值得关注的四项改变游戏规则的免疫学工具

先进工具和技术让研究人员得以深入观察人体的防御系统。从观察单个细胞的活动到改进或替代动物模型，下文所述的方法正帮助免疫学家在2025年突破研究边界。

THX小鼠：外表是鼠，内里似人
40多年前首个含有人体细胞和组织的小鼠模型问世以来，它们模拟人类免疫系统的能力虽不断提升，但仍不够精准。得克萨斯大学圣安东尼奥健康科学中心的免疫学家保罗·卡萨利指出，一个主要问题是小鼠有1600多个免疫反应基因与人类对应基因不匹配。而且大多数“人源化小鼠”（含有人类基因、细胞或组织）产生的抗体不足以对抗感染，这对研究疫苗和免疫反应的科研人员来说是个难题：“它们根本没用。”

卡萨利和他的前研究生丹尼尔·丘普（现就职于马萨诸塞州生物技术公司Invivyd的免疫学家）领导的团队数十年来一直试图克服这一障碍，如今努力开始有了回报。在去年发表的一篇论文中，该团队介绍了THX——一种能复制人类免疫系统的小鼠模型。

为培育THX小鼠，研究人员向小鼠体内注射人类干细胞，这些干细胞会发育成淋巴结、抗体以及T细胞和B细胞（白细胞的一种）等免疫组件。当接种基于mRNA的新冠疫苗时，THX小鼠会产生强烈的免疫反应，这一特性对疫苗研究至关重要。

THX小鼠已引起美国和欧洲多个研究团队的关注。“我几乎每天都收到邮件，”卡萨利说。其中包括加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所的免疫学家詹姆斯·沃斯领导的团队，他计划利用这种小鼠推进靶向HIV疗法的研究。沃斯团队已利用CRISPR基因编辑技术重编程人类B细胞，使其产生能识别并阻断多种HIV毒株的抗体。尽管现有人类化小鼠模型也有B细胞，但它们无法产生足够强的抗体反应，形成了沃斯所说的“发育障碍”。而THX小鼠克服了这一限制，为他的研究开辟了新路径。

一旦上市，THX小鼠预计将比其他小鼠模型更便宜，且生产劳动强度更低。沃斯解释说，这是因为它们不需要复杂的组织移植，他希望在未来几个月开始使用THX小鼠：“我非常兴奋，我认为这将是一个真正的游戏规则改变者。”

器官芯片和类器官系统：小鼠退居二线
一些研究人员正通过构建微型人类器官和组织，完全摒弃动物模型。这些系统包括器官芯片平台和类器官系统（模拟器官功能的细胞培养物），能提供人体肠道、肝脏、肺等器官在健康和患病状态下的详细情况。

马里兰州巴尔的摩约翰·霍普金斯大学的药理学家托马斯·哈通表示，这对药物研发而言是个诱人的前景，因为这些系统比动物模型更能准确模拟人类生物学。他补充道，过去十年获批的许多药物都基于人类蛋白质和抗体，“在动物模型中测试它们毫无意义”。

微型器官模型还帮助研究人员更好地理解体内系统如何相互作用以及对疾病的反应。麻省理工学院的生物工程师琳达·格里菲斯及其同事开发了人类肠道模型，用于研究肠道微生物如何与免疫细胞相互作用并调节炎症。他们还创建了子宫内膜异位症和胰腺癌的模型。

格里菲斯指出，构建此类系统并进行复制难度很大，许多实验室都难以做到。她补充说，将其扩大规模进行批量生产也非常复杂，因为需要严格的质量控制措施。

尽管存在这些障碍，器官和组织微系统在实验室中可能会越来越常见，至少在美国是这样。今年7月，美国国立卫生研究院（NIH）宣布，将不再为完全依赖动物模型研究人类疾病的项目提供新资金，转而优先资助使用基于人类技术的研究，包括器官芯片和类器官系统。

美国食品药品监督管理局（FDA）今年也宣布了类似计划，将逐步淘汰动物测试，转而采用人类细胞培养物和类器官进行药物安全性试验。FDA的路线图指出，动物模型对许多常见疾病（从癌症到阿尔茨海默病）的药物成功预测能力很差。该机构表示，有些在动物模型中看似安全的化合物，在人体中却具有致命性。“他们非常明确地告诉我们，这就是未来的发展方向，”哈通说。

单细胞RNA测序：升级单细胞测序技术
很少有技术能像单细胞RNA测序（scRNA-seq）那样帮助研究人员解开免疫系统的奥秘——这种方法能确定哪些基因正在转录为单个细胞的RNA。scRNA-seq于21世纪0年代末问世，在过去十年中迅速发展，已被用于绘制特定免疫细胞类型图谱，并找出影响免疫反应的基因活动关键差异。如今，研究人员正将scRNA-seq与其他工具结合，赋予其更多功能。

加州大学旧金山分校的免疫学家萨拉·苏利曼表示，一种与scRNA-seq配合得特别好的方法是CITE-seq，它能同时识别单个细胞表面的RNA和蛋白质。

法国马赛-卢米尼免疫学中心的免疫学家埃里克·维维耶说，这种组合方法对自然杀伤（NK）细胞（一种能破坏病变细胞的白细胞）的研究大有裨益。去年，维维耶团队发表的一项研究利用scRNA-seq和CITE-seq，根据NK细胞在不同组织和癌症中产生的蛋白质，发现了三种主要的NK细胞类型。这帮助研究人员设计出更好的细胞“衔接器”——引导NK细胞攻击肿瘤的分子。该团队随后构建了一种新的衔接器，能激活所有三种NK细胞类型，以靶向治疗耐药性非霍奇金淋巴瘤。

维维耶表示，使用 older technologies（如 bulk RNA sequencing，即 bulk RNA测序）无法实现这些研究，因为 bulk RNA测序会掩盖单个细胞的独特特征。

另一种scRNA-seq附加技术是单细胞ATAC-seq，它能显示哪些DNA区域是开放、可访问且可能活跃的基因表达调控区域，而不仅仅是显示哪些基因被激活。这项技术不仅能深入了解细胞功能，还能让研究人员拼凑出未来可能发生或已准备发生的事情。今年8月，北京清华大学医学院研究人员领导的团队描述了他们如何使用ATAC-seq研究急性髓系白血病（一种进展迅速的血液和骨髓癌症）。研究揭示了某些白血病细胞中基因调控异常如何导致疾病在治疗后复发。

与此同时，Perturb-seq是一种将scRNA-seq与CRISPR基因编辑相结合的技术。它能让科学家同时关闭或修改数千个细胞中的基因，并追踪这些变化对细胞的影响。苏利曼说，它已被用于研究因果关系，例如一个微小的基因变化如何使人更容易感染或发炎，“这才是强大数据的来源”。