在一個反常溫暖的二月早晨，馬克·皮爾森開車 20 分鐘來到明尼阿波利斯一家較大的寵物店。皮爾森是明尼蘇達大學免疫學實驗室的研究員，他經常來這裡購買小鼠，所以大多數員工都認識他。今天他要了十隻，一名員工從一個玻璃箱裡把它們撈出來。皮爾森要求要小一點的小鼠，因為它們通常更年輕，但他不太挑剔。它們可能都有他想要的東西：細菌。
這些小鼠即將進入全國管控最嚴密的實驗室之一，該設施通常用於研究危險病原體，如結核病和基孔肯雅病毒。這些齧齒動物可能沒有攜帶嚴重的人類感染，但它們確實攜帶對大樓內其他數百隻研究小鼠構成嚴重威脅的疾病。
寵物店的小鼠即將迎來新的室友。每隻小鼠將與一群閃亮的黑色實驗小鼠同住，分享食物、水、墊料，最重要的是，病原體。到目前為止，實驗小鼠一直被飼養在吱吱作響的乾淨環境中，沒有大多數疾病，所以有些小鼠會生病死亡。其餘的小鼠將發展出更強大的免疫系統，更像野生小鼠——以及，可以說，人類。
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皮爾森的做法打破了規則。50 多年來，科學家們一直致力於讓實驗小鼠更清潔。在當今大多數實驗室中，動物的籠子都經過消毒，它們的水瓶和食物都經過滅菌。“我們真的不遺餘力地防止自然感染體驗進入小鼠房，”明尼蘇達大學的免疫學家大衛·馬索普斯特說，他是皮爾森工作的實驗室的負責人。這些努力已經得到了回報：隨著病原體的混淆效應得到控制，小鼠實驗的變異性降低了。
但現在大量研究表明，這種清潔是以犧牲為代價的，導致齧齒動物的免疫系統發育遲緩。為了追求標準化和一塵不染的小鼠，科學家們使這些生物成為人類免疫系統不太忠實的模型，而人類的免疫系統是在一個充滿微生物的世界中發育起來的。這可能會對致力於將治療方法和疫苗從實驗室推向臨床的研究人員產生嚴重影響。雖然尚無法將具體的失敗歸咎於標準小鼠模型無可挑剔的衛生條件，但馬索普斯特認為，人為的環境肯定會產生一定的影響。將療法從動物轉移到人類的成功率非常糟糕，這已不是什麼秘密——據一項估計1，90% 進入臨床試驗的藥物都失敗了。“你不得不懷疑，有時你是否會因為身處乾淨的環境而被誤導，”馬索普斯特說。
這就是為什麼他和其 他研究人員正在開發更髒的模型，以更好地複製免疫系統在自然界中如何發育。一些研究小組給他們的小鼠感染了病菌2,3，另一些研究小組則給予它們更自然的微生物群4,5。但飼養更髒的小鼠可能存在風險。密蘇里大學哥倫比亞分校的微生物組研究員亞倫·埃裡克森說，寵物店的小鼠攜帶了太多的感染，就好像它們來自“狄更斯式的孤兒院”一樣。實驗動物護理人員非常重視生物安全，小鼠是寶貴的資源。“你最不想做的就是發生某種疫情。”
揭露真相
十多年前，馬索普斯特開始思考清潔度問題。他震驚於實驗小鼠的免疫構成與人類的免疫構成差異如此之大。當時，許多研究人員將這些差異歸咎於遺傳因素，但馬索普斯特懷疑，實驗小鼠之所以不同，部分原因是它們的生活環境。“這是小鼠的問題，”他想，“還是這真的只是實驗小鼠的問題？”
