在一个反常温暖的二月早晨，马克·皮尔森开车 20 分钟来到明尼阿波利斯一家较大的宠物店。皮尔森是明尼苏达大学免疫学实验室的研究员，他经常来这里购买小鼠，所以大多数员工都认识他。今天他要了十只，一名员工从一个玻璃箱里把它们捞出来。皮尔森要求要小一点的小鼠，因为它们通常更年轻，但他不太挑剔。它们可能都有他想要的东西：细菌。
这些小鼠即将进入全国管控最严密的实验室之一，该设施通常用于研究危险病原体，如结核病和基孔肯雅病毒。这些啮齿动物可能没有携带严重的人类感染，但它们确实携带对大楼内其他数百只研究小鼠构成严重威胁的疾病。
宠物店的小鼠即将迎来新的室友。每只小鼠将与一群闪亮的黑色实验小鼠同住，分享食物、水、垫料，最重要的是，病原体。到目前为止，实验小鼠一直被饲养在吱吱作响的干净环境中，没有大多数疾病，所以有些小鼠会生病死亡。其余的小鼠将发展出更强大的免疫系统，更像野生小鼠——以及，可以说，人类。
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皮尔森的做法打破了规则。50 多年来，科学家们一直致力于让实验小鼠更清洁。在当今大多数实验室中，动物的笼子都经过消毒，它们的水瓶和食物都经过灭菌。“我们真的不遗余力地防止自然感染体验进入小鼠房，”明尼苏达大学的免疫学家大卫·马索普斯特说，他是皮尔森工作的实验室的负责人。这些努力已经得到了回报：随着病原体的混淆效应得到控制，小鼠实验的变异性降低了。
但现在大量研究表明，这种清洁是以牺牲为代价的，导致啮齿动物的免疫系统发育迟缓。为了追求标准化和一尘不染的小鼠，科学家们使这些生物成为人类免疫系统不太忠实的模型，而人类的免疫系统是在一个充满微生物的世界中发育起来的。这可能会对致力于将治疗方法和疫苗从实验室推向临床的研究人员产生严重影响。虽然尚无法将具体的失败归咎于标准小鼠模型无可挑剔的卫生条件，但马索普斯特认为，人为的环境肯定会产生一定的影响。将疗法从动物转移到人类的成功率非常糟糕，这已不是什么秘密——据一项估计1，90% 进入临床试验的药物都失败了。“你不得不怀疑，有时你是否会因为身处干净的环境而被误导，”马索普斯特说。
这就是为什么他和其 他研究人员正在开发更脏的模型，以更好地复制免疫系统在自然界中如何发育。一些研究小组给他们的小鼠感染了病菌2,3，另一些研究小组则给予它们更自然的微生物群4,5。但饲养更脏的小鼠可能存在风险。密苏里大学哥伦比亚分校的微生物组研究员亚伦·埃里克森说，宠物店的小鼠携带了太多的感染，就好像它们来自“狄更斯式的孤儿院”一样。实验动物护理人员非常重视生物安全，小鼠是宝贵的资源。“你最不想做的就是发生某种疫情。”
揭露真相
十多年前，马索普斯特开始思考清洁度问题。他震惊于实验小鼠的免疫构成与人类的免疫构成差异如此之大。当时，许多研究人员将这些差异归咎于遗传因素，但马索普斯特怀疑，实验小鼠之所以不同，部分原因是它们的生活环境。“这是小鼠的问题，”他想，“还是这真的只是实验小鼠的问题？”
为了回答这个问题，马索普斯特开始将实验小鼠的免疫系统与他在谷仓里捕获和从宠物店购买的小鼠的免疫系统进行比较。实验小鼠血液中的癌细胞和抗感染记忆 T 细胞（以前接触过病原体的免疫细胞）要少得多。它们身体其他组织中也几乎完全缺乏 T 细胞。人类、野生小鼠和宠物店小鼠体内都充满了这些组织驻留记忆 T 细胞。总的来说，实验小鼠的免疫系统看起来经验不足，更像人类婴儿，而不是成年人。
马索普斯特怀疑，过去的感染起着重要的作用。如果是这样，他认为他可以通过让实验小鼠接触传染源来诱导其免疫系统发生变化。如果实验小鼠的问题是清洁度，他能让它们变得更脏吗？
他设计了一个看似简单的实验：他会将一只宠物店小鼠放入装有几只实验小鼠的笼子里。实验小鼠会感染宠物店小鼠携带的任何东西——从毛螨和蛲虫到小鼠肝炎——并可能在免疫学上更像宠物店小鼠。明尼苏达大学免疫学家斯蒂芬·詹姆森说，这种同居方法可以让研究人员“将我们珍视的、定义明确的近交系小鼠推向更接近人类拥有的那种正常免疫体验”。詹姆森与马索普斯特合作。
