品系名
BALB/c Nude
专业名称
CAnN.Cg-Foxn1nu/Crl
毛色
无毛,白化背景
品系代码
401
来源
Charles River Japan(CRJ)公司通过对BALB/cABom-nu和BALB/cAnNCrj-nu进行交配和回交得到该品系
1985年CRJ得到了来源明晰的BALB/cAnNCrj-nu孕鼠,并在同年进行剖腹产
这种小鼠是近交的,遗传监测确证是BALB/c裸鼠
此小鼠没有胸腺,因此造成T细胞缺陷
2001年维通利华从CRL引入第8代核心群
2011年维通利华对该品系进行了Cloneback,重新从Charles River引入第26代核心群
特性及研究用途
生长发育不良,繁殖力低下,易发生严重感染
胸腺缺失,为第11对染色体隐性遗传
由于无胸腺,仅有胸腺残迹或异常上皮
不能使T细胞正常分化,故T细胞免疫缺陷
B淋巴细胞正常,但功能缺陷,抗体主要为IgM,只有少量IgG
无接触敏感性,无移植排斥反应,因此可广泛用于免疫学、肿瘤学和疾病发生机理的研究
注意事项
大周龄雄性裸鼠群养时,易发生打斗、外伤现象,因此尽可能降低饲养密度,多加观察,必要时单笼饲养。
对于出现的外伤,可用碘伏消毒,一般1-2周可痊愈。
无法用于实验的个体建议安乐死处理。
肿瘤生物学,异种移植研究,胸腺缺失,T细胞功能缺陷
BALB/c-nu 裸鼠:遗传背景、免疫机制、生理特性及全球生物医学研究应用深度报告
裸鼠研究的历史演进与全球生物医学意义
实验动物模型在生物医学研究中扮演着至关重要的角色,而裸鼠(Nude Mouse)作为免疫缺陷动物模型的先驱,其发现与应用彻底改变了人类对肿瘤免疫、移植排斥及发育生物学的认知 [1, 2]。裸鼠的最早观察记录可追溯至 1962 年,当时格拉斯哥 Ruchill 医院的 Norman R. Grist 博士在其实验室的非近交系小鼠种群中偶然发现了一种表现为先天性无毛的突变个体 [2, 3, 4]。由于其外观上完全缺乏可见的被毛,这种突变被形象地称为“裸”(nude),并在随后的遗传学命名中被指定为 nu 突变 [2, 4]。
最初,这种突变被认为仅仅是外皮系统的异常,但 1966 年 Flanagan 的研究揭示了其更深层次的生物学影响 [5, 6]。进一步的解剖学研究发现,这些小鼠不仅缺乏毛发,还存在严重的胸腺发育不全,表现为胸腺缺失或仅有残留的雏形组织 [1, 4]。这一发现将裸鼠推向了免疫学研究的前沿,因为胸腺是 T 淋巴细胞成熟的核心器官。随着遗传学技术的发展,研究人员将 nu 突变引入到不同的近交系背景中,其中最成功且应用最广泛的便是 BALB/c 背景 [1, 3, 7]。BALB/c-nu 裸鼠的问世,为肿瘤学研究提供了一个近乎完美的异种移植(Xenograft)环境,使得人类肿瘤细胞能够在活体动物体内生长,从而开启了临床前抗癌药物筛选的新纪元 [1, 8]。
在全球生物医学研究版图中国,BALB/c-nu 裸鼠不仅是癌症转化研究的基石,也是免疫缺陷阶段化发展的标志 [1, 5, 9]。从早期的单免疫缺陷模型(如裸鼠)到后来的双重缺陷(SCID)乃至三重缺陷(NSG/NOG)模型,BALB/c-nu 始终保留着其独特的科研价值,特别是在那些需要保留一定先天免疫活性或通过皮肤直观观察肿瘤动态变化的实验设计中 [1, 8, 10]。
遗传背景与 Foxn1 突变的分子生物学机制
Foxn1 基因的定位与结构特征
