白癜风动物模型

白癜风是一种皮肤的自身免疫性疾病,由黑素细胞的破坏引起。白癜风的发病机制复杂,研究其发病机制最好的模型之一是动物模型,但是现有的任何一个的动物模型都不可能充分反应白癜风所有发病机制。每个模型系统都有其优缺点。本文中,介绍用于研究白癜风的现有动物模型。

自发白癜风动物模型

一些动物可自发地发生白癜风。

辛克莱猪

辛克莱猪黑素瘤发病率高,54%的生后就有黑素瘤,85%的1岁内发生黑素瘤,但90%的肿瘤会自发地消退,并出现着皮肤和毛发的局部脱色。4-16周龄时,脱色可能从局部扩散,累及皮肤、毛发和眼睛虹膜(图1)。

图1. 白癜风辛克莱猪。(A, B辛克莱猪黑色素瘤的发生率高。90%的肿瘤会自行消退,出现皮肤和毛发的局部脱色(箭头)。一些辛克莱猪随着年龄的增长,脱色会变得更加广泛,并累及及(C)皮肤和毛发以及(D)眼睛。图片来源于文末参考文献,版权归作者所有。

辛克莱猪脱色与黑素细胞特异性细胞和体液免疫有关。发生白癜风的辛克莱猪其血清中存在白癜风抗原的抗体,外周血白细胞在体外能杀死黑素细胞。免疫反应与黑素瘤消退和脱色发生一致,因此辛克莱猪是研究黑色素瘤和白癜风之间关系的较好模型。

马 

具有Gray等位基因(编码STX17,参与囊泡转运)的马,如阿拉伯马、安达卢西亚马和利比扎马 (Lipizzaners),会自发地出现白癜风。通常发生在面部、口周、肛周和生殖器周围。与辛克莱猪类似,这些马的脱色与黑素瘤发病率的增加有关(图2)。对马的脱色机制知之甚少,但马可能是研究白癜风抗体较好模型,可为抗体纯化提供大量血清。

图2. 利比扎马Gray等位基因导致的白癜风。STX17中的Gray突变的马会出现毛发过早变灰白,黑素瘤的发生率增加,以及皮肤的白癜风样脱色。(A) 一群幼马出生时是深色,但出现出不同程度的白化,这取决于它们的Gray等位基因是纯合子还是杂合子。(B) 近处马和远处马一样,出生时是深色的,但现在眼周出斑点和类似白癜风的皮肤脱色。(C) 毛发逐渐斑驳变白。 (D) 老马的鼻子、面和眼周的皮肤出现斑状白癜风。(E) 肛周皮肤斑状脱色,与尾巴下方的黑素瘤(箭头)有关。 图片来源于文末参考文献,版权归作者所有。

某些品种的狗的易患白癜风,如罗威纳犬、德国牧羊犬、古英国牧羊犬、杜宾犬、腊肠犬和德国短毛指示犬。一般来讲,易患白癜风的狗具有黑素细胞抗原特异性抗体,而健康狗缺乏此类抗体。狗的品种在遗传上是同质的,与人类相比,需要的统计能力的个体更少,这使得强大的全基因组关联研究成为可能,。因此,狗代表了白癜风的发病病理生理和时间过程,并可能提供一个极好的模型,以进一步研究白癜风的遗传因素。

Smyth系(Smyth line,SL)鸡白癜风与人白癜风有许多相似的致病特征,这为研究基因、黑素细胞缺陷、应激以及体液和细胞免疫反应之间的相互作用提供了模型。SLV(Smyth line vitiligo,SLV)模型的白癜风发病率要高得多(发病率为0.5-1%)。Smyth系白癜风的特点是羽毛脱色(图3)。高达70-95%的幼鸡接种疫苗预防淋巴瘤时出现脱色,不接种疫苗则几无脱色。有人提出病毒感染是白癜风自身免疫的环境诱因,但缺乏这方面的确切证据。SLV模型的白癜风发病率要高得多(发病率为0.5-1%)。

 
图3. Smyth系鸡白癜风

图3. Smyth系鸡白癜风。(A) Smyth系和Brown系幼鸡的正常颜色。(B) 未患白癜风Smyth鸡。(C)羽毛脱色,每只鸟的脱色程度不同。图片来源于文末参考文献,版权归作者所有。

最早6-14周龄鸡出现脱色,严重程度不一。这种鸡也易患葡萄膜炎和其他与人白癜风相关的自身免疫性疾病,如甲状腺功能减退和类似斑秃的羽毛脱落。黑素细胞异常和应激都与鸡白癜风有关。这种鸡羽毛和其他器官中活性氧增加,黑素细胞有许多明显的形态异常。与人类一样,这些缺陷可能不足以致病,但可导致免疫反应。

