Маленький герой: как мыши помогают науке
Благодаря мышам можно провести тысячи исследований, которые помогут миллионам пациентов. Кто они — эти маленькие герои науки?
Почему ученые до сих пор используют их для своих экспериментов и можно ли обойтись без них? Если коротко, то сегодня — нет. Лекарственный препарат обязательно должен показать свою эффективность на модели заболевания у животных, чтобы получить доступ к дальнейшим этапам разработки. И чаще именно у мышей можно спросить, а работает ли препарат.
Мы так и сделали. Оценить вклад зверька в науку нам помогла умная мышка Клевер, которая только готовится принять участие в исследовании нового препарата, и Владимир Цымпилов, руководитель лаборатории экспериментальной биологии в Департаменте доклинических исследований BIOCAD.
Почему именно мыши
Для исследований используют разных животных: птиц, обезьян, крыс. Но чаще мышей. Причин этому несколько.
Во-первых, геном мышей имеет много общего с человеческим. Это помогает увидеть потенциальную реакцию на лечение и изучить течение многих заболеваний, в том числе генетических. А затем использовать эти данные в дальнейших исследованиях на людях.
Во-вторых, мыши быстро размножаются. За год самка может приносить до 10 пометов, в каждом из которых бывает около 5–12 мышат. Это помогает ученым наблюдать сразу за несколькими поколениями зверьков за относительно короткий период времени.
Уже на 30-50-й день жизни самки готовы приносить потомство. Сама беременность длится тоже недолго, около 20–25 суток.
Кроме того, мыши хорошо подходят для содержания в лабораторных условиях: они малы по размеру, неприхотливы к корму и условиям окружающей среды, а также хорошо переносят стандартные методы ухода и содержания. Для современных исследований особенно важно, что мышам легко обеспечить контроль за всеми параметрами их среды обитания — от температуры до освещенности и состава пищи. Благодаря этому возможно проводить стандартизированные эксперименты с высокой степенью воспроизводимости результатов, что критически важно для доклинических исследований новых препаратов.
И наконец, ученые хорошо изучили мышей: их физиологию, генетику и поведение. Первые эксперименты на грызунах начались еще в XVII веке. Но тогда исследования проводились только на диких особях. Лабораторная мышь начала свою научную карьеру в начале XX века: когда ученая Эбби Латроп начала продавать ученым одомашненных грызунов. Из них впоследствии вывели лабораторных.
Сначала Латроп разводила грызунов для мышиных выставок. Но генетик Уильям Касл осознал большой потенциал моделей заболеваний на мышах и купил у Латроп первую партию животных. После этого клиентура Латроп резко изменилась: основными покупателями мышей стали научные лаборатории.
Чуть позже ученик Касла, ученый Кларенс Кук Литтл, основал научный центр Jackson Laboratory, в котором мыши стали основным объектом для лабораторных исследований. Именно в этом центре от самки, полученной на ферме Латроп, была выведена линия мышей C57Bl/6, которая до сих пор чаще всего используется в научных исследованиях.
Как мыши помогают науке
Разберемся на примере исследования препарата от рассеянного склероза (РС). Это хроническое заболевание, которое поражает головной и спинной мозг. При этом у человека наблюдаются следующие симптомы: усталость, проблемы с координацией и равновесием, онемение или покалывание в руках и ногах, мышечная слабость, нарушения речи и зрения.
РС — это аутоиммунное заболевание, при котором иммунная система ошибочно воспринимает миелиновую оболочку нервов как чужеродную структуру и атакует ее.
Для открытия способа лечения РС ученые создают трансгенных мышей и меняют их геном так, чтобы иммунная система считала миелин грызунов вредоносным. На сегодняшний день есть несколько генов-кандидатов, которые исследователи связывают с риском развития РС. Например, гены HLA-DRB1, CD58 и рецептор фактора некроза опухоли TNFRSF1A.
После изменения генома ученые наблюдают за развитием симптомов. Они смотрят, как происходит атака иммунных клеток на миелиновые оболочки и какие механизмы задействованы в этом процессе.
Затем исследователи приступают к изучению молекулы, которая впоследствии может стать препаратом против РС. Ее вводят мышам на разных стадиях заболевания, после чего оценивают эффективность. Например, лекарство может подавлять активность определенных клеток иммунной системы (Т-лимфоцитов).
На всех этапах доклинического исследования на мышах ученые внимательно следят за поведением и состоянием грызунов. Проводят ряд анализов, чтобы оценить, как иммунная система отреагировала на препарат. Берут образцы тканей головного и спинного мозга, чтобы обнаружить уменьшение повреждений миелина и снижение воспаления. Иногда проводят молекулярные исследования, если предполагается, что препарат может как-то влиять на мутацию ДНК.
Если состояние мышей улучшается, можно переходить к дальнейшим исследованиям.
Еще один пример вклада мышей в науку — исследования такого препарата от рака, как антитело против PD-1.
