Modelli murini e sistema immunitario

(Preso da “Critica Scientifica alla Sperimentazione Animale”)

Tra la fine del XIX e l’inizio del XX secolo vi fu un enorme progresso per quanto riguarda la comprensione dei meccanismi immunitari umani, grazie ad estesi studi sull’immunità umorale e cellulo-mediata. Di particolare interesse fu lo sviluppo della teoria delle catene laterali di Ehrlich che portò poi alla descrizione dei meccanismi di interazione antigene-anticorpo. Il contributo di Elrich alla comprensione dell’immunità umorale fu riconosciuto con un premio Nobel nel 1908, condiviso con Metchnikoff, padre dell’immunologia cellulo-mediata.

Anche i lavori di Pasteur, Koch, Reed e molti altri contribuirono ampiamente alla comprensione dell’immunità umana.

Nel corso del XX secolo, con lo sviluppo dei modelli murini inbred1, si smise di focalizzarsi direttamente sull’immunità umana. E’ importante riconoscere che tali modelli murini hanno fornito delle valide intuizioni, ad esempio per quanto riguarda il ruolo del sistema di istocompatibilità nel riconoscimento da parte del sistema immunitario di cellule infettate da virus. Gli iniziali successi nell’ambito della ricerca di base hanno portato però ad un’eccessiva fiducia nei modelli murini che sono stati in seguito utilizzati per lo studio di patologie umane e reazioni a farmaci e vaccini, con risultati deludenti. Ciò è particolarmente vero per i modelli di malattie autoimmuni (von Herrath e Nepom, 2005) ed immunoterapia per il cancro (Ostrand-Rosenberg 2004), dove tra centinaia di protocolli che avevano dato risultati promettenti sui topi soltanto pochi hanno avuto applicazioni sull’uomo. Anche per quanto riguarda i modelli di malattie neurologiche i risultati sono stati deludenti (Schnabel, 2008).

Brady (2008): “The industry is littered with examples of delays, reiterations or even abandoned drug programmes arising from poor translation of animal responses to man.”provides the most common model for many aspects of the human immune system, the 65 million years of divergence has introduced significant differences between these species, which can and has impeded the reliable transition of pre-clinical mouse data to the clinic. The industry is littered with examples of delays, reiterations or even abandoned drug programmes arising from poor translation of animal responses to man.”

L’utilizzo dei modelli murini per gli studi di immunobiologia delle infezioni (ad es. malaria ed Herpes simplex) ha gravemente fuorviato i ricercatori riguardo la comprensione del controllo immunitario di questi patogeni nel corpo umano: si potrebbe ragionevolmente sostenere che l’eccessiva fiducia nei modelli murini abbia rallentato lo sviluppo di potenziali vaccini e cure per molte patologie (Khanna e Burrows 2011).

La sfiorata tragedia del TGN1412 nel 2006 ci fornisce un esempio di ciò che potrebbe accadere quando ci affidiamo ai modelli animali allo scopo di predire le reazioni dell’uomo a farmaci e vaccini (ricordiamo che l’anticorpo monoclonale in questione era risultato del tutto innocuo, anche a dosaggi elevati, nel corso dei precedenti test su primati non umani, che sono considerati i modelli più vicini all’uomo) (Suntharalingam et al. 2006).

Jacques Banchereau, a capo della Baylor Institute for Immunological Research a Dallas, Texas: “Studies on mice are very elegant and beautiful, but they aren’t reflecting the needs of the [human] population” (Leslie 2010).

Il fatto che i risultati ottenuti sui modelli murini siano soltanto raramente applicabili all’uomo può essere spiegato da diversi fattori: primo, la maggior parte degli studi sono effettuati su ceppi inbred, fatto che può falsare la risposta immunitaria e secondo, uomini e topi mostrano numerose differenze sia nell’immunità innata che in quella specifica, tra cui le sottopopolazioni dei linfociti T, i recettori per le citokine, differenziazione Th1/Th2, Toll-like receptors e moltissime altre (Mestas e Hughes 2004).

Mestas and Christopher 2004 immunology

Mestas and Christopher 2004 immunology2

Tabella 1. Differenze note tra il sistema immunitario murino ed umano (Mestas e Hughes 2004)

La complessità del sistema immunitario umano (Brady 2008)

La complessità del sistema immunitario umano (Brady 2008)

Per cercare di ovviare a tali inconvenienti e di rendere l’animale maggiormente predittivo si è diffuso l’utilizzo di modelli murini “umanizzati” (Legrand et al. 2009). E’ però importante far notare che per poter eventualmente utilizzare tali modelli dovremmo prima conoscere il sistema immunitario umano, in particolare dovremmo essere in grado di definire quale sia la “situazione normale”. In particolare a tal proposito Davis 2008 afferma:

“Although promising, it should not be assumed that such mice are equivalent to a human immune system in any respect unless it is demonstrated to be so by a variety of objective measures. Many of these can come only from developing metrics of human immune function.”