但有一个主要的障碍：研究人员无处安放这些携带病菌的啮齿动物。“我最不想做的就是污染我同事的小鼠群，”马索普斯特说。当他第一次与动物资源部门的工作人员讨论这个实验时，“这绝对引起了他们的心悸，”他说。但幸运的是，该大学即将马索普斯特所在的大楼内建造一个高防护实验室。该设施专为生物安全三级 (BSL-3) 研究而设计，这意味着它将安全地容纳可能感染人类的病原体。但它也可以防止小鼠病原体传播给其他小鼠。2013 年，马索普斯特和他的同事设法在那里获得了一个房间。“我很幸运，”他说。“它未被充分利用。他们需要收入。这有助于他们思想开放。” 今天，那个房间里在塑料笼子里饲养着 500 只小鼠，每个笼子里都装着几只光滑的实验小鼠和一只蓬头垢面的宠物店小鼠。
与宠物店小鼠同住一个月后，新变脏的实验小鼠具有许多与野生和宠物店小鼠相同的免疫学特征2。与正常的实验小鼠相比，它们具有更多分化的记忆 T 细胞，并且它们发育出组织驻留记忆 T 细胞。标准的实验小鼠在哪些基因更活跃或更不活跃方面，在免疫学上与新生婴儿相似，但宠物店和小居小鼠的基因活动谱系更接近成年人类。当研究人员用单核细胞增生李斯特菌感染它们时，脏小鼠也比干净小鼠表现出更大的抵抗力：感染三天后，它们携带的细菌数量下降了四个数量级以上，这种反应与接种过该细菌疫苗的实验小鼠相当。
在马索普斯特开始在 BSL-3 实验室工作后不久，密苏里州圣路易斯华盛顿大学的免疫学家赫伯特·弗吉尼亚和他的同事独立开展了一个类似的项目，以了解实验小鼠的免疫系统。但他们没有使用宠物店小鼠来传播感染，而是决定自己传播感染，这种方法比同居更能控制。“作为一个也接受过病毒学家培训的人，我喜欢知道病原体是什么，”当时弗吉尼亚实验室的成员，现在是德克萨斯大学西南医学中心达拉斯分校的病毒免疫学家蒂芙尼·里斯说。
他们选择了四种病原体：两种疱疹病毒、一种流感病毒和一种称为蠕虫的肠道蠕虫，这种蠕虫会慢性感染小鼠的小肠。这些病原体都类似于经常感染发展中国家儿童的病原体。研究人员一次给小鼠感染一种病原体，并让动物有时间恢复，然后再进行下一次感染——这与人类感染、康复，然后再次感染的方式非常相似。另一组小鼠接受了生理盐水模拟接种。最后的免疫挑战是黄热病疫苗接种，该疫苗使用活的但减弱形式的病毒。
与马索普斯特的研究小组一样，研究人员注意到，在连续感染的小鼠中，基因表达谱系和对疫苗的反应都发生了显着变化3：最初，两组小鼠的抗体反应相同，但一个月后，同居小鼠的抗体水平较低。目前尚不清楚这种差异是否会影响疫苗的有效性。“我认为关于它是否具有任何特定用途，陪审团尚未定论，”弗吉尼亚说。尽管如此，他希望这些更脏的模型将有助于更深入地了解免疫系统的机制。
野性的呼唤
其他研究人员在寻求脏小鼠的过程中绕过了宠物店。美国国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所 (NIDDKD) 的免疫学家斯蒂芬·罗沙特在马里兰州贝塞斯达开车数百公里，走访了整个州和哥伦比亚特区的马厩，以收集野生小鼠。
罗沙特于 2013 年加入了 NIDDKD 免疫学家芭芭拉·雷赫曼的实验室，两人开始仔细研究关于微生物组的文献，微生物组是生活在较大生物体上和体内的微生物集合。研究表明，微生物组对免疫系统有巨大的影响，但他们发现的大多数论文都是基于两种实验小鼠类型的比较：一些具有实验室来源的微生物组，另一些则根本没有微生物组。罗沙特想知道，如果他给实验小鼠一个野生微生物组会发生什么？这将保留小鼠的遗传背景，但使其生理机能更接近其野生表亲。
罗沙特对他的野生微生物组供体有具体要求：他想要一只成年、基因与实验小鼠相似且不含病原体的供体，这样它就不会冒着感染美国国立卫生研究院 (NIH) 其他小鼠的风险。“我试图说服斯蒂芬，这是一个非常糟糕的研究想法，因为它非常困难，”雷赫曼说。但罗沙特无法被劝退。因此，每天早上，他开车去 3 到 10 个马厩，清空 100 多个捕鼠器，然后带着小鼠开车返回 NIH。然后，他解剖它们并保存它们的组织和粪便。晚上，他沿着原路返回，收集更多的小鼠，并用花生酱诱饵新的捕鼠器。他的一天从凌晨 4:30 开始，到午夜左右结束。他每周七天都遵循这个例行程序，持续了两个月。“当你这样做一周左右时，它很有趣，但过一段时间后，它会变得非常具有挑战性，”他说。
