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Basic Scientific Research
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裸鼠、NOD-SCID和NSG差别真的只是“免疫缺陷越来越严重”吗:宿主背景可能直接改写肿瘤表型
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PREFACE 00

前言

做人源肿瘤移植时,裸鼠、NOD-SCID和NSG经常被放在同一条“免疫缺陷程度”梯度上理解。

裸鼠缺T细胞,NOD-SCID缺T、B细胞并且先天免疫进一步削弱,NSG再把NK细胞和多条γ链依赖的细胞因子信号压下去。于是实验设计很容易形成一个直觉:细胞容易成瘤就用裸鼠,难成瘤就升级NOD-SCID,再难就换NSG。

如果目标只是提高人源肿瘤的移植成功率,这个逻辑确实很实用。

进入机制研究以后,宿主就不能只被理解成一个“防止排斥的容器”。

同一批肿瘤细胞进入裸鼠和NSG以后,首先面对的免疫选择压力就已经不同。裸鼠虽然缺乏正常胸腺来源的成熟T细胞,却仍然保留B细胞、NK细胞以及较多先天免疫功能;NOD-SCID进一步削弱NK、巨噬细胞、树突状细胞和补体等环节;NSG在NOD-SCID背景上继续删除IL-2受体共同γ链,使NK细胞几乎完全缺失,并进一步改变多条细胞因子依赖的宿主免疫环境。

这会直接影响哪些肿瘤细胞能活下来、哪些克隆能够顺利起瘤、肿瘤建立需要多久,以及哪些细胞最终有机会进入循环并形成转移。

更值得注意的是,NOD背景本身还带有特殊的SIRPα特征。它能够更有效识别人源细胞表面的CD47,从而降低鼠巨噬细胞对人源细胞的吞噬。这也是NOD-SCID和NSG比很多其他免疫缺陷背景更容易接受人细胞的重要原因之一。

如果课题恰好研究CD47-SIRPα、NK细胞逃逸、巨噬细胞吞噬、补体、抗体Fc效应、转移定植或者肿瘤干性,宿主品系已经和研究机制直接发生了交叉。

因此,裸鼠、NOD-SCID和NSG之间的差别,远不止“成瘤率越来越高”。

它们提供的是三种不同的宿主生态。

而一个肿瘤表型究竟有多少来自癌细胞本身、有多少依赖宿主环境,很多时候恰好可以利用这种差异来拆。

导读

一、裸鼠、NOD-SCID和NSG到底缺失了什么

二、为什么三种小鼠不能简单排成一条“免疫缺陷强弱梯度”

三、裸鼠保留下来的免疫功能为什么依然会影响移植瘤

四、NOD-SCID为什么比普通SCID更容易接受人源肿瘤

五、NSG增加Il2rg缺失以后到底改变了什么

六、NSG里还有没有巨噬细胞和先天免疫

七、同一批肿瘤细胞换一个宿主为什么可能改变成瘤率

八、宿主免疫压力为什么会参与移植后的第一次克隆筛选

九、肿瘤生长更快能不能直接理解成细胞恶性程度更高

十、研究肿瘤干性时宿主品系为什么会改变极限稀释结果

十一、研究转移时为什么NK差异尤其值得关注

十二、CD47-SIRPα研究为什么对NOD背景格外敏感

十三、巨噬细胞机制研究为什么不能把NSG理解成“没有巨噬细胞”

十四、研究抗体药和Fc效应时宿主背景可能造成什么偏差

十五、补体相关机制为什么在NOD-SCID和NSG中需要特别谨慎

十六、放疗和DNA损伤研究为什么还要注意Prkdc缺陷

十七、人源肿瘤长在三种宿主里,血管和基质到底来自谁

十八、跨物种细胞因子为什么会进一步放大宿主差异

十九、PDX用NSG成瘤率更高,为什么不等于模型一定更接近患者

二十、免疫逃逸机制为什么很难依靠传统人源异种移植单独证明

二十一、同一基因在裸鼠和NSG中出现不同表型应该怎样解释

二十二、Host×Gene双因素设计怎样把宿主背景变成机制工具

二十三、哪些课题值得主动比较裸鼠、NOD-SCID和NSG

二十四、哪些课题没有必要为了“高级”直接使用NSG

二十五、三种宿主应该怎样根据科学问题选择

二十六、免疫缺陷移植瘤最常见的实验设计误区

二十七、一套更完整的“肿瘤细胞—宿主背景—机制因果”研究路线

二十八、博恩生物可以为不同免疫缺陷宿主的移植瘤研究提供哪些实验支持

SECTION 01

01

裸鼠、NOD-SCID和NSG到底缺失了什么

三种小鼠最明显的差异确实来自免疫系统,但具体缺失的位置完全不同。

裸鼠的核心改变来自Foxn1异常,胸腺发育受到严重影响,因此缺少正常成熟的胸腺来源T细胞。它的B细胞仍然存在,虽然缺少正常T细胞帮助以后部分体液免疫功能也会受到影响;NK细胞和很多先天免疫环节则继续保留。

