Un ratón humanizado es un ratón genéticamente modificado que tiene genes, células, tejidos y/u órganos humanos funcionales. [1] Los ratones humanizados se utilizan comúnmente como modelos de animales pequeños en investigaciones biológicas y médicas para terapéutica humana. [2]
Un ratón humanizado o un modelo de ratón humanizado es aquel que ha sido xenotrasplantado con células humanas y/o diseñado para expresar productos genéticos humanos, a fin de ser utilizado para obtener conocimientos relevantes en el contexto in vivo para comprender la fisiología y patologías específicas de los humanos. . [3] Se ha obtenido mucho conocimiento sobre varios procesos biológicos humanos estudiando 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, breve ciclo reproductivo, 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 en lo que respecta 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 patogénesis de las respuestas inmunes montadas contra patógenos específicos de 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 acontecimientos importantes que allanaron el camino para los modelos de ratones humanizados. El primer modelo de ratón de este tipo se obtuvo mediante el 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 roturas en las cadenas de ADN durante el desarrollo de las células T y B. Una mutación en el gen Foxn1 en el cromosoma 11 provocó un deterioro del desarrollo del timo, lo que provocó una deficiencia de linfocitos T maduros. El gen PRKDC disfuncional conduce a un desarrollo deficiente de los linfocitos T y B, lo que da lugar a una inmunodeficiencia combinada grave (SCID). A pesar de los esfuerzos en el desarrollo de este modelo de ratón, el deficiente injerto de células madre hematopoyéticas humanas (HSC) fue una limitación importante que exigió mayores avances 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 una IgA mínima o nula. Como resultado, no mostraron una respuesta de rechazo al tejido alogénico. Las cepas comúnmente utilizadas incluyeron BALB/c-nu, Swiss-nu, NC-nu y NIH-nu, que se emplearon ampliamente en la investigación de enfermedades inmunes y tumores. Sin embargo, debido a la retención de células B y células NK, no pudieron soportar completamente el injerto de células inmunes humanas, lo que los hace inadecuados como modelo de ratón humanizado ideal.
El siguiente gran paso en el desarrollo de modelos de ratones humanizados se produjo con la transferencia de la mutación scid a un ratón diabético no obeso. Esto resultó en la creación de ratones NOD- scid que carecían de células T , células B y células NK . Este modelo de ratón permitió un nivel ligeramente mayor de reconstitución de células humanas. Sin embargo, un gran avance en este campo se produjo 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 tenían señalización defectuosa de las interleucinas IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, IL-15 y IL-21. Los investigadores desarrollaron este modelo NSG eliminando los genes RAG1 y RAG2 ( genes de activación de recombinación ), lo que dio como resultado la versión RAG nula del modelo NSG que carecía de las principales células del sistema inmunológico, incluidas las células asesinas naturales , los linfocitos B y los linfocitos T. , macrófagos y células dendríticas , provocando 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 pudieron reconocer las células presentadoras de antígenos humanos, lo que resultó en un cambio defectuoso de clase de inmunoglobulina y una organización inadecuada del tejido linfoide secundario . [6]
Para sortear esta limitación, el siguiente desarrollo llegó con la introducción de transgenes que codifican HLA I y HLA II en el modelo nulo NSG RAG que permitió la construcción de repertorios de linfocitos T humanos, así como las respectivas respuestas inmunes. [7] Los ratones con tales genes humanos son técnicamente híbridos humano-animal .
El injerto de células humanas funcionales en un ratón inmunodeficiente se puede lograr mediante inyecciones intravenosas de células y tejido humanos en el ratón y/o creando un ratón genéticamente modificado a partir de genes humanos. Estos modelos han sido fundamentales para estudiar enfermedades humanas, respuestas inmunitarias e intervenciones terapéuticas. Esta sección destaca los diversos modelos de ratones humanizados desarrollados utilizando los diferentes métodos.