裸鼠表型的遗传学基础位于小鼠第 11 号染色体上的 Foxn1 基因(Forkhead Box N1),在早期的文献中,该基因常被称为 whn(Winged-helix-nude)或 Hfh11 [2, 11, 12]。Foxn1 是 Forkhead 框转录因子家族的一员,这类转录因子以其保守的“翼状螺旋” DNA 结合结构域而著称 [12, 13]。在人类基因组中,FOXN1 定位于第 17 号染色体,且在序列和功能上与鼠类高度保守,人类中该基因的突变同样会导致类似的先天性无毛、胸腺缺失及指甲营养不良症状 [12, 13, 14]。
Foxn1 基因的表达调控具有高度的复杂性和组织特异性。研究表明,该基因包含 8 个编码外显子,其转录受两个不同的启动子驱动:启动子 1a 和启动子 1b [6]。启动子 1a 在胸腺上皮和皮肤中均表现出活性,而启动子 1b 则专门负责皮肤层面的表达调控 [6]。这种结构设计使得 Foxn1 能够协调两个看似无关的生理过程:免疫器官的生成与外被系统的发育 [6, 13]。
胸腺上皮细胞发育的阻断
在胚胎发育的关键阶段,Foxn1 作为一种“主调控因子”,驱动原始胸腺原基(Thymic Anlage)向功能性胸腺上皮细胞(TECs)的分化 [13, 14, 15]。在正常生理状态下,胸腺原基需要经历复杂的上皮-淋巴细胞相互作用,才能形成支持 T 细胞前体成熟的微环境 [12, 15]。然而,在 BALB/c-nu 裸鼠中,Foxn1 的功能性缺失导致胸腺上皮细胞无法完成从原始状态向皮质上皮细胞(cTECs)和髓质上皮细胞(mTECs)的分化转变 [12, 15]。
这种发育中断导致胸腺维持在一种发育不全的雏形状态(Rudimentary Thymus),无法提供 T 细胞进行 V(D)J 重组、阳性选择和阴性选择所必需的信号分子 [4, 15, 16]。虽然裸鼠体内的骨髓造血干细胞能够产生正常的 T 细胞前体,但由于缺乏胸腺这一“训练场”,这些前体细胞在发育早期即被阻断,无法分化为成熟的 CD4+ 或 CD8+ T 淋巴细胞 [1, 2, 5, 8]。
皮肤屏障与毛发发育的遗传缺陷
Foxn1 在皮肤科学中的角色同样不可忽视。它在表皮角质形成细胞和毛囊中高度表达,调节角蛋白的合成及毛囊细胞的终末分化 [6, 12, 17]。在裸鼠中,虽然毛囊原基确实存在,但由于 Foxn1 缺失导致的角质化障碍,毛干结构异常脆弱,在生长过程中往往由于无法穿透角质层而在皮下折断或发生螺旋状弯曲 [4, 12, 17, 18]。
此外,裸鼠的表皮层发育也呈现出非典型特征。虽然传统组织学研究曾认为裸鼠表皮相对正常,但电子显微镜下的观察揭示了其角质化过程的深度损伤 [6, 18]。这种屏障功能的弱化不仅导致了裸鼠对外界环境变化的极度敏感,也使其成为研究透皮给药系统、皮肤伤口愈合及皮肤肿瘤发生的天然模型 [19, 20, 21]。
免疫表型深度解析:从缺陷到代偿
T 细胞缺陷:细胞免疫的坍塌
BALB/c-nu 裸鼠最核心的免疫特征是功能性 T 细胞的极度匮乏。这种缺陷不仅体现在外周血中循环 T 细胞数量的锐减,更体现在细胞介导免疫功能的全面丧失 [1, 2]。
1. 移植排斥缺失:由于缺乏识别异种抗原并启动免疫攻击的 T 细胞,裸鼠无法排斥同种异体甚至异种组织 [1, 2, 8, 22]。这一特性是人类肿瘤细胞能在其体内定植并生长的前提 [1]。
2. 辅助功能受阻:缺乏 CD4+ 辅助性 T 细胞,意味着机体无法有效启动针对胸腺依赖性(TD)抗原的 B 细胞激活和同种型转换过程 [2, 4, 9]。
3. 细胞毒性活性缺失:CD8+ T 细胞的缺失使得裸鼠无法清除受病毒感染的细胞或内源性突变的癌细胞 [2, 11]。