NOD-SCID包含Prkdc的SCID突变,V(D)J重排发生障碍,因此成熟T细胞和B细胞严重缺乏。再叠加NOD遗传背景以后,NK活性、巨噬细胞功能、树突状细胞功能和补体活性进一步下降,同时NOD型SIRPα提高了对人CD47的兼容性。

NSG是在NOD-SCID基础上继续加入Il2rg缺失。

IL2RG编码多种细胞因子受体共用的γ链,参与IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15、IL-21等信号。尤其是IL-15对NK细胞发育非常重要,因此NSG中功能性NK细胞基本缺失,人源细胞移植屏障进一步降低。

可以先用一张表把三种宿主最重要的差异放在一起。

特征裸鼠NOD-SCIDNSG
核心遗传改变Foxn1异常NOD背景+Prkdc^scidNOD-SCID+Il2rg缺失
成熟T细胞严重缺乏严重缺乏严重缺乏
成熟B细胞存在,功能受T细胞缺失影响严重缺乏严重缺乏
NK细胞存在活性明显降低基本缺失
巨噬细胞相对保留功能异常仍存在,但功能背景异常
树突状细胞相对保留存在功能异常功能明显受限
补体相对保留NOD背景下明显缺陷同样存在NOD背景缺陷
人源细胞移植允许度中等很高
典型用途常规人源细胞系移植难成瘤细胞、部分PDX/血液系统研究PDX、极低细胞数、人源化、血液肿瘤等
需要特别注意NK和先天免疫仍可施压leakiness、Prkdc相关问题、先天免疫缺陷高度免疫缺陷、Prkdc相关问题、宿主免疫生态与患者差距更大

所以从裸鼠到NSG确实越来越有利于人源细胞存活,但每一步增加的都不是简单的“免疫强度减少10%”。

删除的是不同免疫模块。

SECTION 02

02

为什么三种小鼠不能简单排成一条“免疫缺陷强弱梯度”

如果只关心排斥能力,用“裸鼠<NOD-SCID<NSG”描述移植允许度非常方便。

机制研究需要再多看一层。

NK细胞、巨噬细胞、补体和T细胞并不会以完全相同的方式限制肿瘤。

T细胞更多参与抗原特异性免疫识别,NK细胞可以根据MHC状态和应激信号快速杀伤异常细胞,巨噬细胞会受到CD47-SIRPα等吞噬检查点调节,补体则可以直接参与细胞裂解、炎症和抗体效应。

