在免疫学、传染病、癌症生物学、造血干细胞和再生医学等领域的研究中，免疫缺陷小鼠已经成为十分重要的模型工具。但目前免疫缺陷小鼠的品系繁多，且每种品系自身特性也有所不同。我们如何选择合适的免疫缺陷小鼠模型呢？

本期小编将对免疫缺陷小鼠进行全面盘点。

免疫缺陷小鼠发展历史

图1. 免疫缺陷鼠发展史^[1]

自上世纪60年代，裸鼠作为第一类免疫缺陷品系出现以来，免疫缺陷小鼠发展至今已有80多年的历史。在这漫长的历程中，不断出现各种新的品系，我们对免疫缺陷小鼠的研究也愈发深入，下面小编将为你介绍一下常见品系的发展历程。

^裸鼠

^{1962年，在英国格拉斯哥Ruchill医院的病毒实验室中，病毒流行病学家Norman Grist“偶遇了”一只全身无毛的小鼠，这只小鼠就是第一只被发现的裸鼠。}

图2. a：雌性裸鼠纯合子（nu/nu），b：雌性裸鼠杂合子（nu/+)^[2]

裸鼠的主要特征表现为无毛（Hairless）和无胸腺（Athymus）。这些表型归咎于Foxn1蛋白的隐形突变。无毛的成因并不是毛囊缺失，而是由于Foxn1功能缺失导致毛发无法穿透表皮，盘绕在基底层内。而小鼠无胸腺同样是由于Foxn1功能缺失，导致胸腺上皮细胞和T细胞祖细胞无法正常增殖和分化，影响胸腺的发育和成熟。

图3. 裸鼠毛发生长示意图

图4. 胸腺上皮细胞调控T细胞祖细胞分化

目前，裸鼠主要用作构建肿瘤的异源移植模型。根据移植来源不同分为CDX和PDX模型。但由于裸鼠只存在T细胞免疫缺陷，肿瘤移植种类只限于实体瘤，并且成瘤率、肿瘤生长和转移都会受到限制。

由于裸鼠的乳腺发育不完全，裸鼠的繁育方式主要是通过雌性杂合子和雄性纯合子进行交配。

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SCID小鼠

1983年，Bosma（美国Fox Chase癌症研究所）在CB17近交系小鼠中发现位于16号染色体上的Prkdc基因存在隐性突变，并首次描述了缺乏功能性T和B淋巴细胞的严重联合免疫缺陷（Severe Combined Immunodeficient Mice，SCID）小鼠。

SCID小鼠外观与普遍小鼠无差异，体重发育正常，免疫细胞发育分化环境正常，但胸腺、脾脏、淋巴结等组织器官中无功能性T细胞及B细胞。Prkdc基因编码了DNA依赖性蛋白激酶的催化亚基（DNA-PKcs）。该蛋白是DNA修复中NHEJ通路的关键蛋白，并且参与了T、B 细胞的 T 细胞抗原受体（TCR）、B 细胞抗原受体（BCR）基因的V(D)J重排。SCID小鼠Prkdc的缺失导致TCR、BCR基因的V(D)J重排无法进行，进而影响T、B细胞的成熟。

图6. 典型DNA双链断裂的修复途径^[3]

与裸鼠相比，SCID小鼠的人类肿瘤植入效率更高。SCID小鼠的免疫细胞发育分化环境正常，理论上可以用作人造血干细胞（HSCs）和外周血单核细胞（PBMC）移植的受体，但移植效率并不理想。这是因为SCID小鼠残存有NK细胞、补体及髓系细胞的正常免疫，阻止了人类细胞的归巢和维持。此外，由于Prkdc的缺失，SCID小鼠对辐照较为敏感，无法在移植前进行辐照处理。随着年龄的增长，SCID小鼠会发生免疫细胞泄露，产生一定程度的功能性T、B细胞。

^{RAG-/-小鼠（重组激活基因缺失小鼠）}

1992年，缺失重组激活基因（Rag-/-）的免疫缺陷小鼠模型问世。重组激活基因包括 Rag1 和 Rag2 ，两者编码的RAG1和RAG2组成的RAG复合体在TCR和免疫球蛋白 V(D)J重排中起到关键作用。RAG复合体识别RSS序列并将DNA双链剪切，之后 DNA 双链通过 DNA-PKcs、Ku70/Ku80、Artemis等酶启动NHEJ，修复DNA双链完成 VDJ 重排。因此，Rag1和 Rag2 任一基因的缺失都会导致T细胞和B细胞的缺乏。

图7. VDJ重排示意图^[4]

