Un ratón humanizado es un ratón modificado genéticamente que tiene genes, células, tejidos y/o órganos humanos funcionales. [1] Los ratones humanizados se utilizan comúnmente como modelos animales pequeños en la investigación biológica y médica para terapias humanas. [2]
Un ratón humanizado o un modelo de ratón humanizado es uno que ha sido xenotrasplantado con células humanas y/o diseñado para expresar productos genéticos humanos, de modo que se utilice para obtener conocimientos relevantes en el contexto in vivo para comprender la fisiología y las patologías específicas de los humanos. [3] Se ha obtenido una gran cantidad de conocimiento sobre varios procesos biológicos humanos al estudiar modelos animales como roedores y primates no humanos . En particular, los animales pequeños como los ratones son ventajosos en tales estudios debido a su pequeño tamaño, ciclo reproductivo breve, fácil manejo y debido a las similitudes genómicas y fisiológicas con los humanos; además, estos animales también pueden modificarse genéticamente fácilmente. Sin embargo, existen varias incongruencias de estos sistemas animales con los de los humanos, especialmente con respecto a los componentes del sistema inmunológico . Para superar estas limitaciones y aprovechar todo el potencial de los modelos animales para permitir a los investigadores obtener una imagen clara de la naturaleza y la patogénesis de las respuestas inmunológicas montadas contra patógenos específicos de los humanos, se han desarrollado modelos de ratón humanizados. Estos modelos de ratón también se han convertido en un aspecto integral de la investigación biomédica preclínica . [4]
El descubrimiento del ratón atímico, comúnmente conocido como ratón desnudo , y el del ratón SCID fueron eventos importantes que allanaron el camino para los modelos de ratones humanizados. El primer modelo de ratón de este tipo se derivó del retrocruzamiento de ratones C57BL/Ka y BALB/c , que presentaban una mutación de pérdida de función en el gen PRKDC . El producto del gen PRKDC es necesario para resolver las roturas en las cadenas de ADN durante el desarrollo de las células T y las células B. Una mutación en el gen Foxn1 en el cromosoma 11 resultó en un desarrollo deficiente del timo, lo que conduce a una deficiencia en los linfocitos T maduros. El gen PRKDC disfuncional conduce a un desarrollo deficiente de los linfocitos T y B, lo que da lugar a la inmunodeficiencia combinada grave (SCID). A pesar de los esfuerzos en el desarrollo de este modelo de ratón, el injerto deficiente de células madre hematopoyéticas humanas (HSC) fue una limitación importante que requirió un mayor avance en el desarrollo de modelos de ratón humanizados. [5] Los ratones desnudos fueron el primer modelo de ratón inmunodeficiente. Estos ratones produjeron principalmente IgM y tenían niveles mínimos o nulos de IgA. Como resultado, no mostraron una respuesta de rechazo al tejido alogénico. Las cepas utilizadas comúnmente incluyeron BALB/c-nu, Swiss-nu, NC-nu y NIH-nu, que se emplearon ampliamente en la investigación de enfermedades inmunológicas y tumores. Sin embargo, debido a la retención de células B y células NK, no pudieron soportar completamente el injerto de células inmunológicas humanas, lo que las hizo inadecuadas como modelo de ratón humanizado ideal.
El siguiente gran paso en el desarrollo de modelos de ratones humanizados llegó con la transferencia de la mutación scid a un ratón diabético no obeso. Esto dio como resultado la creación de los ratones NOD- scid que carecían de células T , células B y células NK . Este modelo de ratón permitió un nivel ligeramente más alto de reconstitución de células humanas. Sin embargo, un gran avance en este campo llegó con la introducción del gen mutante del receptor de IL-2 ( IL2rg ) en el modelo NOD- scid . Esto explicó la creación de los modelos de ratones NOD- scid -γcnull (NCG, NSG o NOG) que se encontró que tenían señalización defectuosa de las interleucinas IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, IL-15 e IL-21. Los investigadores desarrollaron este modelo NSG eliminando los genes RAG1 y RAG2 (genes de activación de la recombinación ), lo que resultó en la versión nula RAG del modelo NSG que carecía de las principales células del sistema inmunológico, incluidas las células asesinas naturales , los linfocitos B y los linfocitos T , los macrófagos y las células dendríticas , lo que causaba la mayor inmunodeficiencia en modelos de ratones hasta el momento. La limitación de este modelo era que carecía del antígeno leucocitario humano . De acuerdo con esta limitación, las células T humanas cuando se injertaron en los ratones, no reconocieron las células presentadoras de antígeno humano , lo que condujo a un cambio de clase de inmunoglobulina defectuoso y una organización inadecuada del tejido linfoide secundario . [6]
Para sortear esta limitación, el siguiente avance fue la introducción de transgenes que codifican HLA I y HLA II en el modelo nulo NSG RAG , lo que permitió desarrollar repertorios de linfocitos T humanos, así como las respectivas respuestas inmunitarias. [7] Los ratones con dichos genes humanos son técnicamente híbridos humanos-animales .
