Создание «гуманизированных свиней» для изучения человеческих болезней и методов лечения
Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) требует тестирования всех новых лекарств на животных перед применением у людей. Свиньи — лучшие объекты медицинских исследований, чем мыши, так как они ближе к человеку по размеру, физиологии и генетическому составу.
Наша команда в Университете штата Айова нашла способ сделать свиней ещё более близкой моделью человека. Мы успешно перенесли компоненты человеческой иммунной системы в свиней, лишённых функционального иммунитета. Этот прорыв может ускорить медицинские исследования в области вирусов и вакцин, а также терапии рака и стволовых клеток.
Существующие биомедицинские модели
Тяжёлый комбинированный иммунодефицит (SCID) — генетическое заболевание, нарушающее развитие иммунной системы. SCID бывает у людей и животных, включая мышей.
В 1980-х годах исследователи обнаружили, что мышам с SCID можно пересаживать человеческие иммунные клетки для изучения. Таких мышей называют «гуманизированными». Их модель оптимизировали в течение 30 лет для исследований в области здоровья человека.
Мыши — самый распространённый объект биомедицинских исследований, но их реакции часто плохо переносятся на людей из-за различий в метаболизме, размере и функциях клеток.
Приматы — более близкая модель для человека, но их использование сопряжено с этическими проблемами. В 2013 году Национальные институты здравоохранения США (NIH) вывели большинство шимпанзе из биомедицинских исследований.
Свиньи — жизнеспособная альтернатива, поскольку они похожи на человека. Их широкое коммерческое использование вызывает меньше этических дилемм: в США на пищу забивают более 100 миллионов свиней в год.
Гуманизация свиней
В 2012 году группы учёных из Университета штата Айова и Университета штата Канзас случайно обнаружили у свиней естественную генетическую мутацию, вызывающую SCID. Мы задумались о создании новой биомедицинской модели.
Наша группа почти десять лет работала над оптимизацией свиней с SCID. В 2018 году мы достигли двойного успеха в сотрудничестве с физиологом Джейсоном Россом: мы создали свинью с более ослабленным иммунитетом, чем исходная SCID-свинья, и успешно её гуманизировали, пересадив культивированные человеческие иммунные стволовые клетки в печень развивающихся поросят.
На ранней стадии внутриутробного развития иммунные клетки формируются в печени, что позволяет ввести человеческие клетки. Мы вводим человеческие иммунные стволовые клетки в печень плода свиньи под контролем УЗИ. По мере развития плода пересаженные клетки начинают дифференцироваться и распространяться по телу поросёнка. После рождения у SCID-поросят в крови, печени, селезёнке и вилочковой железе можно обнаружить человеческие иммунные клетки. Именно эта гуманизация делает их ценными для испытания новых методов лечения.
Мы обнаружили, что человеческие опухоли яичников выживают и растут в SCID-свиньях, что даёт новый способ изучения рака яичников. Аналогично, поскольку человеческая кожа приживается на SCID-свиньях, учёные могут разрабатывать новые методы лечения ожогов кожи. Возможности для других исследований обширны.
Свиньи в «пузыре»
Поскольку у наших свиней отсутствуют важные компоненты иммунной системы, они крайне восприимчивы к инфекциям и требуют специального содержания для снижения воздействия патогенов.
SCID-свиней выращивают в изолированных биоконтейнерах. Помещения с избыточным давлением воздуха (чтобы патогены не проникали внутрь) оснащены высокоэффективной фильтрацией воздуха и воды. Весь персонал обязан носить полный комплект средств индивидуальной защиты. Обычно у нас одновременно содержится от 2 до 15 SCID-свиней и животных для разведения (последние не имеют SCID, но являются носителями мутации, поэтому их потомство может родиться с SCID).
Как и в любых исследованиях на животных, этические соображения всегда находятся на первом месте. Все наши протоколы одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Университета штата Айова и соответствуют руководству NIH по уходу и использованию лабораторных животных.
Каждый день, дважды в день, опытные смотрители проверяют свиней, оценивают их состояние здоровья и обеспечивают взаимодействие. У нас есть дежурные ветеринары. Если какое-либо животное заболевает, и медикаментозное или антибиотическое лечение не улучшает его состояние, свиней гуманно усыпляют.
Наша цель — продолжать оптимизировать гуманизированных SCID-свиней, чтобы их можно было более широко использовать для тестирования терапии стволовыми клетками и исследований в других областях, включая онкологию. Мы надеемся, что разработка модели SCID-свиньи проложит путь к прогрессу в тестировании методов лечения, с долгосрочной целью улучшения результатов для пациентов-людей.