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柳全明/范昌发:新冠小鼠“催生”攻坚战

2020年05月18日 浏览量: 评论(0) 来源:北京科技报 作者: 责任编辑:admin
摘要:中国食品药品检定研究院实验动物资源研究所 ( 以下简称“中检院实验动物所”) 作为承担国家科技部实验动物资源保种、育种、生产和供应工作的主要单位之一,采用活体保种的 hACE2 人源化小鼠模型(人源化血管紧张素转化酶动物模型,即新冠病毒小鼠模型),正在按照科技部指示争分夺秒全力扩大生产规模,以最快速度、最大程度满足国家新冠病毒疫苗研发、药物筛选的需要。

柳全明:中国食品药品检定研究院实验动物资源研究所所长

范昌发:中国食品药品检定研究院实验动物资源研究所研究员、模式动物研究室主任


新冠肺炎疫情的阴影笼罩全球,世界各国多支科研团队都在与时间赛跑研发疫苗,我国目前五大疫苗研发技术路线并进,截至目前已有4个疫苗获批进入临床试验阶段。

动物实验是疫苗研发中的必经阶段,只有经过动物实验的疫苗才能进入临床试验。如果没有足够的小鼠模型,即使有足够的经费、足够的专业科研人员,疫苗研发同样会陷入窘境。美国目前就出现了这种情况。

当前国内各大科研单位争分夺秒展开疫苗研发,新冠疫苗实验小鼠模型也出现了供不应求,一鼠难求的局面。中国食品药品检定研究院实验动物资源研究所 ( 以下简称“中检院实验动物所”) 作为承担国家科技部实验动物资源保种、育种、生产和供应工作的主要单位之一,采用活体保种的 hACE2 人源化小鼠模型(人源化血管紧张素转化酶动物模型,即新冠病毒小鼠模型),正在按照科技部指示争分夺秒全力扩大生产规模,以最快速度、最大程度满足国家新冠病毒疫苗研发、药物筛选的需要。

据介绍,截至4月7日,中检院实验动物所已完成了首批358只新冠疫苗小鼠模型的批量应急供应任务,用于满足10家已在科技部立项的新冠疫苗等应急项目。为了提高新冠疫苗小鼠模型的快速繁殖供应能力,该所已采用自然繁育和体外受精 IVF 两种途径扩大产能。

但由于第一阶段模型种群数量小,供应能力有限,故供需矛盾仍然较大,一时不能满足所有用户的需求。该所通过本报向新冠病毒小鼠模型用户发出公开信,对模型动物背景及模型动物的供应原则做出详细说明,望各界给予理解,并明确按照主管部门的指导意见,第一阶段的动物模型将优先满足国家科技部立项的重点领域的重大需求。

北京市科委的数据显示,北京市共有实验动物许可单位 170 余家,其中包括 49 家生产许可单位,截至目前已向中国疾病预防控制中心、中国医学科学院药物研究所、中国科学院动物研究所、军事科学院、军事医学研究院等 40 余家科研单位及众多知名生物医药企业提供了优质实验动物,主要为实验用大鼠、小鼠、兔、犬、猴等动物。

需求量大,供不应求,新冠疫苗小鼠模型备受“娇宠”。那么这些“金贵稀有”的新冠疫苗小鼠,是如何培育出来的?它们又有哪些不同之处?合格的新冠疫苗小鼠模型应具备哪些条件?目前它们“以身试药”的效果如何?

记者探访中检院实验动物所模式动物研究室实验室,液氮罐中保存着等待复活的新冠疫苗模型小鼠的“种子”

为 SARS 研发的小黑鼠,抗击新冠大用处

灰白的耳朵,黑色的被毛,灰白的长尾巴,这些从外表看起来几周大的小鼠,与其他实验小鼠并没有太大区别,但它们的“内核”却很高大上,还未出生就已身价不菲。在新冠肺炎期间,无论是保存在液氮罐等待复活的“精子”或“卵子”,还是出生后就住上“豪华单间”的新冠疫苗小黑鼠,一举一动都引人关注。

这些新冠疫苗小鼠模型,出生后就会被送到目前国际上先进的独立通气净化笼具(IVC)中生活。这里的生活环境设有制冷、加热、加湿和除湿功能,全年恒温、恒压、恒湿。空调系统采用全新风,空气品质优良,可避免它们受到微生物的侵害。