為了回答這個問題，馬索普斯特開始將實驗小鼠的免疫系統與他在穀倉裡捕獲和從寵物店購買的小鼠的免疫系統進行比較。實驗小鼠血液中的癌細胞和抗感染記憶 T 細胞（以前接觸過病原體的免疫細胞）要少得多。它們身體其他組織中也幾乎完全缺乏 T 細胞。人類、野生小鼠和寵物店小鼠體內都充滿了這些組織駐留記憶 T 細胞。總的來說，實驗小鼠的免疫系統看起來經驗不足，更像人類嬰兒，而不是成年人。
馬索普斯特懷疑，過去的感染起著重要的作用。如果是這樣，他認為他可以透過讓實驗小鼠接觸傳染源來誘導其免疫系統發生變化。如果實驗小鼠的問題是清潔度，他能讓它們變得更髒嗎？
他設計了一個看似簡單的實驗：他會將一隻寵物店小鼠放入裝有幾隻實驗小鼠的籠子裡。實驗小鼠會感染寵物店小鼠攜帶的任何東西——從毛蟎和蟯蟲到小鼠肝炎——並可能在免疫學上更像寵物店小鼠。明尼蘇達大學免疫學家斯蒂芬·詹姆森說，這種同居方法可以讓研究人員“將我們珍視的、定義明確的近交系小鼠推向更接近人類擁有的那種正常免疫體驗”。詹姆森與馬索普斯特合作。
但有一個主要的障礙：研究人員無處安放這些攜帶病菌的齧齒動物。“我最不想做的就是汙染我同事的小鼠群，”馬索普斯特說。當他第一次與動物資源部門的工作人員討論這個實驗時，“這絕對引起了他們的心悸，”他說。但幸運的是，該大學即將馬索普斯特所在的大樓內建造一個高防護實驗室。該設施專為生物安全三級 (BSL-3) 研究而設計，這意味著它將安全地容納可能感染人類的病原體。但它也可以防止小鼠病原體傳播給其他小鼠。2013 年，馬索普斯特和他的同事設法在那裡獲得了一個房間。“我很幸運，”他說。“它未被充分利用。他們需要收入。這有助於他們思想開放。” 今天，那個房間裡在塑膠籠子裡飼養著 500 只小鼠，每個籠子裡都裝著幾隻光滑的實驗小鼠和一隻蓬頭垢面的寵物店小鼠。
與寵物店小鼠同住一個月後，新變髒的實驗小鼠具有許多與野生和寵物店小鼠相同的免疫學特徵2。與正常的實驗小鼠相比，它們具有更多分化的記憶 T 細胞，並且它們發育出組織駐留記憶 T 細胞。標準的實驗小鼠在哪些基因更活躍或更不活躍方面，在免疫學上與新生嬰兒相似，但寵物店和小居小鼠的基因活動譜系更接近成年人類。當研究人員用單核細胞增生李斯特菌感染它們時，髒小鼠也比干淨小鼠表現出更大的抵抗力：感染三天後，它們攜帶的細菌數量下降了四個數量級以上，這種反應與接種過該細菌疫苗的實驗小鼠相當。
在馬索普斯特開始在 BSL-3 實驗室工作後不久，密蘇里州聖路易斯華盛頓大學的免疫學家赫伯特·弗吉尼亞和他的同事獨立開展了一個類似的專案，以瞭解實驗小鼠的免疫系統。但他們沒有使用寵物店小鼠來傳播感染，而是決定自己傳播感染，這種方法比同居更能控制。“作為一個也接受過病毒學家培訓的人，我喜歡知道病原體是什麼，”當時弗吉尼亞實驗室的成員，現在是德克薩斯大學西南醫學中心達拉斯分校的病毒免疫學家蒂芙尼·里斯說。
他們選擇了四種病原體：兩種皰疹病毒、一種流感病毒和一種稱為蠕蟲的腸道蠕蟲，這種蠕蟲會慢性感染小鼠的小腸。這些病原體都類似於經常感染髮展中國家兒童的病原體。研究人員一次給小鼠感染一種病原體，並讓動物有時間恢復，然後再進行下一次感染——這與人類感染、康復，然後再次感染的方式非常相似。另一組小鼠接受了生理鹽水模擬接種。最後的免疫挑戰是黃熱病疫苗接種，該疫苗使用活的但減弱形式的病毒。