因此,从裸鼠切换到NOD-SCID,改变的是多种先天和适应性压力;从NOD-SCID再切换到NSG,又特别削弱了IL2RG相关淋巴细胞发育和NK这一层。

如果某个肿瘤基因恰好控制MHC-I、NK识别、CD47、细胞因子释放或者巨噬细胞趋化,宿主切换以后,它所面对的选择压力会同步改变。

这时“换鼠”本身已经构成一种生物学干预。

SECTION 03

03

裸鼠保留下来的免疫功能为什么依然会影响移植瘤

裸鼠最容易被误解成“没有免疫系统”。

实际上它主要缺少正常T细胞免疫。

NK细胞仍然能够发挥作用,巨噬细胞、粒细胞和其他先天免疫成分也继续存在。这些宿主细胞会进入移植瘤周围,参与炎症、血管生成、坏死组织清除和转移细胞清除。

因此,一个人源肿瘤细胞系能不能在裸鼠中成功起瘤,取决于增殖速度,也取决于它能不能跨过残余宿主免疫形成的早期选择瓶颈。

有些细胞系在裸鼠中take rate很低,进入NSG以后迅速提高。

这种差异并不能全部归结为“细胞更容易活”。

它还提示原来裸鼠中存在某个限制条件,而这个限制条件在NSG里被进一步削弱了。

如果课题刚好研究免疫逃逸、应激适应或者转移,这个现象本身就值得继续追。

SECTION 04

04

NOD-SCID为什么比普通SCID更容易接受人源肿瘤

普通SCID通过Prkdc异常造成T、B细胞严重缺陷,但NK、巨噬细胞和补体等先天免疫仍然可以形成较强的人细胞移植屏障。

把SCID放到NOD背景以后,情况发生明显变化。

NOD本身具有多种先天免疫异常,包括NK活性下降、巨噬细胞和树突状细胞功能异常以及补体缺陷。

同时还有一个对人源移植非常关键的变化:NOD型SIRPα能够更有效地和人CD47相互作用。

人细胞表面的CD47给鼠巨噬细胞传递更有效的“不要吞噬”信号以后,人源细胞被清除的概率进一步下降。

因此NOD-SCID的高移植允许度并不完全来自“多缺了几种免疫细胞”。

跨物种CD47-SIRPα兼容性的改善同样非常重要。

SECTION 05

05

NSG增加Il2rg缺失以后到底改变了什么

Il2rg编码的是多种细胞因子受体共享的共同γ链。

其中IL-7影响淋巴细胞发育,IL-15对NK细胞发育和维持尤其重要,其他γ链依赖细胞因子也参与多种免疫细胞功能。

在NOD-SCID基础上删除Il2rg以后,NK细胞这一残余异种移植屏障进一步被削弱。

这也是为什么NSG非常适合移植人造血干细胞、白血病细胞、低起始细胞数肿瘤以及较难建立的PDX。

一些在裸鼠里几乎无法稳定建立的肿瘤,在NSG中可以获得很高的engraftment。

但这种“更容易长”需要正确理解。

它说明宿主给肿瘤细胞设置的门槛更低。

并不能自动推导出肿瘤生物学更接近患者。

SECTION 06

06

NSG里还有没有巨噬细胞和先天免疫

有。

这一点在很多实验解释中容易被说得过头。

NSG虽然高度免疫缺陷,但并不是“所有免疫细胞全部消失”。

鼠源巨噬细胞仍然存在,只是受到NOD遗传背景、SIRPα以及整体免疫生态的影响,其吞噬和炎症功能与普通免疫完整小鼠存在明显差异。

树突状细胞和其他髓系成分同样没有简单归零。

所以在人源肿瘤NSG移植瘤里看到F4/80⁺细胞、鼠源髓系细胞或者宿主巨噬细胞是完全可能的。

研究肿瘤相关巨噬细胞时尤其需要这一层认识。

NSG可以降低异种排斥,却不能自动提供一个“没有巨噬细胞影响”的纯肿瘤细胞环境。

如果需要进一步确定巨噬细胞贡献,还要进行专门的耗竭、阻断或者细胞来源区分。

SECTION 07

07

同一批肿瘤细胞换一个宿主为什么可能改变成瘤率

细胞注射到小鼠体内以后,真正能形成肿瘤的通常只是其中一部分。

这些细胞首先需要从消化和注射损伤中恢复,要抵抗失巢和缺氧,需要利用宿主ECM建立黏附,还要躲过残余免疫清除并建立血供。

宿主品系会改变其中至少一部分环节。

裸鼠中的NK和先天免疫压力较高,一部分人源细胞可能在早期就被清除。到了NOD-SCID和NSG,这层瓶颈逐渐减弱,原本无法存活的克隆有机会继续扩增。

因此,宿主差异最早影响的经常就是tumor take和latency。

如果实验研究的是“这个基因是否促进肿瘤起始”,宿主品系就不能被当作一个随便选择的背景参数。

SECTION 08

08

宿主免疫压力为什么会参与移植后的第一次克隆筛选

假设一个肿瘤细胞系内部存在A、B、C三个亚群。

A亚群增殖最快,但容易被NK识别;B亚群增殖稍慢,却拥有较强的免疫逃逸能力;C亚群兼具一定干性,但起始数量很少。

进入裸鼠以后,A可能被大量清除,最终肿瘤主要由B和C形成。

进入NSG以后,A受到的NK选择压力显著下降,最后形成的肿瘤克隆组成可能完全不同。

这个过程即使发生在接种后的前几天,也可能对几周后的终点肿瘤产生持续影响。

因此,同一患者样本分别在裸鼠和NSG中传代以后,最终获得的肿瘤并不一定只是“大小不同”。

它们经历的体内选择过程已经不同。

对于肿瘤异质性、干性、耐药克隆和转移亚群研究,这一点尤其重要。

SECTION 09

09

肿瘤生长更快能不能直接理解成细胞恶性程度更高

需要谨慎。

同一细胞在NSG里比在裸鼠里长得快,首先说明它在NSG宿主中遇到的限制更少。

其中可能包含更低的免疫清除,也可能包含更高的早期存活和成瘤成功率。

如果直接把“NSG里增长更快”解释为肿瘤本身恶性程度更高,很容易把host permissiveness和tumor intrinsic aggressiveness混在一起。

研究肿瘤细胞内在增殖能力时,更适合比较同一宿主中的不同肿瘤细胞。

跨宿主比较则更适合回答另外一个问题:

这个肿瘤表型对宿主环境有多大依赖。

两类比较的科学含义不同。

SECTION 10

10

研究肿瘤干性时宿主品系为什么会改变极限稀释结果

极限稀释移植经常被用于估算tumor-initiating cell frequency。

例如分别接种10⁵、10⁴、10³、10²个细胞,然后根据各剂量的成瘤率推算肿瘤起始细胞频率。

这个结果高度依赖宿主。

如果同一批细胞在裸鼠中接种1000个细胞只有少数成瘤,在NSG里几乎全部成瘤,最终计算出来的“肿瘤干细胞频率”会出现明显差异。

细胞自身并没有在注射前突然发生变化。

改变的是检测系统的允许度。

因此,极限稀释得到的更准确含义,是某一细胞群在特定宿主、特定接种条件和特定观察时间下能够启动肿瘤的频率。

研究干性时必须固定宿主品系。

如果不同文章使用不同免疫缺陷小鼠,不能简单拿tumor-initiating frequency直接横向比较。

SECTION 11

11

研究转移时为什么NK差异尤其值得关注

NK细胞是限制循环肿瘤细胞和早期转移定植的重要宿主因素之一。

肿瘤细胞进入血液以后,会经历机械应激、失巢状态和免疫清除。NK细胞可以在这一阶段快速识别和杀伤部分异常细胞。

因此,同一批人肿瘤细胞做尾静脉注射时,在裸鼠和NSG中最终形成的肺转移负荷可能明显不同。

如果一个基因主要帮助癌细胞逃避NK杀伤,它在裸鼠中的转移表型可能很强;换到NSG以后,相关选择压力消失,基因敲低和对照之间的差异反而可能缩小。

这类结果不能简单解释成“实验重复失败”。

它实际上提示基因作用依赖宿主免疫环境。

对于转移研究,这种host dependence本身就可以构成很有价值的机制证据。

SECTION 12

12

CD47-SIRPα研究为什么对NOD背景格外敏感

CD47-SIRPα是移植瘤研究里最典型的“宿主背景直接碰到研究机制”的例子。

CD47位于肿瘤细胞表面,与巨噬细胞SIRPα结合后能够抑制吞噬。

NOD小鼠的SIRPα与人CD47具有较好的跨物种结合能力,因此人源细胞进入NOD-SCID或NSG以后,可以更加有效地向宿主巨噬细胞发送抗吞噬信号。

这本来就是NSG高度允许人细胞移植的一部分原因。

如果课题恰好研究CD47、SIRPα、巨噬细胞吞噬或者“don't eat me”信号,就必须把这一宿主特征纳入实验设计。

同一个人源CD47敲低细胞进入裸鼠和NSG以后,实际面对的鼠SIRPα背景并不相同。

如果再加入抗CD47抗体,还要继续确认抗体是否识别人CD47、鼠CD47,以及宿主巨噬细胞能否提供预期的效应功能。

在这类课题里,“用NSG因为成瘤率高”显然还不够。

需要先确认模型本身有没有和机制发生直接耦合。

SECTION 13

13

巨噬细胞机制研究为什么不能把NSG理解成“没有巨噬细胞”

有些人源异种移植实验看到NSG高度免疫缺陷,就会把后续肿瘤生长变化几乎全部理解成癌细胞内在作用。

这种解释仍然可能遗漏宿主髓系细胞。

鼠源巨噬细胞仍然可以进入肿瘤,参与坏死组织处理、血管生成、ECM重塑和分泌信号。

它们的功能状态和免疫完整小鼠不同,也与患者的人源巨噬细胞不同。

因此如果Gene X过表达以后肿瘤内F4/80⁺细胞明显增加,仍然需要继续确定这些鼠巨噬细胞在做什么。

如果要证明“肿瘤细胞通过分泌CCL2招募巨噬细胞”,还要先确认人源CCL2是否能够有效作用于鼠源CCR2,以及相关配体—受体是否具有跨物种活性。

所以NSG降低的是某些免疫屏障,并没有消除tumor–host interaction。

SECTION 14

14

研究抗体药和Fc效应时宿主背景可能造成什么偏差

很多治疗性抗体的药效不仅依赖阻断受体。

Fc区域还可能招募NK细胞和巨噬细胞产生抗体依赖的细胞毒或吞噬。

如果使用裸鼠,宿主仍然保留较多NK和髓系效应功能。

换成NOD-SCID或NSG以后,尤其NSG中的NK几乎缺失,同一个抗体能够调用的宿主效应机制会发生明显变化。

因此某个抗体在裸鼠中特别强、在NSG中减弱,并不一定说明靶点失效。

一种可能性是Fc效应部分丢失。

此外,人IgG和鼠Fcγ受体之间的相互作用也和人体真实情况存在差异。

所以研究ADCC、ADCP或者Fc工程时,单纯比较肿瘤体积很难把机制讲清楚。

需要进一步确认效应细胞、Fc受体和物种兼容性。

SECTION 15

15

补体相关机制为什么在NOD-SCID和NSG中需要特别谨慎

NOD遗传背景存在明显补体功能缺陷。

因此,NOD-SCID和NSG并不能完整复制正常补体系统。

这对研究补体依赖性杀伤、补体调控蛋白或者部分抗体药非常重要。

如果候选抗体设计上希望通过补体依赖细胞毒发挥作用,而实验放在NSG里,药效偏弱可能部分来自宿主补体系统本身不足。

反过来,如果研究肿瘤细胞怎样逃避补体攻击,模型里原始补体压力已经很低,也可能让关键表型难以出现。

所以和NK、巨噬细胞一样,补体也需要纳入“模型中这个机制到底还剩多少”的检查表。

SECTION 16

16

放疗和DNA损伤研究为什么还要注意Prkdc缺陷

NOD-SCID和NSG都带有Prkdc^scid突变。

PRKDC编码DNA-PKcs,是DNA双链断裂修复的重要组成部分。

SCID表型之所以会导致T、B细胞缺失,本身就和V(D)J重排过程中的DNA断裂无法正常修复有关。

这会带来一个很容易被忽视的研究问题:

宿主本身对电离辐射和部分基因毒性处理更加敏感。

如果实验研究放疗联合治疗、DNA损伤药物或者其他强基因毒性方案,NSG和NOD-SCID的正常组织毒性、骨髓反应以及肿瘤微环境响应可能与普通小鼠明显不同。

这时药效、体重下降和死亡都需要重新解释。

所以NSG在移植允许度上很强,却并不适合因为“最免疫缺陷”就自动成为所有肿瘤治疗研究的首选。

SECTION 17

17

人源肿瘤长在三种宿主里,血管和基质到底来自谁

人源肿瘤细胞种进小鼠以后,随着肿瘤逐渐扩大,血管、成纤维细胞和大量基质成分会越来越多地来自宿主。

因此,人源癌细胞在裸鼠、NOD-SCID和NSG中生长,实际上是在三种不同宿主环境里重新建立肿瘤生态。

即使肿瘤细胞基因完全相同,鼠源血管、髓系细胞和基质反应也可能不同。

这对研究血管生成、CAF和ECM尤其重要。

做CD31染色时,检测到的大量血管通常是鼠源内皮。

研究人肿瘤细胞分泌VEGF以后形成更多血管,还需要确认人VEGF和鼠受体之间的跨物种作用是否成立。

研究CAF同样如此。

随着移植瘤生长,宿主鼠源成纤维细胞可以逐渐占据重要位置。

肿瘤细胞与宿主之间的跨物种通讯,因此会成为模型的重要组成。

SECTION 18

18

跨物种细胞因子为什么会进一步放大宿主差异

人源肿瘤细胞和鼠源基质共存以后,很多机制都需要跨越物种。

有些人源细胞因子能够很好作用于鼠受体,有些只能部分作用,还有一些跨物种活性很差。

反方向也一样。

鼠源巨噬细胞、成纤维细胞或内皮产生的配体,未必都能有效激活人肿瘤细胞的受体。

这会导致一些在患者肿瘤中非常重要的反馈环进入异种移植以后被削弱。

宿主品系进一步改变髓系细胞、NK和其他细胞数量以后,最后形成的微环境差异就更加复杂。

因此,只要课题涉及tumor–stroma signaling,最好提前核对关键配体—受体的跨物种兼容性。

如果无法兼容,可以考虑补充人源细胞、使用人源化模型,或者选择更适合的同系体系。

SECTION 19

19

PDX用NSG成瘤率更高,为什么不等于模型一定更接近患者

NSG提高PDX成功率是它非常重要的价值。

部分低增殖、低频克隆或者在裸鼠中容易被清除的患者肿瘤细胞,在NSG中有更高机会存活下来。

这有利于扩大PDX可以覆盖的患者类型。

同时需要看到另一面。

患者体内原本存在完整免疫系统,而NSG几乎去掉了大量关键免疫选择压力。

肿瘤在患者体内形成时长期经历T细胞、NK、巨噬细胞以及其他免疫因素筛选;进入NSG以后,这套生态突然发生了巨大变化。

随着传代,人源免疫和许多基质成分又会逐渐被鼠源成分替代。

因此NSG能够很好地保留和扩增很多患者肿瘤细胞特征,却不能自动保留患者完整的肿瘤免疫微环境。

如果课题研究癌细胞内在驱动、克隆异质性或者药物敏感性,它非常有价值。

如果研究免疫逃逸和人免疫微环境,就需要进一步升级模型。

SECTION 20

20

免疫逃逸机制为什么很难依靠传统人源异种移植单独证明

假设一个研究发现Gene X提高PD-L1。

体外共培养进一步发现Gene X高表达肿瘤细胞能够抑制T细胞。

随后把人癌细胞种到NSG中,Gene X敲低组肿瘤显著变小,于是把体内结果继续解释成“Gene X通过抑制T细胞促进肿瘤免疫逃逸”。

这里就出现了证据缺口。

NSG本身没有能够承担这一机制的完整T细胞系统。

敲低组肿瘤变小完全可能来自Gene X的癌细胞内在作用。

因此研究T细胞免疫检查点、抗原呈递、Treg、NK免疫逃逸等问题时,需要根据机制选择免疫完整同系模型、基因工程模型或者合适的人源化小鼠。

传统异种移植仍然可以回答癌细胞内在生长问题,却无法单独完成完整免疫因果。

SECTION 21

21

同一基因在裸鼠和NSG中出现不同表型应该怎样解释

这类结果其实非常有价值。

假设Gene X敲低后,在裸鼠里肿瘤明显变小,但进入NSG以后NC和KD差异大幅缩小。

一种很值得验证的解释是:Gene X帮助癌细胞抵抗了裸鼠中仍然存在的某种宿主免疫压力。

接下来可以检查NK、巨噬细胞或相关免疫识别信号。

如果反过来,Gene X在裸鼠里差异不明显,进入NSG以后差异突然变大,也有其他可能。

例如裸鼠中的宿主免疫压力过强,两个组都被限制在较低成瘤水平,掩盖了癌细胞内在增长差异;NSG把这层限制解除以后,Gene X的tumor-intrinsic phenotype才真正释放出来。

