Science：全新的人源化小鼠模型助力红细胞疾病的研究

　　

红细胞是人体内最常见的细胞类型之一，在人类进化过程中一直处于严格的遗传选择之下。全球大约5%的人患有红细胞相关疾病，给全球的医疗保健系统带来了沉重的负担。然而，人红细胞生成活体模型的缺乏却阻碍了红细胞疾病的研究。人们希望有一种人源化的小鼠模型，能够让成熟的红细胞在小鼠体内循环，并完整再现人红细胞生成的过程。

近日，美国耶鲁大学医学院等机构的研究人员报告了一种免疫缺陷的小鼠模型，结合肝脏和细胞因子人源化，能够让人红细胞在小鼠体内完整发育，且成熟红细胞在小鼠体内循环。这项成果于3月初发表在《Science》杂志上，有望帮助人们开发出血液疾病的疗法，比如镰状细胞病和地中海贫血。

耶鲁大学医学院免疫学系的Richard Flavell教授及其团队此次使用了一种名为MISTRG的小鼠模型。这种小鼠是在Rag2^−/−Il2rg^−/−背景下，使用基因编辑工具敲入并表达人M-CSF、IL3和血小板生成素等，以便更好地支持人体细胞在小鼠体内的存活。

肝脏人源化可避免人红细胞被清除

研究人员向MISTRG小鼠输注人红细胞后，发现外周血中的人红细胞迅速被清除。之前的研究表明，小鼠宿主中的人红细胞被小鼠补体3（muC3）包被，使其成为小鼠巨噬细胞及其他吞噬细胞的靶点。他们也发现，注入MISTRG小鼠的人红细胞迅速被muC3包被，从肝脏中分离出的红细胞也带有巨噬细胞标志物，表明人红细胞被小鼠肝脏的吞噬细胞隔离。因此，小鼠肝脏是隔离并清除人红细胞的主要部位之一。

于是，研究人员利用CRISPR-Cas9技术敲除了MISTRG小鼠中的延胡索酰乙酰乙酸水解酶（Fah）基因，生成了MISTRGFah小鼠。之后，他们通过脾脏内注射人肝细胞，将MISTRGFah小鼠的肝脏人源化。他们发现，肝脏人源化延长了注入的人红细胞的存活时间，降低了小鼠肝脏中的C3浓度和吞噬细胞数量，减少了肝脏对人红细胞的清除（图1）。在这种huHepMISTRGFah小鼠中，他们观察到持续循环的人红细胞。

图1. 肝脏人源化延长了人红细胞的存活时间

肝脏人源化可促进人红细胞生成

为了确定肝脏人源化是否也影响人红细胞的生成，他们接着分析了骨髓中的人红细胞生成。将人造血干细胞移植到肝脏人源化的小鼠体内，他们发现小鼠骨髓中的人红细胞（huCD235a+）显著高于对照小鼠，而且huCD71表达逐渐下调，并获得huCD235a表达。因此，huHepMISTRGFah小鼠的肝脏人源化改善了人红细胞的移植和成熟。

在成熟的红细胞离开骨髓之前，它们的细胞核被成红细胞岛（erythroblastic island，EBI）中的巨噬细胞去除。EBI的中心是巨噬细胞，旁边则围绕着处于不同成熟阶段的红系前体细胞。为了观察EBI的形成，研究人员采用了多色成像流式细胞技术。来自Luminex的Amnis ImageStream®X MkII系统可针对每个细胞采集多通道的图像数据，将显微镜技术所能提供的单细胞形态学信息与流式细胞仪的大量样本统计学意义有机结合。

如图2所示，EBI的中心是huCD169+huCD14+双阳性的巨噬细胞，周围有大小不同的huCD235a+红系前体细胞，包括无核的人红细胞。他们认为，肝脏人源化促进了红细胞的移植和成熟，但不影响终末的去核化。

图2. 人EBI的代表性图像

镰状细胞病的成功建模

之后，研究人员将镰状细胞病（SCD）患者的造血干细胞移植到huHepMISTRGFah小鼠中，建立了镰状细胞病的人源化小鼠模型。通过成像流式细胞技术，他们在SCD小鼠的外周血中观察到镰状红细胞，每100个红细胞中大约有7-11个镰状红细胞（图3）。此外，他们还发现循环的镰状红细胞会导致血管闭塞。肺部显示肺泡巨噬细胞增加，以及肺泡出血和血栓形成。脾血窦内出现镰状红细胞，且脾脏出现血管闭塞和血栓形成。因此，这种模型能够重建正常人及SCD患者的红细胞生成。

图3. SCD（A）和正常（B）huHepMISTRGFah小鼠外周血中成熟无核的人红细胞（huCD235a+、Hoechst−）
和小鼠红细胞（muTer119+、Hoechst−）的代表性图像。

小结

这项研究建立了huHepMISTRGFah小鼠模型，能够再现人红细胞生成的过程，且人红细胞能够在外周血中循环。这种模型适用于研究红细胞相关疾病，包括α和β地中海贫血及镰状细胞病。它也适用于造血干细胞疾病的研究，比如骨髓异常增长综合征；以及与红细胞与肝脏有关的疾病，如疟疾。作者认为，该小鼠模型为研究疾病的病理生理机制以及药物的临床前筛选开辟了新途径。（生物通 余亮）

原文检索：

Song Y, Shan L, Gbyli R, Liu W, Strowig T, Patel A, Fu X, Wang X, Xu ML, Gao Y, Qin A, Bruscia EM, Tebaldi T, Biancon G, Mamillapalli P, Urbonas D, Eynon E, Gonzalez DG, Chen J, Krause DS, Alderman J, Halene S, Flavell RA. Combined liver-cytokine humanization comes to the rescue of circulating human red blood cells. Science. 2021 Mar 5;371(6533):1019-1025. doi: 10.1126/science.abe2485. PMID: 33674488.