ヒト化マウス

ヒト化マウスとは、機能するヒトの遺伝子、細胞、組織、および／または臓器を持つように遺伝子操作されたマウスのことである。 ^{[ 1 ]}ヒト化マウスは、ヒトの治療のための生物学および医学研究において、小型動物モデルとして一般的に使用されている。 ^{[ 2 ]}

ヒト化マウスまたはヒト化マウスモデルとは、ヒト細胞を異種移植したり、ヒト遺伝子産物を発現するように遺伝子操作したりして、ヒト特有の生理機能や病理を理解するために、生体内環境で関連する知見を得る目的で利用されるマウスのことである。 ^{[ 3 ]}げっ歯類や非ヒト霊長類などの動物モデルを用いて、ヒトの生物学的プロセスが数多く研究されてきた。特に、マウスなどの小型動物は、その小型サイズ、短い生殖周期、扱いやすさ、そしてヒトとのゲノムおよび生理学的類似性から、このような研究において有利である。さらに、これらの動物は遺伝子改変も容易である。しかしながら、これらの動物システムとヒトのシステムとの間には、特に免疫系の構成要素に関して、いくつかの不一致点がある。これらの限界を克服し、ヒト特有の病原体に対する免疫応答の性質と病態を研究者が明確に把握できるようにする動物モデルの可能性を最大限に引き出すために、ヒト化マウスモデルが開発されてきた。このようなマウスモデルは、前臨床生物医学研究の不可欠な要素にもなっている。^{[ 4 ]}

胸腺を持たないマウス（一般にヌードマウスとして知られる）とSCIDマウスの発見は、ヒト化マウスモデルの開発への道を開いた重要な出来事でした。最初のマウスモデルは、PRKDC遺伝子の機能喪失変異を持つC57BL/KaマウスとBALB/cマウスを交配することによって得られました。PRKDC遺伝子産物は、T細胞とB細胞の発達中にDNA鎖の切断を修復するために必要です。11番染色体のFoxn1遺伝子の変異は胸腺の発達障害を引き起こし、成熟Tリンパ球の欠乏につながります。PRKDC遺伝子の機能不全はTリンパ球とBリンパ球の発達障害を引き起こし、重症複合免疫不全症（SCID）を発症させます。このマウスモデルの開発努力にもかかわらず、ヒト造血幹細胞（HSC）の生着不良が大きな制約となり、ヒト化マウスモデルの開発をさらに進める必要が生じました。^{[ 5 ]}ヌードマウスは、最も初期の免疫不全マウスモデルでした。これらのマウスは主にIgMを産生し、IgAはごくわずかか全くありませんでした。そのため、同種組織に対する拒絶反応を示しませんでした。一般的に使用された系統には、BALB/c-nu、Swiss-nu、NC-nu、NIH-nuなどがあり、これらは免疫疾患や腫瘍の研究に広く用いられました。しかし、B細胞とNK細胞が保持されているため、ヒト免疫細胞の生着を十分にサポートすることができず、理想的なヒト化マウスモデルとしては不向きでした。

ヒト化マウスモデルの開発における次の大きなステップは、scid変異を非肥満糖尿病マウスに導入することでした。これにより、T細胞、B細胞、NK細胞を欠損するNOD- scidマウスが作製されました。このマウスモデルでは、ヒト細胞の再構築レベルがわずかに向上しました。しかし、この分野における大きなブレークスルーは、NOD- scidモデルに変異型IL-2受容体（IL2rg ）遺伝子を導入することで実現しました。これにより、インターロイキンIL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15、IL-21のシグナル伝達に欠陥があることが判明したNOD-scid-γcnullマウス（NCG、NSG、またはNOG）モデルが作製されました。研究者らは、 RAG1およびRAG2遺伝子（組換え活性化遺伝子）をノックアウトすることにより、このNSGモデルを進化させ、ナチュラルキラー細胞、Bリンパ球、Tリンパ球、マクロファージ、樹状細胞などの免疫系の主要な細胞を欠くRAG^ヌルバージョンのNSGモデルを作製し、これまでのマウスモデルの中で最大の免疫不全を引き起こしました。このモデルの限界は、ヒト白血球抗原が欠如していることでした。この限界に従って、マウスに移植されたヒトT細胞は、ヒト抗原提示細胞を認識できず、その結果、免疫グロブリンクラススイッチングの欠陥と二次リンパ組織の不適切な組織化が生じました。^{[ 6 ]}

^{この制限を回避するために、次の開発では、NSG RAG null}モデルにHLA IとHLA IIをコードするトランスジーンを導入し、ヒトTリンパ球レパートリーとそれぞれの免疫応答の構築を可能にした。^{[ 7 ]}このようなヒト遺伝子を持つマウスは、技術的にはヒトと動物のハイブリッドである。