因此跨宿主出现结果变化时,不要急着选择“哪一套结果更正确”。

先判断Host×Gene之间是否存在交互。

SECTION 22

22

Host×Gene双因素设计怎样把宿主背景变成机制工具

如果研究基因很可能与宿主环境有关,可以直接设计一个简单的双因素实验。

裸鼠NSG
NC细胞A组B组
Gene X干预细胞C组D组

如果Gene X效应在两种宿主中接近,说明该表型对这些免疫差异相对不敏感,更支持癌细胞内在作用。

如果Gene X只在裸鼠中出现明显效应,可以继续追NK、巨噬细胞或者其他裸鼠残余免疫因素。

如果Gene X只在NSG中出现明显效应,则需要考虑更强免疫缺陷是否释放了某种内在表型。

随后还可以增加NK耗竭、巨噬细胞耗竭、相关受体阻断或者体外共培养。

原本经常被当成“实验批次差异”的宿主效应,就可以被转化成一套机制定位工具。

SECTION 23

23

哪些课题值得主动比较裸鼠、NOD-SCID和NSG

并非所有移植瘤课题都需要三种鼠一起做。

真正值得主动比较的,通常是宿主免疫本身可能参与机制的方向。

例如肿瘤干性和极限稀释研究,宿主允许度会直接改变tumor-initiating frequency;转移和定植研究对NK和巨噬细胞尤其敏感;CD47-SIRPα、抗体Fc、吞噬、补体等课题更是直接与宿主免疫机制重叠。

另外,一些“裸鼠几乎不成瘤、NSG突然高成瘤”的细胞也值得进一步比较。

这种差异可能提示它们对宿主免疫或微环境具有特殊依赖。

相反,如果只是验证一个经典细胞周期基因是否影响成熟肿瘤生长,而且细胞在裸鼠中本身就能稳定成瘤,三种宿主全部重复一次通常增加的信息有限。

SECTION 24

24

哪些课题没有必要为了“高级”直接使用NSG

NSG价格、饲养要求和感染风险都高于普通裸鼠,而且高度免疫缺陷有时还会把实验带离原本的生物学问题。

常规高成瘤细胞系做肿瘤增殖、细胞周期或某些癌细胞内在机制,如果裸鼠已经可以获得稳定take rate和合理生长窗口,继续升级NSG未必增加机制信息。

某些研究甚至需要保留一定宿主先天免疫压力。

如果全部放在NSG中,原本值得研究的免疫选择反而会消失。

模型选择更适合围绕“当前科学问题需要保留哪些宿主功能”。

免疫缺陷程度只是其中一项参数。

SECTION 25

25

三种宿主应该怎样根据科学问题选择

科学问题更适合优先考虑的宿主主要原因
常规人癌细胞皮下增殖裸鼠成本和模型稳定性通常足够
裸鼠成瘤率较低的人源细胞NOD-SCID/NSG降低残余免疫排斥
PDX建立NSG/NOD-SCID提高engraftment
极低细胞数移植NSG提高检测灵敏度
肿瘤干性极限稀释NSG常有优势,但宿主必须固定减少宿主排斥造成的假阴性
血液肿瘤NSG更适合人造血系统细胞移植
NK相关机制裸鼠或专门免疫模型NSG缺少关键NK压力
CD47-SIRPα需专门考虑NOD背景NOD-SIRPα直接参与人细胞存活
巨噬细胞吞噬根据物种和SIRPα设计NSG并非无巨噬细胞
T细胞免疫逃逸同系/人源化模型常规异种移植缺少完整T细胞系统
抗体ADCC需评估NK与Fc受体背景不同宿主效应细胞不同
补体依赖机制避免简单依赖NOD背景模型补体功能异常
放疗联合谨慎使用SCID背景Prkdc突变增加宿主放射敏感性
转移定植根据是否研究免疫清除选择NK和髓系压力可明显影响结果

这张表的核心不是给每种课题指定唯一鼠种,而是提醒一个顺序:

先确定机制需要哪些宿主细胞,再选择免疫缺陷程度。

SECTION 26

26

免疫缺陷移植瘤最常见的实验设计误区

1、把裸鼠、NOD-SCID和NSG简单理解成同一种模型的低、中、高三个等级,没有分析具体缺失的是哪一类免疫功能。

2、常规细胞系在裸鼠中已经能够稳定100%成瘤,仍然默认NSG一定能够得到“更高级”的生物学结论。

3、同一个实验前半部分用裸鼠、补实验改成NSG,最后直接合并解释,没有考虑宿主环境已经发生变化。

4、不同论文的极限稀释结果直接比较tumor-initiating frequency,却忽略宿主小鼠完全不同。

5、NSG中成瘤率提高以后直接解释为肿瘤干性增加,没有区分宿主允许度和癌细胞内在能力。

6、人肿瘤细胞在NSG中长得更快,就直接定义为“恶性程度更高”。

7、研究NK逃逸却选择NSG作为唯一体内模型,关键免疫压力已经基本缺失。

8、研究T细胞免疫逃逸,在普通裸鼠或NSG异种移植中看到肿瘤差异以后直接建立完整免疫机制。

9、把NSG理解成没有巨噬细胞,忽略鼠源髓系细胞仍然可以进入移植瘤。

10、研究CD47-SIRPα却没有考虑NOD型SIRPα和人CD47之间特殊的跨物种兼容性。

11、使用抗CD47、抗体Fc或巨噬细胞相关药物,没有确认抗体对人、鼠靶点的物种反应性。

12、研究ADCC时只看抗体处理后的瘤体积,没有考虑裸鼠和NSG中的NK差异。

13、研究补体依赖抗体却使用NOD-SCID或NSG,没有把NOD背景补体缺陷纳入解释。

14、进行放疗或DNA损伤药联合时,没有注意NOD-SCID和NSG本身带有Prkdc^scid和放射敏感性。

15、药物组出现明显体重下降或宿主死亡以后仍全部解释成肿瘤治疗毒性,没有区分SCID背景宿主敏感性。

16、人源肿瘤—鼠源巨噬细胞机制研究没有核对配体和受体是否具有跨物种活性。

17、PDX在NSG中稳定传代以后,就默认患者原始免疫微环境仍然被完整保留。

18、换宿主以后肿瘤生长曲线发生变化,只认为手术或接种出了问题,没有考虑host-dependent phenotype。

19、同一基因在裸鼠有作用、NSG没作用,就挑选其中一套“更漂亮”的结果发表,没有继续验证Host×Gene交互。

20、研究转移只比较最终肺结节数量,没有考虑NSG降低NK压力以后可能提高循环肿瘤细胞定植。

21、把不同宿主中的最终肿瘤直接做转录或蛋白比较,却没有区分肿瘤细胞来源和鼠源基质比例。

22、IHC使用人鼠均交叉反应的抗体,却把所有阳性细胞都解释成人源肿瘤细胞。

23、NOD-SCID和NSG项目没有记录动物年龄,对SCID leakiness、淋巴瘤风险或长期实验背景缺少控制。

24、模型选择只看价格和成瘤率,没有提前检查研究机制是否和NK、补体、SIRPα或Prkdc直接重叠。

SECTION 27

27

一套更完整的“肿瘤细胞—宿主背景—机制因果”研究路线

1、先把研究问题分成癌细胞内在机制和宿主依赖机制

如果研究细胞周期、核糖体、DNA复制等高度cell-intrinsic过程,重点放在稳定成瘤和肿瘤大小控制。

如果研究免疫逃逸、吞噬、转移、干性、血管和微环境,则需要提前把宿主功能纳入实验设计。

2、列出候选机制需要哪些宿主细胞

研究NK,就确认宿主是否保留NK。

研究巨噬细胞,就确认宿主巨噬细胞是否存在、功能状态怎样。

研究补体或抗体Fc,同样需要确认模型是否具备相应效应系统。

3、检查关键跨物种配体—受体

只要研究人肿瘤与鼠宿主通讯,就提前确认人源配体能不能作用鼠受体,鼠源配体能不能作用人受体。

这一点往往比后期再补十个WB更加重要。

4、选择能够稳定成瘤的最低必要免疫缺陷背景

常规细胞在裸鼠已经稳定,就可以先用裸鼠。

原代肿瘤、PDX、血液肿瘤或者低细胞数研究再根据需要升级NOD-SCID或NSG。

5、肿瘤干性研究固定宿主和移植条件

细胞数之外,Matrigel、接种位置、观察时间和宿主品系全部固定。

所得tumor-initiating frequency明确限定在当前实验系统内解释。

6、出现强宿主依赖后主动增加Host×Gene设计

如果同一基因在不同宿主中出现不同表型,可以直接将宿主作为第二实验因素。

通过交互作用进一步定位免疫依赖。

7、根据差异定位具体宿主细胞

裸鼠有效、NSG失效时,可以优先考虑NK等两种宿主间差异较大的环节。

随后通过耗竭、阻断或共培养进一步验证。

避免停留在“可能和免疫有关”。

8、进入巨噬细胞机制以后检查SIRPα背景

尤其是CD47、吞噬和异种移植相关研究,需要明确NOD-SIRPα对人细胞的特殊影响。

9、抗体研究把Fab作用和Fc作用拆开

通过Fc功能变化、效应细胞分析以及合适宿主,判断药效来自靶点阻断还是ADCC、ADCP等宿主效应。

10、转移研究根据步骤选择宿主

研究癌细胞纯定植能力可以选择高度允许的NSG提高灵敏度。

研究免疫监视对转移的限制,则需要保留相应宿主免疫压力,并通过不同模型交叉验证。

11、PDX研究把“提高成瘤率”和“保留患者生态”分开评价

NSG可以提高患者样本建立率,但免疫和基质保真度需要单独评估。