В 2018 году Нобелевскую премию вручили за открытие белка клеточной программируемой гибели-1 (programmed death-1, PD-1), расположенного на поверхности лимфоцитов. Этот белок помогает предотвращать аутоиммунные реакции, но при этом позволяет опухолям уклоняться от иммунного ответа. Чтобы активировать противоопухолевый иммунитет, исследователи разработали антитела, блокирующие PD-1.
Чтобы оценить эффективность антител, ученые обратились за помощью к мышам, но столкнулись с проблемой: у мышей и людей есть генетические различия в PD-1, что затрудняло тестирование антител.
Разобраться с проблемой можно двумя способами: очеловечить либо иммунную систему мыши, либо мышиный PD-1. В первом случае используют мышей с гуманизированной иммунной системой. Для этого грызунам с высокой степенью нарушения иммунитета вводят клетки крови человека. Источником человеческих лимфоцитов могут выступать зрелые либо стволовые клетки крови. Когда таким химерным мышам трансплантируют опухоль и затем вводят антитела против PD-1, лимфоциты человека, циркулирующие в мыши, начинают атаковать опухолевые клетки, потому что больше не чувствуют ингибирующее действие PD-1.
Второй способ стал возможен после того, как ученые отредактировали ген PD-1 у мышей таким образом, что часть белка, отвечающая за связывание с антителом, стала человеческой, а остальная осталась мышиной. Это позволило использовать антитела против человеческого PD-1 и наблюдать за противоопухолевым ответом в условиях полноценной иммунной системы, хоть и полностью мышиной.
Как ухаживают за мышами
В лаборатории для мышей создают комфортные условия. Грызуны живут в пластиковых клетках, в которых размещены гнезда и домики, им регулярно меняют подстил и следят за температурой и влажностью.
Мыши не видят красного света, потому домики-укрытия для них выполняют из красного пластика. Так исследователь видит, что происходит внутри укрытия, пока мышь считает, что она «в домике».
В каждой клетке есть место, где мыши могут прятаться и чувствовать себя в безопасности. Это важно для их психологического комфорта: ведь в природе грызуны предпочитают находиться в норках, под листвой и корой. Так зверьки испытывают меньше стресса и легче адаптируются к условиям эксперимента.
Мы и правда очень похожи на людей, потому что тоже можем испытывать стресс и тревогу. Когда ученым нужно изучить, как мы реагируем на стрессовые ситуации, они иногда проводят специальное тестирование — «приподнятый плюс-лабиринт».
Плюс-лабиринт — это конструкция в форме плюса (+), расположенная на приподнятой платформе. В лабиринте обычно есть две открытые и две закрытые зоны. Наша задача — выбрать более рискованные открытые ходы или безопасные закрытые пространства.
Если мышка решает остаться в закрытых зонах, это может означать, что сейчас она испытывает стресс и старается избегать опасностей.
Каждый день сотрудники лаборатории прилагают много усилий, чтобы мышам хорошо жилось. Специализированный корм, обожженный гамма-лучами, перед подачей стерилизуют под давлением раскаленного пара. А в полисульфоновые клетки подают очищенный воздух. При этом весь персонал работает в спецодежде.
Все это нужно, чтобы поддерживать SPF-статус (specific pathogen-free) животных. Это значит, что в колонии должны жить только мыши, в организме которых нет клинически значимых патогенов.
Некоторые ученые критикуют парадигму SPF, утверждая, что изоляция мышей в стерильных условиях может ухудшить предсказательную силу научных данных. Они считают, что такие животные далеки от естественной микрофлоры, с которой сталкиваются люди. Этот вопрос остается предметом научных обсуждений и продолжает изучаться в современных исследованиях.
Во время одного исследования за нами обычно ухаживают одни и те же сотрудники. Мы активно используем обоняние: по запаху различаем членов группы, пол и даже определяем состояние здоровья сородича. Работники лаборатории могут оставить свой запах на животных, что может повлиять на наше поведение.
Поэтому в лаборатории строго регулируется, кто и как с нами контактирует, чтобы не нарушать поведенческие эксперименты.
Этика во время экспериментов на мышах
Отказаться от экспериментов на мышах современная наука пока не может. Многие страны требуют проведения предварительных испытаний на животных для получения разрешений на клинические испытания на людях. А современные способы исследований, например компьютерное моделирование, еще не могут полностью заменить эксперименты на животных.
Поэтому научное сообщество призывает следовать строгим этическим нормам и правилам при работе с грызунами, чтобы научная карьера зверьков была для них комфортной.
Во время любых биомедицинских исследований ученые опираются на принцип 3R:
- Reduce (сокращение) — использовать как можно меньше животных
- Replace (замена) — искать способы замены животных, например применять компьютерное моделирование или in vitro исследования
- Refine (усовершенствование) — улучшать условия жизни животных, уменьшать количество стрессовых триггеров, применять анестезию и гуманно проводить эвтаназию
Памятник лабораторной мышке в Новосибирске
Ученые продолжают искать новые подходы, чтобы минимизировать вмешательство в жизнь лабораторных животных и сохранить баланс между научными целями и ответственностью перед ними. Забота о мышах становится неотъемлемой частью работы современной лаборатории и важной составляющей доверия к научным результатам.