B 细胞与免疫球蛋白:维持在原始状态
尽管裸鼠拥有正常发育的 B 细胞谱系,但其功能受到 T 细胞缺失的严重制约 [1, 4]。在 BALB/c-nu 裸鼠中,免疫球蛋白的分布呈现出显著的失衡状态。
• IgM 的主导地位:由于无法进行有效的同种型转换,裸鼠血清中的免疫球蛋白以 IgM 为主 [4, 5]。
• IgA 与 IgG 的匮乏:IgA 水平通常极低或检测不到,这导致其粘膜免疫屏障极其脆弱 [5, 23]。
• 体液免疫应答:对于非胸腺依赖性(TI)抗原,裸鼠尚能产生一定程度的抗体反应,但这种反应缺乏免疫记忆,且主要限于 IgM 类抗体 [4, 24]。
先天免疫系统的活跃与代偿
与 SCID 或 NSG 等深度缺陷小鼠相比,BALB/c-nu 裸鼠保留了相对稳健的先天免疫成分,这在其实验应用中构成了重要的考量因素 [1, 5, 10]。
• NK 细胞(自然杀伤细胞):裸鼠的 NK 细胞不仅数量正常,而且由于缺乏 T 细胞的竞争,其活性往往表现出代偿性增强 [1, 5]。这种强大的 NK 细胞杀伤力是阻碍造血系统肿瘤和人类原代细胞高效植入的主要障碍 [1, 8]。
• 巨噬细胞与中性粒细胞:这些吞噬细胞的功能通常是完整的,能够执行基础的吞噬和杀菌任务,但在缺乏 T 细胞衍生细胞因子(如 IFN-γ)的情况下,其杀伤效率可能无法达到最优状态 [1, 5, 25]。
• 补体系统:在 BALB/c 遗传背景下,裸鼠拥有完整的补体级联反应系统,这与某些具有补体缺陷的 NOD 背景模型(如 NOD/SCID)形成鲜明对比 [5, 16, 25]。
免疫“渗漏”现象:老龄化带来的复杂性
研究人员必须注意到,裸鼠的 T 细胞缺陷并非绝对永恒。随着年龄的增长(通常在 6 个月后),部分裸鼠体内会出现少量的功能性 T 细胞,这一过程被称为“渗漏”(Leakiness) [2, 4, 26]。
• 渗漏机制:这些 T 细胞可能通过肠道相关的淋巴组织(GALT)或其他胸腺外途径发育而来 [4]。
• 实验干扰:虽然渗漏产生的 T 细胞数量有限,但足以在某些长周期的免疫研究或敏感的移植实验中引入干扰变量 [4, 8]。
生理学特征、亚系差异与品种对比
物理性状与环境适应性
BALB/c-nu 裸鼠因其白化(Albino)背景而呈现纯白色的皮肤,肉眼可见明显的皮肤褶皱,且触感较为温润 [3, 7, 27]。缺乏毛发不仅影响其外观,更深刻地改变了其能量代谢和温控机制。
• 体温调节:裸鼠的甲状腺功能可能存在轻微缺陷,且棕色脂肪组织(BAT)发育不良,这使其在寒冷环境下维持体温的能力极差 [1, 28]。
• 代谢率:为了维持正常体温,裸鼠通常需要更高的代谢消耗。由于缺乏被毛的隔热作用,冷应激会直接导致其实验性能下降甚至死亡 [1, 28]。
裸鼠亚系的技术规格比较
不同的遗传背景赋予了裸鼠不同的生物学特性,科研人员需根据研究目标选择最合适的亚系。
亚系全称 | 遗传背景 | 核心生物学优势 | 典型应用领域 |
BALB/c Nude (CAnN.Cg-Foxn1nu/Crl) | 纯近交系 (Inbred) | 遗传背景极度统一,个体差异小,H-2d 单倍型 [3, 7, 29] | 标准 CDX 肿瘤模型、单克隆抗体制备 [29, 30] |
CD-1 Nude (Crl:CD1-Foxn1nu) | 远交系 (Outbred) | 繁殖能力强,体型较大,对手术操作耐受度高 [1, 31] | 毒理学筛选、大规模药效评价 [1, 10] |