这 些 金 贵 小 鼠 的 全 名 叫“hACE2-KI/NIFDC 人 源 化 小 鼠 模 型”, 其 中,hACE2 的 全 称 是 人 血 管 紧 张 素 转 化 酶 2基 因(human Angiotensin converting enzyme II ), 该 分 子 是 2003 年 爆 发 的SARS 的受体分子,SARS 病毒就是通过这个“门口”入侵人体的。在新冠肺炎疫情发生后,有科学家证实,新型冠状病毒也是通过这个“门”入侵人体的。因而含有 hACE2的人源化小鼠可以作为弥合动物与人类之间鸿沟的重要工具,在新冠疫苗和药物的临床前期发挥了重要作用。而这些新冠疫苗小鼠的“培育师”和“接生婆”是中检院实验动物所研究员、模式动物研究室主任范昌发研究团队。

早在 2017 年,国家卫生计生委医药卫生科技发展研究中心在“艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治”专项课题,就布局了重大及突发传染病动物模型研制及关键技术科研项目,范昌发研究员作为子课题负责人参与了该项研究,这个课题的任务,就是建立一系列新发、突发以及重大传染病的动物模型,以备不时之需。

“不虑于微 , 始成大患。”范昌发说,他们选择研发哪种动物模型不是从个人研究兴趣出发,或者以能否发表高分文章为标准,而是以能否解决国家在某一领域的短板问题、症结问题为指导思想进行立项,并且先行把模型做出来,去验证,去标准化,然后作为战略资源储备起来。全球已经有 5 万多种动物模型,人类有 2 万多个基因,选择哪个基因、构建哪个动物模型的确是大费周章的事情。

“新冠肺炎疫情发生后,刚好能用上我们前期构建的模型小鼠,一方面是巧合,另一方面的确也与以国家战略需求为首要出发点的专项课题先期布局,以及我们长期在传染病动物模型领域的积累有关。”范昌发补充说,当时选择 hACE2 这个基因,从学术研究角度看,不是个好的选择。因为这个基因已经有人研究过,不是发表论文的好材料,但是从国家资源储备角度讲很有价值。2018 年初立项建立了这个动物模型,当时本来想应对可能出现 2003 年非典的流行,不料,却在今年新冠疫情中发挥了大的用途。

hACE2-KI/NIFDC 模型采用了将人 hACE2 基因原位置换小鼠Ace2 基因策略构建,使得该动物模型至少具有三个方面的特点:一是去除了小鼠 Ace2 基因的可能干扰;二是定点插入,而不是随机插入;三是拷贝数单一,遗传稳定。这种独到的、一般转基因小鼠不具备的特点,提示该小鼠模型具有作为新冠疫苗评价、抗体药物研发与传播途径研究的代表性模型的潜力。

首批 358 只小鼠免费供应新冠疫苗研发从生产供应速度来看,中检院实验动物所早在 2 月初,就与军事医学研究院商谈联合验证事宜,并迅速开展新型冠状病毒攻毒实验,以验证该模型的有效性,为后续大规模应用提供技术支撑。

2月25日,中检院实验动物所采用经典繁殖与体外受精相结合繁殖的首批纯合子小鼠提供给中国医学科学院医学实验动物研究所实验室,这是国家科技部指定的评价新型冠状病毒疫苗、开展新冠模型建立的科研机构。

3月2日,中检院实验动物所与百奥赛图基因生物技术有限公司联合,采用体外受精技术大规模繁殖的 hACE2-KI/NIFDC 小鼠模型出生,以更大程度满足国家新冠疫苗研发等应急项目任务对模型小鼠的需求。而就在同一天,美国专门生产转基因小鼠的杰克逊实验室(Jax Laboratory)采用人工受精的第一批新冠疫苗试验的小鼠也出生了。

从供应时间上看,中检院实验动物所研发供应的 hACE2 小鼠用在新冠上确实比美国快了一步。百奥赛图基因生物技术有限公司与中检院有着长期的合作关系,在应对本次新冠小鼠模型快速繁殖应急任务中,舍弃小我,暂停了自身项目,优先安排完成本次任务。