與馬索普斯特的研究小組一樣，研究人員注意到，在連續感染的小鼠中，基因表達譜系和對疫苗的反應都發生了顯著變化3：最初，兩組小鼠的抗體反應相同，但一個月後，同居小鼠的抗體水平較低。目前尚不清楚這種差異是否會影響疫苗的有效性。“我認為關於它是否具有任何特定用途，陪審團尚未定論，”弗吉尼亞說。儘管如此，他希望這些更髒的模型將有助於更深入地瞭解免疫系統的機制。
野性的呼喚
其他研究人員在尋求髒小鼠的過程中繞過了寵物店。美國國家糖尿病、消化和腎臟疾病研究所 (NIDDKD) 的免疫學家斯蒂芬·羅沙特在馬里蘭州貝塞斯達開車數百公里，走訪了整個州和哥倫比亞特區的馬廄，以收集野生小鼠。
羅沙特於 2013 年加入了 NIDDKD 免疫學家芭芭拉·雷赫曼的實驗室，兩人開始仔細研究關於微生物組的文獻，微生物組是生活在較大生物體上和體內的微生物集合。研究表明，微生物組對免疫系統有巨大的影響，但他們發現的大多數論文都是基於兩種實驗小鼠型別的比較：一些具有實驗室來源的微生物組，另一些則根本沒有微生物組。羅沙特想知道，如果他給實驗小鼠一個野生微生物組會發生什麼？這將保留小鼠的遺傳背景，但使其生理機能更接近其野生表親。
羅沙特對他的野生微生物組供體有具體要求：他想要一隻成年、基因與實驗小鼠相似且不含病原體的供體，這樣它就不會冒著感染美國國立衛生研究院 (NIH) 其他小鼠的風險。“我試圖說服斯蒂芬，這是一個非常糟糕的研究想法，因為它非常困難，”雷赫曼說。但羅沙特無法被勸退。因此，每天早上，他開車去 3 到 10 個馬廄，清空 100 多個捕鼠器，然後帶著小鼠開車返回 NIH。然後，他解剖它們並儲存它們的組織和糞便。晚上，他沿著原路返回，收集更多的小鼠，並用花生醬誘餌新的捕鼠器。他的一天從凌晨 4:30 開始，到午夜左右結束。他每週七天都遵循這個例行程式，持續了兩個月。“當你這樣做一週左右時，它很有趣，但過一段時間後，它會變得非常具有挑戰性，”他說。
到最後，羅沙特處理了 800 多隻小鼠。他和他的同事選擇了三隻具有正確基因且沒有病原體跡象的小鼠。他們將來自動物糞便的微生物轉移到懷孕的無菌小鼠身上。當這些小鼠分娩時，它們將這種微生物組傳遞給它們的幼崽。該團隊將該組與具有來自消毒實驗室環境的微生物組的無菌小鼠進行了比較。
然後，他們用小鼠適應性流感病毒感染了這些小鼠；92% 的野生微生物組小鼠存活下來，而具有標準實驗室微生物組的小鼠只有 17% 存活4。當研究人員將野生微生物組小鼠暴露於引起結腸癌的化學物質時，它們也患上了較輕的疾病。“挑釁性的假設是，如果你讓小鼠更像自然界中的真小鼠，那麼它將成為也生活在自然界中的人類的更好模型，”雷赫曼說。
然而，更野性並不總是能帶來更強的抗感染能力。上個月，新澤西州普林斯頓大學的進化生態學家安德里亞·格雷厄姆和她的同事表明，讓實驗小鼠重新野化會使它們更容易感染蠕蟲5。格雷厄姆讓她的實驗小鼠在八個室外圍欄中自由奔跑。當她放出第一批小鼠時，它們立即開始探索圍欄，挖掘洞穴並品嚐新的食物。“它們欣喜若狂。它們熬了幾個通宵，”她說。它們遇到的微生物顯著影響了小鼠控制某些型別寄生蟲的能力。格雷厄姆實驗室中的小鼠往往會很快清除寄生蟲感染。但在戶外，“在幾周內，它們的蠕蟲負擔就很重，”她說。研究人員仍在試圖弄清這可能是為什麼，這可能有助於揭示免疫系統如何在更自然的環境中工作。羅沙特說，也許該系統優先對抗致命的微生物——病毒和細菌——而不是致命性較低的感染，如蠕蟲。“免疫反應不可能對一切都完美，”他補充道。