Ciò solleva un’ importante ma trascurata questione riguardante l’immunologia: qual è il metro, il criterio per definire un sistema immunitario normale o sano? La risposta è che non lo sappiamo. I cardiologi possono specificare i livelli ottimali di colesterolo LDL, HDL e dei trigligeridi, ma gli immonologi non riescono a fare la stessa cosa per le citochine, i messaggeri chimici che innescano processi di maturazione, divisione e attacco delle cellule immunitarie.

Se un numero sufficiente di laboratori collaborasse per analizzare le migliaia di campioni di sangue raccolti quotidianamente negli Stati Uniti o nel mondo, una sorta di “Progetto Immunologia Umana”, si potrebbero raccogliere velocemente ed esaminare dati provenienti da un vastissimo numero di persone sane e malate. In 5-10 anni, potremmo avere la prima approssimativa scala di riferimento della funzione immunologica (Davis 2008).

Ma nonostante la situazione, si continua ad investire sui modelli murini. Vi è una certa resistenza al cambiamento, perlopiù legata a motivazioni lontane da quelle scientifiche.

Khanna e Burrows: “In spite of these significant limitations, we continue to invest huge resources in conducting immunology studies using transgenic murine models, and many of our colleagues often feel highly defensive when questioned on the validity of their model systems. One comment we often hear from our colleagues is that it is difficult to provide mechanistic insights with human immunology studies that are essential to publish their research in high-ranking journals.”

Sempre Khanna e Burrows: “It is very likely that such collaborative studies involving large investment will be opposed by many of our colleagues who strongly believe that innovative research emerges from small labs, and a major investment in human immunology will deplete funding for basic immunology research. They are probably correct; but how long can we justify investing millions of dollars of taxpayers’ funds on delineating the murine immune system, which in most cases has limited application for human diseases?”

Note:

1 Inbred strain: terminologia riferita ad animali di laboratorio che si sono sviluppati attraverso accoppiamenti sequenziali fratello-sorella (ovvero tra consanguinei). Solo dopo 20 generazioni possono essere dichiarati imbred. Risultano omozigoti per circa il 98% dei loci genici, ciò consente ad es. di fare trapianti senza rigetto tra membri dello stesso ceppo inbred.

Bibliografia

Brady CA of mice and men: the potential of high resolution human immune cell assays to aid the preclinical to clinical transition of drug development projects. Drug Discovery world 2008/9:74-78

Davis MM. A prescription for human immunology. Immunity. 2008 Dec 19;29(6):835-8.

Khanna R., Scott R Burrows, Human immunology: a case for the ascent of non-furry immunology. Immunology and Cell Biology 89, 330–331 – 2011

Legrand N, Ploss A, Balling R, Becker PD, Borsotti C, Brezillon N et al. Humanized mice for modeling human infectious disease: challenges, progress, and outlook. Cell Host Microbe 2009; 6: 5–9.

Leslie, M. 2010. Biomedical research. Immunology uncaged. Science 327 (5973):1573.

Mestas J & Hughes CCW (2004). Of mice and not men: differences between mouse and human immunology. Journal of Immunology 172:2731–2738.

Ostrand-Rosenberg S. Animal models of tumor immunity, immunotherapy and cancer vaccines. Curr

Opin Immunol 2004;16:143–150. [PubMed: 15023405

Schmidt M, Raghavan B, Müller V, Vogl T, Fejer G, Tchaptchet S, Keck S, Kalis C, Nielsen PJ, Galanos C, Roth J, Skerra A, Martin SF, Freudenberg MA, Goebeler M.Crucial role for human Toll-like receptor 4 in the development of contact allergy to nickel. Nat Immunol. 2010 Sep;11(9):814-9. Epub 2010 Aug 15.

Suntharalingam G, Perry MR, Ward S, Brett SJ, Castello-Cortes A, Brunner MD et al. Cytokine storm in a phase 1 trial of the anti-CD28 monoclonal antibody TGN1412. N Engl J Med 2006; 355: 1018–1028.

Schnabel J. Standard model. Nature 2008;454:682–685. [PubMed: 18685674]

von Herrath MG, Nepom GT. Lost in translation: barriers to implementing clinical immunotherapeutics for autoimmunity. J Exp Med 2005;202:1159–1162. [PubMed: 16275758]

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