与人白癜风相似,SL鸡活动期羽毛CD8+T细胞浸润,受累羽毛表达IFN-γ和IFN-γ诱导基因。白癜风鸡中分离出黑素细胞自身抗体。法氏囊切除术可降低白癜风的发生率,这表明B细胞和自身抗体可能参与黑素细胞的破坏。由于鸡的基因组测序和亲本对照系比较容易,SLV可能是研究基因的良好模型。褐系鸡是SLV的亲本系,其自发性白癜风的发病率很低,用5-氮胞苷(5-azacytidin,一种DNA甲基化抑制剂)处理后发病率会增加。浅棕色Leghorn系与Smith系具有主要组织相容性复合体(MHC)单倍型,但即使在5-氮胞苷治疗后也不发生白癜风,因此是一个抗白癜风品系。

小鼠

美国缅因州巴尔港杰克逊实验室发明了mivit/mivit小鼠。这是第一个以隐性遗传的自发脱色的近交系。脱色由于黑素细胞功能的丧失,并且是无免疫系统参与。小眼症相关转录因子(microphthalmia-associated transcription factor,MITF)基因的点突变是造成这种表型的原因。MITF基因直接影响黑素细胞发育,并调控对黑素生成很重要的基因酪氨酸酶。由于mivit/mivit小鼠的单基因性质和缺乏自身免疫力,这种品系似乎不能准确模拟人白癜风发病机制。人类的MITF相同突变不会导致白癜风,但会导致部分白化病和耳聋。迄今为止,MITF突变似乎与人类白癜风没有基因上的联系。由于与人白癜风的明显差异,该小鼠并未广泛用作研究白癜风发病机制的模型。

自发白癜风动物模型为研究疾病的致病因素和发病机制提供了模型。然而,白癜风发病率通常较低,可用于机制研究的资源有限,而且实验动物费用也较昂贵。诱导的白癜风小鼠模型在提供研究白癜风的基因影响和其他起始事件的能力方面是有限的;然而,它们提供了一个机会,在一个同步的和可预测的系统中,利用许多可用于机制研究的工具,研究白癜风进展过程中的疾病机制。上述褐系鸡在施用5-氮胞苷发展为白癜风,而其余诱导的白癜风模型在小鼠中进行。

诱导白癜风动物模型

已有多种来诱导小鼠白癜风模型方法,其中许多方法最初是研究黑素瘤的治疗免疫效果,意外发现出现白癜风。

诱导方法有化学诱导黑素细胞应激,黑素细胞抗原联合免疫佐剂免疫小鼠,激活内源性免疫细胞,或通过基因修饰以增加黑素细胞特异性T细胞。基因修饰小鼠在其T细胞中表达单一T细胞受体(T cell receptor,TCR),该受体对特定的黑素细胞抗原具有特异性,因此它们所有的T细胞都只识别这一种抗原。为了更真实模拟人白癜风,即对特定黑素细胞抗原具有特异性的T细胞仅限于T细胞总数的一小部分,一些模型采用了将少量TCR转基因T细胞过继转移到具有正常免疫系统的宿主。每种方法都有优点和缺点,我们将在下一节讨论。

应激诱发白癜风

单苯酮(monobenzone)是一种酪氨酸类似化学物,可诱发黑素细胞的细胞应激,诱发炎症信号,并加重白癜风。将单苯酮涂抹在4周龄小鼠腹部,最初在涂抹部位出现毛发脱色,后来扩散到耳朵和尾巴等远处。受累皮肤CD8+T细胞浸润。RAG缺陷小鼠,同样的治疗导致治疗部位的毛发脱色,但远处部位没有。这些发现表明,单苯酮的直接毒性可能是造成施用部位局部脱色原因,但脱色扩散到其他部位则需要适应性免疫反应。该模型可能有助于确定单苯酮诱导的应激激活白癜风免疫反应的机制。

免疫诱导白癜风

为了验证黑色瘤免疫反应,构建表达多种黑素细胞抗原的重组疫苗病毒(recombinant vaccinia viruses,rVV)。他们用这些病毒接种给C57Bl6小鼠,发现感染表达人TRP1(Tyrosinase-related protein 1,酪氨酸酶相关蛋白1)的rVV后,80%的小鼠毛囊出现脱色,而眼睛和大脑的色素未受到影响。脱色与黑素细胞特异性自身抗体有关,并且依赖于CD4+T细胞而非CD8+T细胞。免疫诱导白癜风的优点是可研究内源性宿主免疫细胞作用,能够研究宿主免疫因素。