NCr Nude (CrTac:NCR-Foxn1nu) | 混合/远交背景 | 融合了 BALB/c 和 NIH 背景,是 NCI 的标准筛选模型 [32, 33] | 国家级抗癌药物筛选计划、化疗耐药性研究 [32] |
NIH Nude (Crl:NU-Foxn1nu) | 远交系 | 起源于 NIH,表现出更强的生命力和更长的预期寿命 [1, 9, 30, 34] | 异种移植基础研究、内分泌学研究 [9, 34] |
NMRI Nude (BomTac:NMRI-Foxn1nu) | 远交系 | 对环境感染的抵抗力相对较强,常用于欧洲实验室 [18] | 肿瘤血管生成研究、人类皮肤移植 [18] |
肿瘤学研究:CDX、PDX 与临床前评价
细胞系来源异种移植(CDX)模型的金标准
BALB/c-nu 裸鼠是建立 CDX 模型应用最广的宿主。其无毛性状不仅是视觉上的便利,更是数据精确性的保障 [1, 8]。
• 测量优势:研究人员可以使用电子卡尺直接测量皮下肿瘤的长、宽、高。通常采用体积公式 V=(Length×Width2)/2 或基于三轴测量的椭球体公式来计算肿瘤负荷,其准确度远高于有毛小鼠 [1]。
• 活体成像:无毛皮肤减少了光信号的衰减和自体荧光干扰,使得利用荧光蛋白或生物发光技术追踪肿瘤转移及评估药物分布变得更加高效 [1, 8]。
患者来源异种移植(PDX)模型的挑战与应用
虽然更深度的缺陷模型在 PDX 领域占据优势,但 BALB/c-nu 在特定类型的 PDX 研究中仍有其地位 [22, 35, 36, 37]。
• 成瘤率分析:在某些实性瘤(如某些类型的肺癌或乳腺癌)中,裸鼠仍能支持肿瘤块的存活 [22]。
• 宿主基质贡献:由于裸鼠具有相对完整的内皮系统和成纤维细胞活性,其提供的肿瘤微环境在某些方面可能比极度缺陷的模型更能模拟真实的宿主反应 [36, 37]。
临床前药物敏感性测试标准
针对 BALB/c-nu 裸鼠,肿瘤学研究建立了一套成熟的给药与评价体系 [22, 38]。
药物名称 | 作用机制 | 裸鼠耐受剂量/方案 | 抑瘤率 (IR) 判定标准 |
顺铂 (CDDP) | DNA 交叉联结剂 | 8 mg/kg, i.p. 单次 [38] | IR > 58% 表示药物敏感 [38] |
5-氟尿嘧啶 (5-FU) | 抗代谢药 | 50 mg/kg, q4d x 3, i.p. [38] | 基于中位瘤重与对照组对比 [38] |
丝裂霉素 (MMC) | DNA 烷化剂 | 6 mg/kg, i.p. 单次 [38] | 综合存活率与抑瘤体积评估 [38] |
阿霉素 (ADM) | 拓扑异构酶抑制剂 | 8 mg/kg, i.v. 单次 [38] | 需严格监测心脏毒性 [38] |
环磷酰胺 (CPA) | 烷化剂 | 120 mg/kg, i.p. 单次 [38] | 观察白细胞减少等系统副作用 [38] |
皮肤科学与透皮给药研究
伤口愈合与皮肤再生模型
由于 Foxn1 基因与皮肤发育的直接关联,BALB/c-nu 裸鼠成为研究皮肤伤口愈合过程及其干预手段(如干细胞疗法)的关键模型 [6, 19]。
• 动态监测:在制造全层皮肤缺损后,研究人员可以逐日拍摄照片,并利用 ImageJ 等软件精确计算愈合率。由于裸鼠缺乏毛发干扰,其上皮化边缘和肉芽组织生成清晰可见 [19]。
• 生物标记物分析:通过提取愈合过程中的皮肤组织,可以定量分析 VEGF、IL-10、TNF-α 等细胞因子,揭示干细胞(如 FSSCs)通过调节炎症微环境促进血管生成的分子路径 [19]。
透皮吸收与外用药评价的利弊
裸鼠皮肤在药理学上被视为一种“加速”模型 [21]。