截至4月7日,中检院实验动物资源研究所完成了首批 hACE2-KI/NIFDC 人源化小鼠模型批量应急供应任务。第一批应急供应hACE2 小鼠模型共计 358 只,全部为免费供应,以实际行动尽全力满足国家新冠疫苗研发等应急项目任务对模型小鼠的需求。模型动物的使用单位包括医科院动物研究所、军事医学研究院,以及中检院等 10 家单位,主要用于科技部立项的新冠疫苗等应急项目。

基因编辑小鼠易感新冠病毒,成为试药急先锋除了来势汹涌的新冠病毒,其实还有很多病毒,比如乙肝、艾滋、甲肝等等这些病毒也很容易感染人,但是它们都不一定感染实验鼠。

范昌发介绍,基于一些基础的研究,科学家就需要“造出”一个能对各种病毒易感的动物模型。对于新冠病毒来说,病毒进入人体都要经过一个“门口”,这个门口就是我们的受体,病毒必须进入“门口”,才能感染人的宿主细胞,进而感染人体。

而动物比如实验鼠不易感的原因,可能有两种。一是实验鼠没有相应的蛋白受体,二是实验鼠可能有这样的受体,但由于基因结构、氨基酸序列差异,使得病毒不能与实验鼠的受体结合,实验鼠不易感染病毒。形象一点理解的话就是,如果把病毒入侵理解成需要一个方形受体,但实验鼠的受体却是圆形的,病毒就无法进入,动物也不会被病毒感染。那么,我们如果把人受体基因转入小鼠,可能获得对病毒易感的实验鼠模型。

范昌发介绍,传统的将人受体基因或者其它基因转入小鼠基因组的方法有转基因技术,就是把目标基因注射到小鼠受精卵中,让它随机整合到小鼠的基因组中,再筛选后代中有这种转基因的阳性小鼠。这种转基因技术的优点是,技术操作相对简单,技术难度低,目前很多实验室就采用这一方法。但转基因技术的缺点或者局限性也很明显,就是基因插入位点随机,那么基因表达的过程中可能就会出现随机拷贝或多个位点插入的情况,甚至有可能随机插入到“看家基因”里。

而这些“看家基因”是维持细胞最低限度功能所不可少的基因 , 对维持细胞的基本结构和代谢功能是必不可少的。因此,转基因技术培育的小鼠局限性也尤为明显。

被誉为“上帝之手”的 CRISPR/Cas9技术自诞生以来,就被科学界寄予厚望。中检院实验动物所新冠疫苗小鼠采用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术构建,采用了将人 ACE2基因原位置换小鼠 Ace2 基因的策略,获得小鼠模型质量更加可靠。

相 比 于 传 统 的 转 基 因 小 鼠, 利 用CRISPR/Cas9 基因编辑技术构建的新冠小鼠,具有非常明显的优势。一是精确地将目标基因定点插入到小鼠 X 染色体上,且为单拷贝插入,避免了随机插入带来的风险。二是,直接将小鼠的 Ace2 基因替换成了人的 hACE2 基因,排除了小鼠自身的Ace2 基因对实验结果的潜在干扰。另外,该小鼠模型为 C57BL/6 背景,是疫苗研究、抗体评价及基础研究中使用最为广泛的遗传背景。综上,hACE2-KI/NIFDC模型可望成为遗传稳定、个体差异小、对新冠病毒高度易感的标准化动物模型。

在新冠疫情特殊期,中检院实验动物所培育的“hACE2-KI/NIFDC 人源化小鼠模型”,一般4周大雌鼠就会应急供给科研机构。这些小鼠到了“新家”适应一周后,就会开始接受挑战,担当新冠疫苗的“试药急先锋”。

合格的新冠疫苗小鼠的要求很高

美国缅因州的杰克逊实验室(TheJackson Laboratory)是一家为科学家培育科学研究所需要动物的非赢利组织,能够生产转基因小鼠的实验室。杰克逊实验室主任、神经学专家鲁特兹(Cat Luzt)曾介绍,虽然他们目前大概有 1.1 万种同小鼠有关的“材料”,但是这些却都不能用在培育和生产新冠肺炎疫苗试验所需要的小鼠上,因为科学家需要的是一种人工培育基因为 ACE2 的小鼠,只有拥有该基因的小鼠才会“感染”上新冠病毒,用于相关疫苗的研发。

