精准医疗背景下的动物模型技术之四倍体补偿技术

2024-02-24

临床1期

“实验室小白鼠”是实验室常见的动物模型，动物模型是指医学研究中使用活的非人类动物，建立的具有人疾病模拟表现的动物实验对象和相关材料。人类疾病的发展十分复杂，以人本身作为实验对象来深入探讨疾病发生机制，不仅在道义和方法上会受到极大的限制，在临床积累上也有着时间和空间的局限性。以前由于缺乏快速高效的基因编辑小鼠模型技术，很多创新药研发中动物实验主要用于药物的药代药动及毒理学研究，导致二期临床实验成为死亡之谷，失败率高达80%以上；在现如今精准医疗的时代背景下，随着大分子药物，基因治疗及细胞治疗创新药物研发的兴起，在模式动物进行药效学的需求成为必须，迫切需要快速高效的制备出对标人体病症的更精准的符合临床前药效试验所需的创新模型。传统的动物模型技术包括原核显微注射技术和ES打靶嵌合技术等。原核显微注射技术：这种技术是选择易于注射的原核，将克隆的DNA序列在胚胎发育时用显微注射仪注射胚胎细胞中，注射完毕后，将受精卵移植入假孕母鼠输卵管内，待仔鼠出生后，用PCR方法筛选整合外源基因的阳性仔鼠。这样的DNA序列包括转录调控序列以调控有限的分化细胞类型。该技术过程周期短、不需要另加载体，获得的抗体为纯系。但由于这项技术这可以整合基因，很难敲除基因所以使用上依然存在限制。ES打靶嵌合技术：ES打靶是在小鼠胚胎干细胞（ES细胞）中进行DNA同源重组，将ES细胞重新注射到囊胚腔中形成嵌合胚胎，在假孕小鼠体内发育成嵌合体小鼠。嵌合小鼠再与野生型小鼠交配，从而将ES细胞中的遗传信息传递给后代小鼠。其优点是精确无脱靶，可进行各种复杂的基因改造，是行业的金标准；缺点是低效、耗时、费力、成本高昂，且只适用于小鼠。以上两种技术采用的是“小鼠造小鼠”模式，需要通过2-3代繁育过程获得纯合小鼠，整个过程耗时6-8个月，这对新药研发和疾病研究来说是个非常大的瓶颈。现如今，随着技术的发展进步，尤其是在精准医疗的时代背景下，我们对模式动物的要求变得更高，希望能够制备出对标人体更精准的符合临床前试验所需的创新模型。围绕新一代模式小鼠的应用思考，四倍体补偿技术应运而生。具体操作是将四倍体(4n)胚胎与二倍体(2n)胚胎或胚胎干细胞(Embryonic Stem Cells, ESC)聚合，并持续培养直至发育形成一个嵌合体。在这个发育过程中，四倍体(4n)胚胎与二倍体(2n)胚胎的发育是不同的，其中4n细胞主要参与胚外组织(如滋养层、卵黄囊膜、尿囊膜和胎盘等)形成而几乎不参与其胚体的形成。从而可得到几乎完全2n胚胎或ES细胞来源的小鼠，此即为四倍体补偿技术。四倍体补偿技术流程示意图目前的基因编辑技术可以在胚胎干细胞实现几乎任何目标基因位点的编辑，包括基因插入、基因敲除、点突变、人源化等操作，结合四倍体补偿技术后即可从干细胞直接批量制造出目标基因型的纯合子实验小鼠，节省了小鼠繁殖、筛选所需要的大量时间，节省了人力和物力。相比于体细胞核移植技术，四倍体补偿技术则可以有效提高克隆效率，成为生产转基因动物的有效的方法。目前，四倍体补偿技术在验证干细胞全能性、研究基因功能、研究胚胎发育机理以及动物克隆上都有非常广泛的应用。针对模式动物要求变高的需求，2024年2月28日19:00，药融圈联合明迅生物邀请到明迅生物董事长吴光明老师和生产总监孙骄杨博士，以《创新模式动物，推动新药研发》为题，分享新一代动物模型技术（四倍体补偿技术）的开发和产业化应用，并结合实际案例做出探讨和研究，助力新药研发，届时欢迎大家一同参与讨论！