El modelo de ratón con inmunodeficiencia combinada grave de 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 de ratón hu-PBL-SCID para examinar diversas facetas de las enfermedades humanas, incluida la patogénesis, las respuestas inmunitarias y las intervenciones terapéuticas. Además, el modelo se ha utilizado para explorar factores genéticos y moleculares relacionados con trastornos neuropsiquiátricos como la esquizofrenia, ofreciendo información valiosa sobre la fisiopatología y posibles objetivos terapéuticos para estas afecciones. [9] Este modelo se desarrolla mediante la inyección intravenosa de PBMC humanas en ratones inmunodeficientes. Las células mononucleares de sangre periférica que se injertarán en el modelo se obtienen de donantes adultos autorizados. Las ventajas asociadas con este método son que es comparativamente una técnica 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 de este modelo son que es adecuado para su uso sólo 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 humanizado con inmunodeficiencia combinada grave (SCID), también conocido como modelo hu-SRC-scid, se ha utilizado ampliamente en diversas áreas de investigación, incluida la inmunología, las enfermedades infecciosas, el cáncer y el desarrollo de fármacos. Este modelo ha sido fundamental en el estudio de la respuesta inmune humana a biomateriales descelularizados xenogénicos y alogénicos, proporcionando información valiosa sobre la biocompatibilidad y la regulación de la expresión genética 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 , de la médula ósea o de la sangre derivada del cordón umbilical , [12] y se injertan mediante inyección intravenosa. Las ventajas de este modelo son que ofrece desarrollo multilinaje de células hematopoyéticas, generación de un sistema inmunológico ingenuo y, si el injerto se realiza 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 se necesitan un mínimo de 10 semanas para que se produzca la diferenciación celular y alberga niveles bajos de glóbulos rojos , leucocitos polimorfonucleares y megacariocitos humanos . [7]
El modelo BLT está constituido por HSC , médula ósea, hígado y timo humanos . El injerto se lleva a cabo mediante la implantación de hígado y timo debajo de la cápsula renal y mediante el trasplante de HSC obtenidas del 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 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 requiere más tiempo de desarrollar. Otros inconvenientes asociados con el modelo son que presenta respuestas inmunes débiles a los xenobióticos , un cambio de clase subóptimo y puede desarrollar GvHD . [7]
Ingenieros biológicos 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 las de la humanización de otros animales basada en organoides .
Un híbrido ratón-humano es un ratón modificado genéticamente cuyo genoma tiene genes tanto de ratón como humanos, siendo así una forma murina de un híbrido humano-animal . Por ejemplo, los ratones modificados genéticamente pueden nacer con genes de antígenos leucocitarios humanos para proporcionar un entorno más realista al introducirles glóbulos blancos humanos para 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, convirtiéndose así en objetivos potenciales para futuras vacunas contra el VHC. [dieciséis]
Varios mecanismos subyacentes a las enfermedades humanas no se comprenden completamente. 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 clasifican en las categorías de enfermedades infecciosas, cáncer, autoinmunidad y GvHD.
Entre los patógenos infecciosos humanos específicos estudiados en modelos de ratones humanizados, se ha estudiado con éxito el virus de la inmunodeficiencia humana . [7] Además de esto, se han desarrollado 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] Leishmania major , [21] la malaria , [22] y la tuberculosis. [23] han sido informados por varios estudios.
También se han desarrollado modelos de ratones NOD/ scid para el virus del dengue [24] y el virus varicela-zóster , [25] y un modelo nulo Rag2 para estudiar el virus de la influenza [26] .
Según el 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 de pacientes o xenoinjertos derivados de líneas celulares. [27] Se considera que los modelos PDX conservan las características malignas parentales en mayor medida y, por lo tanto, se consideran 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 diversos 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 para el estudio ratones NSG a los que se les han injertado por vía intravenosa células de AML derivadas del paciente [30] y aquellos a los que se les ha injertado (mediante inyecciones subcutáneas , intravenosas o intrapancreáticas) tumores de cáncer de páncreas derivados del paciente [31]. de leucemia y cáncer de páncreas respectivamente. También se han informado sobre varios otros modelos de roedores humanizados para el estudio del cáncer y la inmunoterapia contra el cáncer . [32]
Los problemas planteados por las diferencias entre los sistemas inmunitarios humanos y de roedores se han superado mediante algunas estrategias, de modo que los investigadores puedan estudiar los trastornos autoinmunes utilizando modelos humanizados. Como resultado, el uso de modelos de ratón humanizados se ha extendido a diversas áreas de la inmunología y la investigación de enfermedades. Por ejemplo, se han utilizado ratones humanizados para estudiar patógenos trópicos humanos, modelos de cáncer de hígado y la comparación de modelos de ratón con enfermedades humanas. Se han injertado ratones NSG con PBMC y se les han administrado antígenos de mielina en adyuvante de Freund , y se han utilizado células dendríticas autólogas pulsadas con antígeno. Se ha utilizado para estudiar la esclerosis múltiple . [33] De manera similar, los ratones NSG a los que se les injertaron células madre hematopoyéticas y se les administró pristano se han utilizado para estudiar el lupus eritematoso . [34] Además, se han utilizado ratones NOG injertados con PBMC para estudiar los mecanismos de rechazo de aloinjertos in vivo. [35] El desarrollo de modelos de ratón humanizados ha avanzado significativamente en el estudio de los trastornos autoinmunes y en 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, reduciendo la brecha entre los sistemas inmunitarios humanos y de roedores y ofreciendo información valiosa sobre la patogénesis de las enfermedades y posibles estrategias terapéuticas.