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新冠科技攻关的“幕后功臣”

在中国医学科学院医学实验动物研究所科研楼后的一个僻静处,一块“慰灵石”静静地屹立于此,这是为纪念帮助人类攻克科学难关的实验动物而设立的。“每每遇到难题时,我都会到这里来静心、理思绪。”回忆起那段日夜兼程的日子,中国医学科学院医学实验动物研究所所长秦川说,在人们关注抗击新冠肺炎疫情成果时,不应忘记这些“幕后功臣”。

新冠科技攻关,建立动物模型是五大主攻方向之一。秦川团队联合中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所、中国医学科学院病原生物学研究所和医学生物学研究所,针对病毒的感染与体内复制、疾病临床症状,以及影像学、病理学和免疫学反应,通过感染冠状病毒受体人源化的转基因小鼠,率先建立了新型冠状病毒感染肺炎的转基因小鼠模型,突破了疫苗、药物从实验室向临床转化的关键技术瓶颈,并第一时间与全球共享。

SARS动物模型打下基础

2020年,全国迎战新冠肺炎疫情。

面对这一新型冠状病毒,人类有太多的疑问:它入侵人体的受体是什么,它带来的机体免疫反应是怎样的,它在人体各组织内如何分布,它的复制规律、病理发生过程是怎样的,它的哪些基因与因子在发挥关键作用,它可以通过哪些途径传播……这些都是药物和疫苗的研发基础问题,也都需通过动物模型去研究。

中国医学科学院医学实验动物研究所承担起构建新冠动物模型的任务。虽然是第一次与这个病毒打交道,但研究人员知道,这是一种冠状病毒。进入21世纪后,主要有两种冠状病毒导致人类的严重传染病:一个是SARS病毒,另一个是引起中东呼吸综合征的MERS病毒。

在SARS和MERS疫情期间,该团队都研制出国际首批动物模型,分别是:SARS感染恒河猴模型,SARS感染hACE2转基因小鼠模型;MERS感染狨猴模型和恒河猴模型,MERS感染hDPP4小鼠模型。

初步研究表明,新型冠状病毒和SARS病毒感染的人细胞受体都是ACE2;而MERS病毒感染的人细胞受体为细胞表面抗原CD26。进一步基因序列分析表明,新型冠状病毒与SARS病毒的同源性达到85%以上,超过了与MERS的同源性。因此,研究人员迅速选定了对SARS病毒敏感的hACE2转基因小鼠和实验用恒河猴,并同步完成病原检测试剂、感染方式、临床症状观察,以及评分、影像学、病理学、血液学和免疫学等一系列方法学体系和评价标准体系的建立。

在SARS研究期间,研究人员建立了人源化受体hACE2转基因小鼠模型。于是,研究人员将部分用于保种的小鼠拿出来,繁殖小鼠模型。“由于保存的小鼠数量少,许多科学家依然无法及时用上动物模型。我们与有关企业合作,实现了小鼠快速、大量繁殖。”秦川说,“在那个紧张的时刻,恨不得会魔法,能变出无数的动物来。”

同样,得益于SARS感染恒河猴模型打下了研究基础,很快新冠病毒的灵长类动物模型也取得成功。后来,研究人员又分别研制了模拟轻症、普通型、重症和死亡病人的模型,分别满足了疫苗、药物、抗体、传播途径、康复期治疗、致病机制等不同研究需求。

有了这些动物模型,研究人员首次检测到新冠病毒经呼吸道飞沫、密切接触、气溶胶、消化道、结膜等途径传播;创建了新冠肺炎治疗药物的动物模型有效性评价技术体系,并完成了130余种药物筛选,筛选到有效药物8种,分别被写入国家新冠肺炎诊疗方案第二、三、四、七版。同时,他们基于转基因小鼠和金黄地鼠模型,创建了新冠肺炎抗体的动物模型有效性评价技术体系,评价了全球首个人源单克隆抗体的预防及治疗效果,探索了治疗时间窗和剂量,为临床提供了参考信息。

150多个日夜高强度攻关

“我以为我的工作很普通,就是进行动物模型病理诊断。但课题组组长告诉我,全世界的疫苗研发都在等着我的病理报告。”团队成员徐艳峰拿起一张张片子介绍,“这是第一个疫苗的,这是第二个疫苗的,这是第一个药物的,这是第二个药物的,这是证明病毒传播途径的,这是否定粪口传播途径的,还有这些……”

截至目前,研究团队已完成近50种疫苗的动物模型有效性评价;完成了国家部署的80%的疫苗评价,其中11种进入临床试验,包括全球第一个进入临床试验的疫苗、第一个紧急使用的疫苗、第一个获批上市的疫苗,以及国外第一个上市的疫苗。