通过基因枪将编码人黑素细胞抗原TRP2的DNA质粒直接送入小鼠的皮肤,TRP2在由质粒转化的皮肤细胞中表达。诱导抗人TRP2的抗体,再生的毛发脱色,缺乏HSP70i则无脱色。这说明HSP70i有助于脱色,这将黑素细胞应激释放的HSP70i与黑素细胞特异性免疫联系起来。HSP70i突变阻止了白癜风,无法诱导脱色。这种方法非常适合于研究佐剂在疾病引发和加重中的作用。

TCR转基因宿主

AAD+转基因小鼠表达具有人HLA-A*021的肽结合区的MHC I分子,并有酪氨酸酶表位。Tyr369. AAD +小鼠与缺乏酪氨酸酶表达的白化病小鼠杂交。从这些小鼠中分离出对Tyr369特异的T细胞克隆。用克隆小鼠的TCR基因产生具有识别Tyr369的CD8+T细胞的TCR转基因小鼠(即FH小鼠)。当FH小鼠与AAD +小鼠杂交时,自发脱色现象毛发最明显,而尾部皮肤上较弱。受累的皮肤和毛囊的免疫组化显示浸润的是CD8+和CD4+T细胞。这个模型依赖于CD8+T细胞,而CD4+T细胞则非必需,并有负调节作用。脱色依赖于IFN-γ和趋化因子受体CXCR3和CCR5,它们与IFN-γ诱导的趋化因子CXCL9、CXCL10和CCL5结合。

Mehrotra等人通过使用表达人黑素细胞特异性TCR和人HLA-A2的小鼠,开发了一种白癜风的转基因小鼠。这些小鼠的随着时间的推移而发生毛发脱色,组织学检查显示受影响的毛囊中的黑素细胞消失,抗原特异性T细胞浸润皮肤。由于在这些小鼠中产生的T细胞不表达CD4或CD8,目前还不清楚它们的效应功能是更像CD4+T细胞(从其衍生),还是CD8+T细胞(通常与HLA-A2相互作用)。进一步的研究可能会揭示黑色素细胞杀伤原因。

TrpHEL模型导致由识别模型抗原的CD4+T细胞介导的毛发脱色。在TRP-2启动子的控制下,黑素细胞中表达膜结合鸡蛋溶菌酶(hen egg lysozyme,HEL)。随后将这些小鼠与具有识别HEL肽46-61的T细胞的3A9 CD4+TCR小鼠杂交。杂交小鼠在21天时开始出现毛发脱色。脱色机制依赖于Fas-Fas配体介导的黑素细胞杀伤。但是人黑素细胞似乎对Fas介导的杀伤有抵抗力,因此该模型与人白癜风的相关性尚不清楚。

过继转移TCR转基因T细胞诱导

Muranski等人开发了一种具有识别TRP1的MHC II限制性(CD4+)TCR的转基因鼠。将这些小鼠的TRP1特异性CD4+ T细胞过继到RAG1缺陷的或亚致死性照射的C57Bl6小鼠,导致毛发迅速脱色。CD8+T细胞破坏黑素细胞,但CD4+T细胞在人类疾病中的作用尚不清楚。这个模型提供了研究CD4+T细胞对白癜风脱色的模型。

Antony等人将B16黑素瘤细胞注射到RAG缺陷的宿主体内,然后过继转移识别黑素细胞抗原gp100(PMEL)的活化CD8+T细胞克隆。宿主还感染了表达人gp100肽的鸡痘病毒,已经耗尽T调节细胞的IL-2或CD4+T细胞。接受这些细胞的宿主的肿瘤消退,毛发脱色,这代表黑素瘤治疗后发生的白癜风。这个模型依赖于CD8+T细胞介导的对黑素细胞的破坏和IFN-γ,可作用研究黑素瘤靶向免疫治疗的脱色现象。

人白癜风的特点是表皮脱色,而毛发少有累及,Kingsley等人研发了一个集合表皮脱色并不影响毛发的白癜风小鼠模型。小鼠有黑色的皮肤和毛发。亚致死性照射宿主并用表达gp100肽的重组痘苗病毒处理。5-7周后,小鼠的耳朵、尾巴、脚垫和鼻子出现了成片的脱色现象,毛发无脱色。这个模型与人类疾病类似,可能是代表人类白癜风表皮脱色的更好的模型,也很适合研究改变疾病严重程度的外用药。

小结

白癜风发病机制复杂,动物模型是研究白癜风发病机制很好的方法。但是很少有模型能反映人白癜风发病的全部本质,因此可能需要多模型进行研究。白癜风模型有自发性模型和诱导性模型。诱导模型主要是小鼠,小鼠的繁殖和维护成本较低,并提供了大量的工具来研究白癜风发病机制的贡献。总之,动物模型为研究白癜风发病机制提供了机会。每种模型都有其优缺点,应根据所要解决的实验问题来选择。 

via: Kingsley I. Animal models of vitiligo: Matching the model to the question. Dermatologica Sinica.

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