這些髒模型引起了極大的轟動。“在許多方面，它們都是里程碑式的研究，”Taconic Biosciences 的微生物組產品和服務主管亞歷山大·毛厄說，Taconic Biosciences 是一家位於紐約州倫斯勒的實驗動物育種商和供應商。他說，這些髒小鼠將使研究人員能夠“研究在正常小鼠模型中找不到的不同保護性免疫機制”。
大眾模型
但研究人員尚不清楚哪些模型最適合哪些研究問題。例如，在馬索普斯特的版本中，每組實驗小鼠都會獲得不同的病原體混合物。馬索普斯特說，這既是詛咒也是祝福，因為人類也是可變的。在弗吉尼亞的設計中，小鼠會獲得一組確定的病原體，但對免疫系統的影響並不那麼強烈。
英國愛丁堡大學的免疫學家埃莉諾·萊利說，這些模型都無法完全複製自然界中發生的事情6。野生小鼠與實驗小鼠在許多方面都不同：飲食可能起作用，或者性別、日光或溫度。“我認為我們需要更多地與生態學家和動物學家合作，並看看真實世界，”她說。“存在採取稍微還原主義、簡單化方法的危險。”
弗吉尼亞說，即使在實驗室中重建這種簡化的野生環境也是令人頭疼的。“我認為人們對這很重要沒有任何疑問，但實際上進行實驗需要大量基礎設施。” 野生微生物組模型避免了許多與病原體合作的問題，但正如羅沙特所知，捕捉野生小鼠本身就帶來了挑戰。
髒小鼠模型是否比標準實驗小鼠更好地代表人類狀況——併為藥物提供更好的試驗場——還有待觀察。理想的實驗將涉及採用在臨床試驗中失敗的療法，並在新模型中重新測試它，以檢視結果是否與人類身上發生的情況相符。
這正是馬索普斯特的研究小組正在做的事情，他們正在與兩家制藥公司合作。一家公司有一種在人體研究中失敗的療法，該公司想知道髒小鼠是否可以預測這種失敗。另一家公司要求馬索普斯特使用他的小鼠來測試一種在乾淨小鼠中效果良好的候選療法。初步資料表明，它在髒小鼠中沒有太大效果。
髒小鼠群正在其他地方湧現。華盛頓州西雅圖貝納羅亞研究所的免疫學家丹尼爾·坎貝爾去年 12 月收到了 NIH 的撥款，用於建立他自己的收藏。他和他的同事想測試他們為自身免疫開發的療法，在自身免疫中，免疫系統開始攻擊健康組織。治療這些疾病的方法在無病原體小鼠中似乎效果良好。但他 說，“其中許多療法並沒有很好地轉化為人類”。坎貝爾認為，髒小鼠的免疫系統比標準實驗小鼠更發達，可能是測試這些療法的更現實的模型。例如，它們可能使研究人員能夠更好地檢測到不必要的副作用。“令人擔憂的是安全性，”他說。
坎貝爾說，建立同居模型一直具有挑戰性，但他認為結果將是值得的。他的許多同事都有他們想在髒小鼠身上測試的問題，一旦小鼠群準備就緒。“我認為有很多人感興趣，”他說。“我認為他們都會想加入。”
本文經許可轉載，並於 2018 年 4 月 4 日首次發表。