• 高渗透性:其角质层较薄且毛囊密度极高,这为外用药物提供了更多的渗透途径。Wong 等人的研究指出,虽然这方便了药物活性的筛选,但也可能导致对人类皮肤渗透量的严重过度预测 [21]。
• 屏障受损研究:裸鼠天然地模拟了某种程度上的屏障功能障碍,因此常被用于评估针对特应性皮炎或牛皮癣的保护性乳膏 [21]。
药效学、毒理学与安全性评估应用
药物毒性评估
BALB/c-nu 裸鼠在药物开发早期的毒性评估中具有不可替代的作用,尤其是在需要排除 T 细胞介导干扰的情况下评估药物的直接毒性 [39, 40, 41]。
• 急性和亚急性毒性:例如,在评估白藜芦醇衍生物 RSM5 时,研究者在 BALB/c 裸鼠上观察了 28 天的重复给药反应。通过监测血生化指标(如 ALT、AST、肌酐)和主要脏器(心、肝、脾、肺、肾)的组织学切片,可以确定药物的无观察不反应水平(NOAEL) [39]。
• 环境污染物毒性:裸鼠也被用于评估环境污染物(如含氟磺酸 PFESA-BP2)的肝毒性。研究发现,在 3-6 mg/kg 的剂量下,裸鼠会出现显著的肝脏肿大和转氨酶升高,其积累模式表现出明显的性别差异 [40]。
放射毒性研究
裸鼠对放射性同位素标记药物(如 [211At]astatide)的反应研究,为癌症放射免疫治疗奠定了基础 [41]。
• 剂量反应:研究显示,BALB/c 裸鼠对放射性损伤的耐受性略低于某些杂交背景,其 LD10 约为 $7.7 \text{ \mu Ci}$。主要的毒性表现为严重的骨髓抑制和胃粘膜细胞核异型性 [41]。
高标准饲养与管理规程
环境屏障与生物安全级别
免疫缺陷的本质决定了裸鼠维护的高成本与高风险。
• 最大屏障设施:裸鼠必须在最大屏障等级(Maximum Barrier)下饲养,通常采用独立通风笼具(IVC)或正压隔离器 [1, 42, 43]。
• 人员管控:进入饲养间的人员必须执行严格的更衣和消毒程序。操作人员被视为病原体(如金黄色葡萄球菌)的最大携带者,因此操作必须在生物安全柜内进行 [9, 43]。
饮食、饮水与灭菌流程
• 饲料处理:建议使用经高压灭菌或 γ 射线照射的强化饲料。由于灭菌过程可能损失 20%-30% 的维生素,研究级饲料通常会预先超量添加关键营养素 [28, 44]。
• 水质酸化技术:将饮用水 pH 值调节至 2.5-3.0 是控制假单胞菌感染的标准做法。酸化水不仅能抑制细菌生长,还能防止饮水瓶中生物膜的形成 [28, 42, 43]。
• 垫料选择:应使用吸水性好、无粉尘且经灭菌的垫料。玉米芯垫料虽然吸水性好,但裸鼠因缺乏毛发保护,细碎的玉米芯可能摩擦其腹部皮肤引起微小创伤,因此纸屑或软木屑垫料往往更为合适 [1, 28]。
环境富集与福利
尽管环境需要无菌,但裸鼠的心理福利同样重要。
• 社交需求:裸鼠应群体饲养(通常每笼 4-5 只),以提供社会互动并帮助彼此维持体温 [39, 42]。
• 筑巢材料:提供灭菌的牛皮纸屑或棉絮。这对裸鼠至关重要,因为它们可以通过筑巢行为来补偿体温调节能力的不足 [1]。
• 攻击行为管理:雄性裸鼠有时会表现出较强的攻击性。由于其皮肤缺乏保护,抓伤极易引起脓肿。降低饲养密度并提供咀嚼棒等富集物可以有效缓解这种行为 [1]。
免疫缺陷模型的横向比较:BALB/c-nu的核心定位
在选择动物模型时,研究人员必须深刻理解 BALB/c-nu 与其他先进模型的细微差别。
评价维度 | BALB/c-nu (裸鼠) | BALB/c-SCID | NOD/SCID | NSG/NOG (超级模型) |