这些成果背后,是研究人员的艰辛付出和努力。研究工作在动物生物安全三级实验室内进行。“开展动物模型研制、疫苗和药物评价及相关研究,需要培养大量高浓度的病毒。”团队成员吕琦的主要工作之一,就是进行新冠病毒的培养和富集。而事实上,不只是这一环节需要特别注意安全问题,在动物感染病毒、处理动物排泄物、给动物拍胸片、解剖动物等各个环节,研究人员都面临一定的风险。

“所以,我们需要制订详细的风险控制方案,尤其是在给动物接种病毒、肺组织活检取材、拍X线片、病理解剖时,要特别严格防控。操作人员要经过系统的培训和严格的考核。每当有新的实验操作,秦川教授都手把手指导年轻人。”中国医学科学院医学实验动物研究所副所长、研究员刘江宁说。

在150多天夜以继日的高强度攻关中,团队成员平均每天只能休息三四个小时,且无法轮休。秦川教授在过度劳累和巨大压力下,犯了肾结石,疼得手指都在颤抖,却咬着牙说:“我有9条命,继续工作。”

长期耕耘换来厚积薄发

“这次动物模型构建工作之所以如此迅速,得益于传染病防治科技重大专项的资助。”秦川坦言,“没有扎实的遗传学、分子生物学、医学、兽医学和比较医学的积累,是不可能成功的。”

经验的积累始于18年前,彼时SARS疫情暴发。“国内研究用的主要是几种小鼠和大鼠,资源严重匮乏。最让人揪心的是,我们不知道哪一种动物对病毒敏感,不知道哪种动物适合做感染模型,当时筛选了20多种动物,历时半年多,才成功筛选到了对病毒敏感的动物,建起模型。”秦川回忆道,“SARS之后,我们总结经验,国家要做战略资源的储备。等传染病暴发的时候,我们就能立刻顶上去。”

到了2009年,甲流疫情暴发。“我们利用前期储备的对流感敏感的雪貂,1个多月就建立了甲流动物模型,立刻评价了全球第一个甲流疫苗。”秦川介绍。

有了长期耕耘,中国力量厚积薄发:H7N9疫情、手足口病疫情、新中东呼吸综合征疫情、南美洲寨卡疫情等,我国科学家都提供了第一个动物模型。

“经过20多年的经验积累,我们将实验动物学和医学、药学结合,创建了比较医学学科,并建成了比较医学理论与技术体系,提高了医学和药学等动物实验结果外推到人体的成功率,解决了严重困扰医学界和药物研发界的问题。”秦川说。2019年,美、日、法、德等15个国家及地区的专家推动成立了国际比较医学学会,秦川被推选为首届理事长。

现在,我国科学家在小鼠、豚鼠、小型猪等动物的基因快速编辑技术方面已达到国际先进水平;动物模型资源总量全球排名前五,并开发了与我国常见病相关的特色动物资源,在传染病动物模型资源、精准医疗动物资源、基因工程大鼠资源方面达到了国际领先。

2020年4月,科技部和财政部联合发文,批准建设国家人类疾病动物模型资源库,纳入国家科技资源共享服务平台管理。资源库以中国医学科学院医学实验动物研究所为依托,拥有人类疾病动物模型资源1047种,包括传染病、神经系统疾病、心血管疾病、肿瘤、免疫缺陷易感等动物模型资源。同时,该资源库拥有系统的动物模型研制、表型分析、质量检测、保种和繁殖供应体系,承担疾病本质基础研究及医药研发的成果转化等相关工作,是国家人类疾病动物模型的核心基地。

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实验动物学

小鼠是最早出现的实验动物之一。20世纪中叶之前是实验动物物种和品系资源的重点发展阶段,各种近交系、封闭群的大、小鼠品系,以及兔、比格犬等实验动物品种被相继培育出来,实验动物学科也于20世纪50年代建立。

20世纪末期,基因工程技术的出现及其在实验动物领域的应用,促进了实验动物资源飞速发展。例如,转基因技术、同源重组依赖的基因敲除技术、人源化动物技术等,促进了小鼠全基因敲除等计划的实施,催生了数以万计的基因工程动物品系产生。

21世纪初,CRISRP基因快速编辑技术的问世,极大加速了实验动物基因编辑的进程,并且使原本极其困难的大动物基因敲除技术门槛降低。例如,利用最新的基因快速修饰技术,科学家3个月就可以在大小鼠体内去除一个基因,或者插入一个基因,来研究基因与疾病的关系。通过特殊的免疫缺陷动物育种技术,可以培育无免疫排斥反应的动物,从而培养每一个病人的肿瘤组织,研究个性化诊疗技术。

实验动物学科的每一次进步,都会反哺生命科学和医学研究,助力发现生命中的未知,揭示疾病的诱因,发现新的药物作用靶点。新的药物和诊疗技术问世后,又需要实验动物验证其安全性和有效性,才能应用于人体。

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