种移植收集。（A） 头发从手术部位被移除.缝合在皮肤下可见。（B） 覆盖异种移植的皮肤被去除。然后，异种移植被抓住与虹膜钳在远端缝合，轻轻地向上拉。从脚踝开始，手术刀用于沿着头骨切开并释放异种移植物。箭头显示沿 tibia 的切口的开始。（C） 通过将胃肠肌肉拉到一侧，一条微弱的白线将长毛（PL）肌肉和胃肠（由箭头显示）分开。使用手术刀沿这条线切割，将 PL 与其他腿部肌肉分开。（D） 异种移植的右侧，和PL现在从腿部的其他肌肉中释放，并准备切除。虚线指示用手术剪刀切割的地方，开始去除异种移植物和PL（E）切割后，在远端缝合线下，偏转异种移植向膝盖。虚线指示用手术剪刀切割的位置，以去除异种移植物和 PL 从头骨隔间。（F） 带异种移植物和 PL 的空牙室已成功移除。请点击此处查看此图的较大版本。

正如张元凡等人所证明的，这种手术方案是一种直接的方法来产生人类骨骼肌异种移植物8。再生异种移植物自发地内化，并表现出功能收缩性。此外，从FSHD患者身上移植的肌肉异构体重述了在FSHD患者8中观察到的基因表达变化。

根据我们的经验，从对照患者标本中执行的8种异种移植中，大约7种将显示出成功的肌肉移植。成功的异种移植显示人类肌纤维的强健再生，如人类特异性抗体所识别的（图4）。在一定比例的肌纤维内，阳性胚胎肌苷染色表明再生过程仍在进行中。相反，手术技术差或标本不足可能导致肌肉纤维再生不良（图4）。

从被诊断为特发性炎症肌病（IIM）的患者身上进行的异种移植显示，在4个月和6个月的收集中，再生的人类肌纤维数量适中，胚胎肌苷染色在6个月时持续存在（图5A）。炎症细胞存在于异种移植中，如H&E染色（图5A所示），并已通过CD3、CD68和其他免疫标记（未显示数据）进行确认。异种移植在鼠标内是稳定的，并且已执行长达 12 个月的收集。个体肌纤维大小在4个月和6个月的IIM异种移植物和原始的IIM患者活检（图5B）之间是可比的。在异种移植物中观察到的横截面面积 （CSA） 大于 3500 μm2的稀有纤维，但在 IIM 活检中未观察到，这表明异种移植物中的一些肌纤维可以再生到与健康肌纤维大小相当的 CSA（图 5B）).

图1:手术设置。
A）立体显微镜的标准方向，枫树E呼吸电路，和异种移植手术的手术工具。B）在生物安全柜中放置感应室。

图 4:预期正负结果。
术后4个月收集的异种移植物，显示再生良好或较差，并沾染了人类特异性拉林A/C（1:50）和人体特异性光谱（1:20）和胚胎肌苷（1:10）（材料表）。由白色虚线框指示的区域显示为较高的放大倍数插入。比例尺:200 μm。请点击此处查看此图的较大版本。

图5:代表性异种移植再生。
A） 从诊断出患有特发性炎症肌病 （IIM） 的患者身上进行的异种移植物（带虚线），染色有血酸素和 Eosin （H&E），人类特异性拉明 A/C 和人体特异性光谱，显示肌纤维形成在NRG小鼠在4个月和6个月的时间点。胚胎肌苷染色表明，再生仍在两个时间点。比例尺:200 μm.B）直方图描绘了4个月和6个月异种移植物的肌纤维横截面（CSA），以及一名被诊断为特发性炎症肌病（IIM）的患者和一名健康对照患者的人体活检。请点击此处查看此图的较大版本。

提交人宣称，他们没有相互竞争的经济利益。