免疫不全マウスに機能的なヒト細胞を移植するには、ヒト細胞や組織をマウスに静脈注射するか、ヒト遺伝子を用いて遺伝子改変マウスを作製する方法がある。これらのモデルは、ヒトの疾患、免疫応答、および治療介入の研究に大きく貢献してきた。本節では、様々な方法を用いて開発されたヒト化マウスモデルについて概説する。

BLT（骨髄／肝臓／胸腺）モデル

BLTモデルは、ヒトHSC、骨髄、肝臓、胸腺で構成されています。移植は、腎臓被膜下に肝臓と胸腺を移植し、胎児肝臓から得られたHSCを移植することによって行われます。BLTモデルは、HLA拘束性Tリンパ球を備えた完全かつ完全に機能するヒト免疫系を有しています。このモデルは、ヒトの粘膜系に類似した粘膜系も備えています。さらに、すべてのモデルの中で、BLTモデルはヒト細胞の再構築レベルが最も高いです。^{[ 13 ]}

しかし、外科的移植が必要なため、このモデルは開発が最も困難で時間もかかります。このモデルに関連するその他の欠点としては、異物に対する免疫応答が弱いこと、クラススイッチングが最適ではないこと、 GvHDを発症する可能性があることなどが挙げられます。^{[ 7 ]}

生物工学者や電気工学者は、マウスに移植されたヒト脳オルガノイドが視覚皮質と機能的に統合されることを示しました。 ^{[ 14 ] [ 15 ]}このようなモデルは、他の動物のオルガノイドに基づくヒト化と同様の倫理的問題を引き起こす可能性があります。

ヒトの疾患の根底にあるメカニズムのいくつかは、まだ完全には解明されていません。このような状況において、ヒト化マウスモデルを用いることで、研究者は感染症、癌、自己免疫疾患、GVHDといったカテゴリーに分類される様々なヒトの疾患や障害の発症に関わる重要な因子を特定し、解明することが可能になります。

癌

移植に使用されたヒト細胞/組織の種類に基づいて、がんのヒト化マウスモデルは、患者由来異種移植片または細胞株由来異種移植片に分類できます。^{[ 27 ]} PDXモデルは、親の悪性腫瘍特性をより多く保持すると考えられており、そのため、前臨床研究における抗がん剤の効果を評価するためのより強力なツールとみなされています。^{[ 27 ] [ 28 ]}さまざまな臓器のがんを研究するためのヒト化マウスモデルが設計されています。乳がんの研究のためのマウスモデルは、 NSGマウスの肝臓内にSK-BR-3細胞を移植することによって作成されました。^{[ 29 ]}同様に、患者由来のAML細胞を静脈内移植したNSGマウス^{[ 30 ]}、および患者由来の膵臓癌腫瘍を（皮下、静脈内、または膵臓内注射により）移植したNSGマウス^{[ 30 ]}も、それぞれ白血病と膵臓癌の研究のために開発されている。癌および癌免疫療法の研究のための他のいくつかのヒト化げっ歯類モデルも報告されている。^{[ 31 ]}

ヒト化マウスには、その臨床応用価値に影響を与えるいくつかの重要な制限があります。ヒト免疫系の再構築は、特に骨髄系細胞と完全に機能する適応免疫応答に関しては不完全であり、主要なヒト免疫メカニズムの表現が不十分です。^{[ 35 ]}さらに、マウスの微小環境はヒト免疫細胞の発達を完全にサポートしておらず、サイトカインシグナル伝達と細胞間相互作用における種特異的な違いが免疫細胞の成熟と機能を変化させる可能性があります。^{[ 36 ]}もう1つの大きな制限は、特にPBMCベースのモデルで移植片対宿主病（GVHD）が頻繁に発生することであり、これは全身性炎症を引き起こし、実験期間を大幅に制限し、長期研究を制限します。^{[ 37 ]}さらに、これらのモデルを確立するには、放射線照射、幹細胞移植、厳格な動物飼育施設条件などの特殊な手順が必要であり、コストと技術的要求が高く、アクセスと拡張性が制限されます。^{[ 38 ]}最後に、ドナー依存の変動性により実験間で矛盾が生じ、再現性が低下し、前臨床研究の結果の解釈が複雑になる。^{[ 39 ]}

• ヌードマウス
• SCIDマウス
• NOGマウス
• NSGマウス
• 大腸がんおよび腸がんのマウスモデル
• 乳がん転移のマウスモデル
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