Rag1-/-和Rag2-/-小鼠的特征基本相似。与SCID小鼠相比，Rag基因缺失能更早且更完全地阻断T和B细胞分化。并且Rag基因缺失不影响DNA双链修复进程，因此Rag-/-小鼠对辐照不敏感。不过，Rag-/-小鼠保留了较高水平的NK细胞，在一定程度上也限制了人HSC细胞的移植。

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NOD-SCID小鼠

无论是SCID小鼠还是Rag KO小鼠，因为其固有免疫活性限制了人类组织细胞的定植率。因此，科学家们尝试通过更换小鼠背景改变这一情况。NOD SCID小鼠应运而生。

1980年， Makino（日本Shionogi公司）发现非肥胖糖尿病（NOD）小鼠患有由T淋巴细胞浸润和胰岛β细胞破坏引起的糖尿病，同时还伴有多种免疫异常，包括补体缺失和NK、巨噬细胞和树突状细胞功能受损等。

图8. NOD小鼠免疫异常细胞

1995年，Shultz通过杂交NOD和SCID小鼠建立了NOD SCID小鼠。NOD SCID小鼠不会发生糖尿病，缺乏T细胞和B细胞，患有低丙种球蛋白血症，补体活性降低，抗原呈递细胞（APC）、巨噬细胞和NK细胞的功能受到损害。因此成为人类造血干细胞和人类实体瘤移植的更好的受体。此外，Shultz等研究发现，SCID小鼠免疫渗漏高达90%，而NOD SCID小鼠则低于10%。NOD SCID小鼠一度成为造血细胞研究中应用最广、最为重要的移植模型。

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IL2rg-/-小鼠

X连锁重症联合免疫缺陷症（X-SCID）是一种 X 染色体隐性遗传的免疫缺陷病，表现为外周血T细胞和NK细胞的缺乏，B细胞通常存在但几乎没有免疫球蛋白。X-SCID是由IL2RG 基因突变引起的，该基因编码干扰白细胞介素2（interleukin2, IL-2）受体gamma链（IL-2Rγc）。

图9. X-SCID疾病患者

IL-2Rγc是形成高亲和力受体的重要组成部分，能编码重要的信号通路组成因子（如细胞因子IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15和IL-21），这对于淋巴细胞和NK细胞的发育至关重要。

图10. IL-2Rγc相关细胞因子^[5]

1995年，通过靶向敲除IL2rg基因，获得了IL2rg-/-小鼠。它们的T细胞和B细胞发育和功能严重受损，且NK细胞发育被完全阻断。IL2rg-/-小鼠的产生使更多固有免疫缺陷小鼠模型成为可能，可以大大降低人体细胞和组织的排斥率。

IL-2Rγ与Jak3激酶相互作用进行信号转导，因此，Jak3缺失的Jak3-/-小鼠与IL2rg-/-小鼠类似，也缺乏NK细胞且T、B淋巴细胞减少。

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M-NSG小鼠

IL2rg缺陷小鼠，为免疫缺陷小鼠品系的构建提供了新的思路。各地科学家们纷纷尝试将IL2rg缺陷引入NOD SCID小鼠，构建免疫缺陷程度更高的小鼠。南模生物在NOD SCID小鼠中敲除Il2rg基因，成功构建出了M-NSG小鼠。

M-NSG缺乏成熟的 T、B 和 NK 细胞，对人源细胞和组织免疫排斥反应低，肿瘤细胞成瘤性好，是人源化小鼠、异种移植、免疫重建的重要载体；对于研究人类造血干细胞、肿瘤发生与治疗、免疫缺陷疾病与体内免疫机制研究都具有重要意义。

与M-NSG小鼠相似的小鼠品系有NOG和NSG等，分别是在02年和05年由日本实验室和美国实验室构建。NOG小鼠的IL2rg缺乏胞内结构域，而NSG小鼠则完全缺失IL-2rg，二者的免疫缺陷程度与M-NSG相同，都表现出了无成熟T细胞、B细胞和功能性NK细胞，细胞因子信号传递能力缺失等。

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NRG/BRG等其他相似品系

在NSG小鼠的基础上，更多类似的重度免疫缺陷小鼠品系被开发。其中应用最为广泛品系的有NRG小鼠（NOD-Rag1-/- IL2rg-/-）和BRG小鼠（BALB/cA-Rag2-/- IL2rg-/-）。

NRG小鼠与NSG小鼠非常类似，是由Rag1基因缺失代替scid突变，可以克服scid突变引起的一些不足，如：对辐照敏感。BRG小鼠是在BALB/c背景的小鼠中引入Rag1-/-或Rag2-/-突变和IL-2Rγ缺失，表现为T、B细胞缺失和NK细胞无活性。