研究微环境时进一步考虑早代样本、人源化模型或其他互补体系。

12、涉及放疗和基因毒性时重新检查宿主遗传背景

NOD-SCID和NSG的Prkdc缺陷可能改变正常组织损伤。

需要把宿主毒性和真正抗肿瘤治疗窗分开。

13、组织学检测区分人源和鼠源

根据课题使用human-specific和mouse-specific抗体、qPCR或其他物种区分方法。

尤其在CAF、内皮和巨噬细胞机制中,这一步不能省。

14、把肿瘤大小和宿主差异同时纳入终点解释

NSG肿瘤可能长得更快、更大,由此继发的缺氧、坏死和ECM变化会进一步影响分子结果。

需要进行合理的time-matched或size-matched比较。

15、最终形成三层证据

第一层证明肿瘤表型。

第二层证明这一表型是否受到宿主背景影响。

第三层进一步定位到具体宿主细胞、配体—受体或免疫机制。

这样得到的结果,才能从“某基因在裸鼠里促进成瘤”真正推进到“某基因通过怎样的肿瘤—宿主互作促进疾病”。

SECTION 28

28

博恩生物可以为不同免疫缺陷宿主的移植瘤研究提供哪些实验支持

1、可以根据研究机制选择裸鼠、NOD-SCID或NSG

针对常规人源细胞系、低成瘤细胞、PDX、肿瘤干性、转移和微环境研究,结合具体机制确定适合的宿主免疫背景。

2、可以开展同一细胞在不同宿主中的平行比较

比较成瘤率、肿瘤潜伏期、生长动力学和最终组织表型,判断肿瘤是否存在明显host dependence。

3、可以开展Host×Gene双因素移植设计

将基因敲低、过表达或其他处理与不同宿主组合,分析候选机制属于癌细胞内在效应还是依赖特定宿主免疫环境。

4、可以开展极限稀释成瘤实验

在固定宿主、Matrigel和接种条件下进行多剂量接种,评价tumor-initiating capacity,并避免不同宿主数据直接混用。

5、可以开展转移和定植相关模型

根据研究问题选择原位自发转移、尾静脉或其他模型,并结合宿主NK和髓系背景分析不同转移步骤。

6、可以开展人鼠物种区分检测

针对肿瘤细胞、血管、CAF和巨噬细胞使用物种特异性检测策略,区分人源肿瘤成分和鼠源宿主成分。

7、可以开展肿瘤相关巨噬细胞研究

结合宿主背景评价巨噬细胞浸润、表型和相关吞噬机制,并根据项目进一步设计巨噬细胞耗竭或功能阻断。

8、可以开展CD47-SIRPα相关机制验证

结合人源肿瘤细胞和NOD背景宿主特点,评估跨物种SIRPα信号以及抗吞噬机制对成瘤和药效的影响。

9、可以开展NK相关肿瘤机制研究

针对裸鼠与NSG之间明显的NK差异,结合肿瘤细胞表型和必要的功能验证分析候选基因是否参与NK逃逸。

10、可以开展抗体和Fc效应相关研究

根据候选抗体的Fab阻断、ADCC、ADCP或其他机制,选择更匹配的宿主,并结合效应细胞评价提高体内结果可解释性。

11、可以开展PDX模型建立和传代研究

根据患者样本特点选择更适合的免疫缺陷宿主,同时记录engraftment、传代和组织学稳定性。

12、可以开展PDX微环境和物种替代评价

针对CAF、血管和ECM课题,比较不同传代阶段的人源与鼠源成分,明确模型真正保留了患者肿瘤的哪些部分。

13、可以开展皮下和原位模型交叉验证

高效率皮下模型完成PoC后,根据器官微环境、侵袭和转移需要进一步升级原位模型,减少单一宿主和单一移植位置带来的偏差。

14、可以开展固定时间和size-matched取材

针对不同宿主导致肿瘤生长速度差异较大的项目,区分宿主本身造成的机制变化与肿瘤大小继发的缺氧、坏死和微环境变化。

15、可以根据第一模型结果进一步设计机制验证

如果表型只存在于某一种免疫缺陷背景,可以继续围绕NK、巨噬细胞、补体、SIRPα或其他宿主因素进行第二层实验,将“换鼠以后结果变了”推进到真正的因果机制。

裸鼠、NOD-SCID和NSG最大的差别,确实体现在人源肿瘤越来越容易被宿主接受。

但对于基础科研,这只是第一层信息。

更值得利用的是三种小鼠留下了不同的宿主选择压力。

一个细胞在裸鼠里很难成瘤,在NSG里却几乎100%成功,这个结果可能提示它对NK、巨噬细胞或者其他先天免疫因素高度敏感;一个基因敲低以后在裸鼠里能够强烈抑制转移,换到NSG以后差异消失,则可能提示这条机制原本参与了肿瘤细胞逃避宿主免疫监视。

甚至一些看起来很普通的实验矛盾,都可以因此被重新利用。

过去遇到“换成NSG以后结果和裸鼠不一样”,第一反应往往是寻找哪一批动物出了问题。

更有价值的做法,是先看看两种宿主究竟少了哪一个关键免疫模块。

如果差异刚好和候选基因作用方向吻合,这个宿主效应本身可能就是课题下一层机制。

所以选择移植瘤宿主时,除了问“这个细胞用哪种鼠容易长”,还应该再问一个问题:

我希望这颗肿瘤在体内面对哪些宿主压力?

只有把这个问题确定下来,裸鼠、NOD-SCID和NSG才不再只是三个不同价格、不同成瘤率的实验动物。

它们开始真正成为拆解“癌细胞内在机制”和“肿瘤—宿主互作”的实验工具。

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