范昌发认为,一个理想的人类疾病动物模型,一是应具有可重复性,甚至可以标准化。二是具有相似性,能够尽可能近似地复制出人类疾病的特征,如果能够找到与人类疾病相同的动物自发性疾病当然最好。三是具有易获得性,即从使用成本、法律法规、伦理福利等角度考虑,均无大的障碍。能够模拟临床病人症状越多,越接近临床病理改变的动物模型,是更佳的动物模型。但毕竟任何动物模型均不同于人,人与动物之间存在较大差异,单一的动物模型不能解决所有的问题,而且有其局限性,这一点是必须要清楚认识的。

在范昌发看来,对于理想的新型冠状病毒动物模型,除了上述一般动物模型特点之外,至少应该具备以下两个特点:一是能支持病毒的有效复制,即对新冠病毒是易感的;二是能观察到小鼠肺部的病理改变;如果能观察到一些细胞因子的变化,那将更好。

范昌发透露,建立转基因或者人源化动物模型是一个漫长的过程,从设计到获得少量动物用于实验,可能需要长达 1.5~2 年左右。这两年时间包括,把基因转入小鼠体内,得到少量的,比如一两只首建鼠,即最原始的鼠爸爸、鼠妈妈。而将这一两只实验鼠繁殖起来,完成必要的生物学特性分析以及功能验证实验,最终建立一个可以用于规模化供应、用于疫苗与抗体评价的实验鼠模型种群则需要一个相对漫长的过程。

自然繁育、人工授精双管齐下扩大产能

中检院实验动物所柳全明所长告诉记者,中检院实验动物资源研究所具有悠久的历史,始建于 1952 年,几乎与共和国同岁。主要职责包括承担实验动物保种、育种、生产和供应工作;负责我国药品、生物制品、医疗器械检验检定工作、实验期动物饲养管理及相关条件保障;负责实验动物质量和实验环境设施与设备检测;负责动物源性材料病毒安全性检测和病毒灭活效果验证;开展转基因动物和动物模型研发;开展与实验动物相关新技术、新方法研究等工作。

范昌发研究员向记者展示,采用体外受精技术繁殖小

他说,在抗疫期间,全所在院领导的支持和部署下,召开了多次新冠小鼠模型专题会议,讨论和部署新冠疫苗小鼠模型的生产和抗疫期间应急供应策略。为了扩大模型动物的产能,采取了两种措施。一是为尽快提高动物模型 hACE2-KI/NIFDC 的快速繁殖供应能力,首先在单位内部挖掘、组织人员,通过自然繁殖、体外受精IVF 两种途径扩大产能。二是携手百奥赛图基因生物技术有限公司,采用 IVF 技术,开展模型动物的应急生产。

“而这次之所以能在新冠肺炎疫情爆发后,中检院实验动物所能在全国以最快的速度拿出批量供应的动物模型,这些主要是基于前期有活体动物‘种子’的储备,也保存了这一小鼠模型重要的遗传资源,比如精子、胚胎。”范昌发说,有了这些资源后,他们采取“两条腿”走路,一方面采用常规的交配繁殖的方式。另一方面采用更加先进的“体外受精”技术。但采用“体外受精”培育的小鼠,速度、效率都很快,能较快地把动物模型生产出来供应市场,但成本较高。

而关于抗疫期间模型供应策略,该所确定了以下几种措施:一是鉴于这一新冠疫苗小鼠本身是为 SARSCoV 冠状病毒构建的,是否适用于新冠病毒,还缺乏直接的实验数据,因此在抗疫期间,他们采用了合作研究的形式提供给相关单位,并请求使用单位反馈模型易感性等相关信息,以便于完善这一小鼠模型的背景数据,更好地为后续单位服务。

二是在抗疫期间,对于承担抗疫任务、应急课题,开展以新冠病毒有关的疫苗、抗体、抗病毒药物研究的单位免费提供。此外,鉴于模型动物资源有限,模型生产成本高,模型采用订单式生产,以正式签署种质资源转让协议(MTA 协议)的时间为序。

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