Se puede injertar células humanas funcionales en ratones inmunodeficientes mediante inyecciones intravenosas de células y tejidos humanos o mediante la creación de un ratón modificado genéticamente a partir de genes humanos. Estos modelos han sido fundamentales para estudiar enfermedades humanas, respuestas inmunitarias e intervenciones terapéuticas. En esta sección se destacan los distintos modelos de ratones humanizados desarrollados utilizando los diferentes métodos.
El modelo murino de inmunodeficiencia combinada grave con linfocitos de sangre periférica humana se ha empleado en una amplia gama de investigaciones, que abarcan investigaciones sobre la enfermedad linfoproliferativa asociada al virus de Epstein-Barr (VEB), la toxoplasmosis, la infección por el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) y las enfermedades autoinmunes. [8] Estos estudios han puesto de relieve la eficacia del modelo murino hu-PBL-SCID para examinar diversas facetas de las enfermedades humanas, incluidas la patogénesis, las respuestas inmunitarias y las intervenciones terapéuticas. Además, el modelo se ha utilizado para explorar factores genéticos y moleculares vinculados a trastornos neuropsiquiátricos como la esquizofrenia, lo que ofrece información valiosa sobre la fisiopatología y los posibles objetivos terapéuticos para estas afecciones. [9] Este modelo se desarrolla inyectando PBMC humanas por vía intravenosa en ratones inmunodeficientes. Las células mononucleares de sangre periférica que se injertarán en el modelo se obtienen de donantes adultos que dieron su consentimiento. Las ventajas asociadas con este método son que es una técnica comparativamente fácil, el modelo tarda relativamente menos tiempo en establecerse y que el modelo exhibe células T de memoria funcional . [10] Es particularmente muy eficaz para modelar la enfermedad de injerto contra huésped . [7] El modelo carece de injerto de linfocitos B y células mieloides . Otras limitaciones con este modelo son que es adecuado para su uso solo en experimentos a corto plazo (<3 meses) y la posibilidad de que el modelo en sí pueda desarrollar la enfermedad de injerto contra huésped. [7]
El modelo de ratón de inmunodeficiencia combinada grave humanizada (SCID), también conocido como modelo hu-SRC-scid, se ha utilizado ampliamente en varias áreas de investigación, incluidas la inmunología, las enfermedades infecciosas, el cáncer y el desarrollo de fármacos. Este modelo ha sido fundamental para estudiar la respuesta inmunitaria humana a los biomateriales descelularizados xenogénicos y alogénicos, lo que ha proporcionado información valiosa sobre la biocompatibilidad y la regulación de la expresión génica de estos materiales. [11] Los ratones hu-SRC- scid se desarrollan injertando células madre hematopoyéticas humanas CD34+ en ratones inmunodeficientes. Las células se obtienen del hígado fetal humano , la médula ósea o la sangre derivada del cordón umbilical , [12] y se injertan mediante inyección intravenosa. Las ventajas de este modelo son que ofrece un desarrollo multilinaje de células hematopoyéticas, la generación de un sistema inmunológico ingenuo y, si el injerto se lleva a cabo mediante inyección intrahepática de ratones recién nacidos dentro de las 72 horas posteriores al nacimiento, puede conducir a una mejor reconstitución de células humanas. Sin embargo, las limitaciones asociadas con el modelo son que la diferenciación celular tarda un mínimo de 10 semanas en ocurrir y alberga niveles bajos de glóbulos rojos humanos , leucocitos polimorfonucleares y megacariocitos . [7]
El modelo BLT está constituido por células madre hematopoyéticas humanas , médula ósea, hígado y timo . El injerto se lleva a cabo mediante la implantación de hígado y timo debajo de la cápsula renal y mediante el trasplante de células madre hematopoyéticas obtenidas de hígado fetal. El modelo BLT tiene un sistema inmunológico humano completo y totalmente funcional con linfocitos T restringidos por HLA . El modelo también comprende un sistema mucoso que es similar al de los humanos. Además, entre todos los modelos, el modelo BLT tiene el nivel más alto de reconstitución de células humanas. [13]
Sin embargo, dado que requiere implantación quirúrgica, este modelo es el más difícil y el que requiere más tiempo para desarrollarse. Otros inconvenientes asociados con el modelo son que presenta respuestas inmunitarias débiles a los xenobióticos , un cambio de clase subóptimo y puede desarrollar EICH . [7]
Los ingenieros bio y eléctricos han demostrado que los organoides cerebrales humanos trasplantados a ratones se integran funcionalmente con su corteza visual. [14] [15] Estos modelos pueden plantear cuestiones éticas similares a la humanización basada en organoides de otros animales .