到最后，罗沙特处理了 800 多只小鼠。他和他的同事选择了三只具有正确基因且没有病原体迹象的小鼠。他们将来自动物粪便的微生物转移到怀孕的无菌小鼠身上。当这些小鼠分娩时，它们将这种微生物组传递给它们的幼崽。该团队将该组与具有来自消毒实验室环境的微生物组的无菌小鼠进行了比较。
然后，他们用小鼠适应性流感病毒感染了这些小鼠；92% 的野生微生物组小鼠存活下来，而具有标准实验室微生物组的小鼠只有 17% 存活4。当研究人员将野生微生物组小鼠暴露于引起结肠癌的化学物质时，它们也患上了较轻的疾病。“挑衅性的假设是，如果你让小鼠更像自然界中的真小鼠，那么它将成为也生活在自然界中的人类的更好模型，”雷赫曼说。
然而，更野性并不总是能带来更强的抗感染能力。上个月，新泽西州普林斯顿大学的进化生态学家安德里亚·格雷厄姆和她的同事表明，让实验小鼠重新野化会使它们更容易感染蠕虫5。格雷厄姆让她的实验小鼠在八个室外围栏中自由奔跑。当她放出第一批小鼠时，它们立即开始探索围栏，挖掘洞穴并品尝新的食物。“它们欣喜若狂。它们熬了几个通宵，”她说。它们遇到的微生物显着影响了小鼠控制某些类型寄生虫的能力。格雷厄姆实验室中的小鼠往往会很快清除寄生虫感染。但在户外，“在几周内，它们的蠕虫负担就很重，”她说。研究人员仍在试图弄清这可能是为什么，这可能有助于揭示免疫系统如何在更自然的环境中工作。罗沙特说，也许该系统优先对抗致命的微生物——病毒和细菌——而不是致命性较低的感染，如蠕虫。“免疫反应不可能对一切都完美，”他补充道。
这些脏模型引起了极大的轰动。“在许多方面，它们都是里程碑式的研究，”Taconic Biosciences 的微生物组产品和服务主管亚历山大·毛厄说，Taconic Biosciences 是一家位于纽约州伦斯勒的实验动物育种商和供应商。他说，这些脏小鼠将使研究人员能够“研究在正常小鼠模型中找不到的不同保护性免疫机制”。
大众模型
但研究人员尚不清楚哪些模型最适合哪些研究问题。例如，在马索普斯特的版本中，每组实验小鼠都会获得不同的病原体混合物。马索普斯特说，这既是诅咒也是祝福，因为人类也是可变的。在弗吉尼亚的设计中，小鼠会获得一组确定的病原体，但对免疫系统的影响并不那么强烈。
英国爱丁堡大学的免疫学家埃莉诺·莱利说，这些模型都无法完全复制自然界中发生的事情6。野生小鼠与实验小鼠在许多方面都不同：饮食可能起作用，或者性别、日光或温度。“我认为我们需要更多地与生态学家和动物学家合作，并看看真实世界，”她说。“存在采取稍微还原主义、简单化方法的危险。”
弗吉尼亚说，即使在实验室中重建这种简化的野生环境也是令人头疼的。“我认为人们对这很重要没有任何疑问，但实际上进行实验需要大量基础设施。” 野生微生物组模型避免了许多与病原体合作的问题，但正如罗沙特所知，捕捉野生小鼠本身就带来了挑战。
脏小鼠模型是否比标准实验小鼠更好地代表人类状况——并为药物提供更好的试验场——还有待观察。理想的实验将涉及采用在临床试验中失败的疗法，并在新模型中重新测试它，以查看结果是否与人类身上发生的情况相符。
这正是马索普斯特的研究小组正在做的事情，他们正在与两家制药公司合作。一家公司有一种在人体研究中失败的疗法，该公司想知道脏小鼠是否可以预测这种失败。另一家公司要求马索普斯特使用他的小鼠来测试一种在干净小鼠中效果良好的候选疗法。初步数据表明，它在脏小鼠中没有太大效果。
脏小鼠群正在其他地方涌现。华盛顿州西雅图贝纳罗亚研究所的免疫学家丹尼尔·坎贝尔去年 12 月收到了 NIH 的拨款，用于建立他自己的收藏。他和他的同事想测试他们为自身免疫开发的疗法，在自身免疫中，免疫系统开始攻击健康组织。治疗这些疾病的方法在无病原体小鼠中似乎效果良好。但他 说，“其中许多疗法并没有很好地转化为人类”。坎贝尔认为，脏小鼠的免疫系统比标准实验小鼠更发达，可能是测试这些疗法的更现实的模型。例如，它们可能使研究人员能够更好地检测到不必要的副作用。“令人担忧的是安全性，”他说。
坎贝尔说，建立同居模型一直具有挑战性，但他认为结果将是值得的。他的许多同事都有他们想在脏小鼠身上测试的问题，一旦小鼠群准备就绪。“我认为有很多人感兴趣，”他说。“我认为他们都会想加入。”
本文经许可转载，并于 2018 年 4 月 4 日首次发表。