NRG小鼠的人HSC细胞定植率比BRG高，主要的原因是NOD小鼠骨髓中的巨噬细胞中的信号调控蛋白alpha(SIRPα)产生突变。SIRPα是一种跨膜蛋白，在巨噬细胞上表达，并与其配体 CD47结合。SIRPα与CD47结合后，会向巨噬细胞发出抑制信号，阻止其进行自噬活动：即所谓的 "别吃我 "信号。这种结合具有物种特异性。在大多数小鼠品系中，小鼠的SIRPα无法识别人类的CD47，从而导致小鼠巨噬细胞的活化和对移植人类组织的排斥。而突变的NOD小鼠的SIRPα可以结合人源CD47，抑制巨噬细胞对人源细胞的吞噬作用。目前也有部分科学家将BRG小鼠的SIRPα进行改造来提高BRG小鼠的人HSC细胞定植率。

图11. 不同背景小鼠SIRPα与hCD47亲和力对比^[6]

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如何选择免疫缺陷小鼠？

多种多样的免疫缺陷小鼠让我们在不同的研究领域或研究策略中可以灵活选择，这时需要从以下几个方面来综合考量：

遗传背景

小鼠的遗传背景，比如不同背景的小鼠H2单体型不同：裸鼠就有3种不同的背景：BALB/c Nude、Nu/Nu、CD-1 Nude。其中BALB/c Nude为近交系，个体差异小，最常用于异种移植瘤模型的建立，成瘤所需肿瘤细胞接种量以及成瘤速度较后两者也都具有一定的优势；Nu/Nu和CD-1 Nude为封闭群，个体差异较大，但生命力更旺盛。

免疫系统组成成分

T 淋巴细胞功能缺陷，例如：裸鼠

B 淋巴细胞功能缺陷，例如：CBA/N小鼠。

NK细胞功能缺陷，例如：Beige小鼠。

联合免疫缺陷，例如：NOD-Scid小鼠、NSG小鼠等。

突变基因
在研究过程中，考虑某个或某几个基因的突变对免疫反应的影响（如NK细胞，巨噬细胞和补体活性等），以及与遗传背景可能的相互作用。例如，β2微球蛋白（B2m）和穿孔素（Prf1）突变会降低NK细胞活性；白介素2受体γ链（Il2rg）突变则使NK细胞完全失活；scid突变在NOD小鼠中抵抗糖尿病的发生。

免疫细胞的泄漏

有的免疫缺陷小鼠品系会随着年龄的增长，会产生一定程度的功能T、B细胞，例如SCID小鼠免疫渗漏高达90%。

寿命

有的免疫缺陷小鼠会自发淋巴瘤，导致小鼠寿命大幅缩短，因此不利于长期的跟踪实验。比如：Nod-Scid小鼠的寿命大约只有8-9个月。

辐照敏感度

对辐照特别敏感的免疫缺陷小鼠品系不适合在移植前进行辐照处理，比如：scid突变小鼠的辐照耐受量不超过400cGy (4 Gy)。

繁殖能力

例如：雌性裸鼠的繁殖能力很差，只有2.5月龄到4月龄的雌鼠才有生育能力。所以裸鼠的繁育是通过雄性纯合子与雌性杂合子来完成的。

介绍了这么多，相信大家已经初步掌握免疫缺陷小鼠的相关知识。免疫缺陷小鼠一直备受关注，其在肿瘤模型构建及人源化免疫系统重建等方面有着广泛应用，是疾病相关机理研究、临床前药物筛选、药效学和安全性评价的重要载体。

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Reference:

[1] Shultz LD, Ishikawa F, Greiner DL. Humanized mice in translational biomedical research. Nat Rev Immunol. 2007;7(2):118-130. doi:10.1038/nri2017

[2] Szadvari I, Krizanova O, Babula P. Athymic nude mice as an experimental model for cancer treatment. Physiol Res. 2016;65(Suppl 4):S441-S453. doi:10.33549/physiolres.933526

[3] Yue X, Bai C, Xie D, Ma T, Zhou PK. DNA-PKcs: A Multi-Faceted Player in DNA Damage Response. Front Genet. 2020;11:607428. Published 2020 Dec 23. doi:10.3389/fgene.2020.607428

[4] Soulas-Sprauel P, Rivera-Munoz P, Malivert L, et al. V(D)J and immunoglobulin class switch recombinations: a paradigm to study the regulation of DNA end-joining. Oncogene. 2007;26(56):7780-7791. doi:10.1038/sj.onc.1210875

[5] Spolski R., Gromer D., Leonard W.J. The γ c family of cytokines: fine-tuning signals from IL-2 and IL-21 in the regulation of the immune response. F1000Res 23;6:1872(2017).

[6] Kwong LS, Brown MH, Barclay AN, Hatherley D. Signal-regulatory protein α from the NOD mouse binds human CD47 with an exceptionally high affinity-- implications for engraftment of human cells. Immunology. 2014;143(1):61-67. doi:10.1111/imm.12290