Un híbrido ratón-humano es un ratón modificado genéticamente cuyo genoma tiene genes tanto de ratón como de humano, siendo así una forma murina de un híbrido humano-animal . Por ejemplo, los ratones modificados genéticamente pueden nacer con genes de antígeno leucocitario humano para proporcionar un entorno más realista al introducir en ellos glóbulos blancos humanos con el fin de estudiar las respuestas del sistema inmunológico . [7] Una de esas aplicaciones es la identificación de péptidos del virus de la hepatitis C (VHC) que se unen al HLA y que pueden ser reconocidos por el sistema inmunológico humano, por lo que podrían ser objetivos potenciales para futuras vacunas contra el VHC. [16]
Hay varios mecanismos que subyacen a las enfermedades humanas que no se comprenden por completo. La utilización de modelos de ratones humanizados en este contexto permite a los investigadores determinar y desentrañar factores importantes que provocan el desarrollo de varias enfermedades y trastornos humanos que se incluyen en las categorías de enfermedades infecciosas, cáncer, autoinmunidad y EICH.
Entre los patógenos infecciosos específicos de humanos estudiados en modelos de ratones humanizados, el virus de la inmunodeficiencia humana se ha estudiado con éxito. [7] Además de esto, varios estudios han informado sobre modelos humanizados para estudiar el virus del Ébola , [17] la hepatitis B , [18] la hepatitis C , [19] el herpesvirus asociado al sarcoma de Kaposi , [20] la Leishmania major , [21] la malaria , [22] y la tuberculosis [23] .
También se han desarrollado modelos de ratones NOD/ scid para el virus del dengue [24] y el virus varicela-zóster [25], y un modelo Rag2 null 𝛾c null para estudiar el virus de la influenza [26] .
Sobre la base del tipo de células/tejidos humanos que se han utilizado para el injerto, los modelos de ratón humanizados para el cáncer se pueden clasificar como xenoinjertos derivados del paciente o xenoinjertos derivados de la línea celular. [27] Se considera que los modelos PDX retienen las características de malignidad parental en mayor medida y, por lo tanto, se los considera la herramienta más poderosa para evaluar el efecto de los medicamentos contra el cáncer en estudios preclínicos . [27] [28] Se han diseñado modelos de ratón humanizados para estudiar cánceres de varios órganos. Se ha generado un modelo de ratón para el estudio del cáncer de mama mediante el injerto intrahepático de células SK-BR-3 en ratones NSG. [29] De manera similar, también se han desarrollado ratones NSG injertados por vía intravenosa con células AML derivadas del paciente, [30] y aquellos injertados (a través de inyecciones subcutáneas , intravenosas o intrapancreáticas) con tumores de cáncer de páncreas derivados del paciente [31] para el estudio de la leucemia y el cáncer de páncreas respectivamente. También se han descrito otros modelos de roedores humanizados para el estudio del cáncer y la inmunoterapia contra el cáncer . [32]
Los problemas planteados por las diferencias en los sistemas inmunes humanos y de roedores se han superado utilizando algunas estrategias, de modo que los investigadores puedan estudiar trastornos autoinmunes utilizando modelos humanizados. Como resultado, el uso de modelos de ratón humanizados se ha extendido a varias áreas de inmunología e investigación de enfermedades. Por ejemplo, los ratones humanizados se han utilizado para estudiar patógenos trópicos humanos, modelos de cáncer de hígado y la comparación de modelos de ratón con enfermedades humanas. Los ratones NSG injertados con PBMC y administrados con antígenos de mielina en adyuvante de Freund , y las células dendríticas autólogas pulsadas con antígeno se han utilizado para estudiar la esclerosis múltiple . [33] De manera similar, los ratones NSG injertados con células madre hematopoyéticas y administrados con pristano se han utilizado para estudiar el lupus eritematoso . [34] Además, los ratones NOG injertados con PBMC se han utilizado para estudiar los mecanismos de rechazo de aloinjertos in vivo. [35] El desarrollo de modelos humanizados de ratones ha hecho avanzar significativamente el estudio de los trastornos autoinmunes y de diversas áreas de la inmunología y la investigación de enfermedades. Estos modelos han proporcionado una plataforma para investigar enfermedades humanas, respuestas inmunitarias e intervenciones terapéuticas, cerrando la brecha entre los sistemas inmunitarios humanos y de roedores y ofreciendo información valiosa sobre la patogénesis de las enfermedades y las posibles estrategias terapéuticas.