结核杆菌的发现者罗伯特科赫第一次使用小鼠作为实验模型,他发现接种结核分枝杆菌的小鼠能诱导出与人病变一样的自然过程。在20世纪40年代,当第一个有效治疗结核的化疗药正在开发之时,许多研究者认识到了小鼠模型作为新药评价模型是非常经济有效的。应用小鼠模型进行结核病研究有很多优点。与人类一样,小鼠能产生强烈的免疫反应。一般来讲,它们能抵制低剂量的感染并能抑制感染而不发展为活动播散性疾病,而且它们同人类一样,当衰老时感染很可能再次复发。小鼠结核模型易复制,感染实验室条件易控制,而且小鼠有关的免疫试剂非常齐全,有大量的免疫指标可以测定,人类对结核感染免疫的研究结果大多数都是利用小鼠模型得到的。小鼠的遗传背景清楚,而且易于进行遗传操作,通过基因剔除这条途径已发现许多与结核杆菌感染有关、具重要功能的细胞因子的细胞表型,图20-1是感染结合杆菌小鼠的脾。
结核分枝杆菌在小鼠体内生长情况已经被详细的描述,即感染在靶器官呈现出特征性分布。通常采用静脉内注射和气溶胶方式感染动物。结核分枝杆菌的感染过程和速度通过许多因素来调节。
1.细菌的毒力 这包括诸多方面的因素,但脂质是最主要的因素之一,因为它们能通过感染巨噬细胞而诱导细胞因子的产生,并且影响其清除氧自由基的能力。
细菌存在的脏器:肝中细菌的繁殖速度低于脾,它们也会感染肺和肾组织中的吞噬细胞。
2.接种剂量 能够启动小鼠体内获得免疫反应前的延迟时间与接种剂量成相反的关系。不同的接种途径对小鼠结核病模型制作会产生不同影响。Robert分别以结核菌株小剂量呼吸道雾化吸入及大剂量尾静脉注入两种途径感染小鼠,结果发现相对尾静脉感染组,呼吸道感染组更早死于结核病,其肺部结核菌生长更快及肺部病变更广泛。
3.免疫反应的强度 不同品系的小鼠对结核杆菌的自然抵抗能力不同。如CBA、DBA/2、C3H、和129/SvJ近交系小鼠高度敏感,而BALB/c和C57BL/6小鼠高度抵抗。在一些小鼠品系中,牛型结核杆菌在肺中的繁殖程度低于人型。但是牛型(Ravenel)结核杆菌比人型(H37Rv)结核杆菌更容易杀死小鼠。
小鼠几乎没有迟发型超敏反应(delayed type hypersensitivity,DTH),通过气溶胶或肠外途径感染结核杆菌并不能形成真正的干酪样坏死,但可以引起T细胞介导的免疫反应。小鼠遗传背景清楚,免疫系统研究比较透彻,针对小鼠的免疫试剂供应充足。它特别适用于结核病获得性细胞介导的免疫反应的研究。CD4+T细胞、IFN-γ、IL-12和TNF-α在小鼠肉芽肿形成和细胞介导的免疫反应中的重要作用已经被阐明。由于小鼠并不能形成明显的干酪样坏死,因此它们的肺损伤不能发展为空洞,图20-2显示,小鼠感染结核分枝杆菌6周后肺出现大范围肉芽肿。
结核的免疫是T细胞介导的,不能产生T细胞的裸小鼠和严重联合免疫缺陷小鼠成为人们感兴趣的动物模型。裸小鼠胸腺发育不全,由于其不能产生功能性T细胞,因此不能抵抗结核和其他分枝杆菌的感染。联合免疫缺陷小鼠由于缺乏T细胞和B细胞,与裸小鼠一样也不能抵抗结核和其他分枝杆菌的感染。这两类小鼠模型常用于分离细胞群抵御分枝杆菌感染能力的检测。研究发现,亚致死剂量(100 000)的结核杆菌静脉感染青年小鼠后,小鼠可以抑制并控制感染;但同样剂量的结核杆菌对于24~48月龄的鼠却是致命的。
小鼠模型也存在很多不足之处,小鼠比人更能耐受结核杆菌的感染,疾病过程和病理改变明显不同于人的TB,小鼠的肉芽肿很难发展为干酪样坏死和液化,而这些病理变化过程在TB患者中经常发生。