免疫广度 | 仅 T 细胞缺陷 [1, 5] | T、B 细胞双缺 [5, 25] | T、B 缺,NK 弱 [5, 30] | T、B、NK 全缺 [10, 16, 25] |
先天免疫 | NK、补体、巨噬活跃 [1, 5] | 正常 [5, 30] | 部分受损 [5, 30] | 极度受损 [10, 16, 25] |
人源细胞植入 | 效率极低 [1, 26] | 低 [25] | 中等 [8, 22] | 极高 [10, 16, 25] |
寿命与肿瘤 | 6-12月;自发瘤少 [1] | 8-10月;易渗漏 [5, 8] | 约8个月;易发胸腺瘤 [8, 30] | >18月;稳健性高 [10, 30] |
操作便利性 | 极佳(无毛)[1, 8] | 一般(需除毛)[8] | 一般 [8] | 一般 [8] |
研究成本 | 相对较低 | 中等 | 高 | 极高 |
通过对比可以发现,BALB/c-nu 并不是一种“被时代遗弃”的模型,而是一种针对特定研究目标的优化工具。例如,对于需要通过抗体依赖性细胞介导的细胞毒性作用(ADCC)发挥疗效的药物,裸鼠保留的活跃 NK 细胞和巨噬细胞使其成为比 NSG 更真实的药效评估平台 [1, 8, 10, 45]。
综合分析与未来展望
BALB/c-nu 裸鼠作为人类在抗击癌症过程中的第一个强力盟友,其重要性并未随着基因编辑技术的爆发而消退。相反,对其 Foxn1 突变机制的深入理解,促使了“条件性裸鼠”及人源化胸腺支架等前沿技术的发展 [12, 15, 17]。
在未来的生物医学领域中,BALB/c-nu 将在以下几个方向继续发挥其独特的作用:
1. 肿瘤微环境交互:利用裸鼠保留的先天免疫成分,研究肿瘤如何通过外泌体或其他方式与宿主免疫细胞进行通讯 [36, 37, 46]。
2. 新型透皮递送系统:利用其独特的皮肤生理结构,开发针对黑色素瘤或其他皮肤恶性肿瘤的局部靶向药物 [20, 21]。
3. 免疫功能的非胸腺重建:作为研究 T 细胞在非胸腺微环境下发育潜能的终极试验台 [4, 12, 24]。
总之,BALB/c-nu 裸鼠是一个集遗传缺陷、生理特色与临床相关性于一体的多面手。其在全球实验室中的广泛分布和庞大的历史数据积累,确保了其在未来的转化医学研究中依然是科研人员不可或缺的利器 [1, 9, 27, 47]。
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40. Toxicity of Balb-c mice exposed to recently identified 1,1,2,2-tetrafluoro-2-[1,1,1,2,3,3-hexafluoro-3-(1,1,2,2-tetrafluoroethoxy)propan-2-yl]oxyethane-1-sulfonic acid (PFESA-BP2) - PubMed, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32590024/ 41. Radiotoxicity of systematically administered [211At]astatide in B6C3F1 and BALB/c (nu/nu) mice: a long-term survival study with histologic analysis - PubMed, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8641929/