Syngeneic 마우스 모델은 allograft라고도 불리며 동종이식이다. 마우스 유래 세포주를 다시 마우스에 이식하여 만드는 모델로 동일한 개체이기 때문에 종양거부가 발생하지 않는다.

Syngeneic 마우스 모델은 50년전 종양 약물개발을 위해 개발되었으나 표적치료법으로 바뀌면서 다른 모델로 대체 되었지만, 현재는 마우스의 면역반응이 제거되지 않는 정상상태에서 종양에 대한 면역반응을 연구할 수 있기 때문에 현재 새로운 immunotherapy study에 모델로 사용 되어지고 있다.

현재 마우스 유래 세포주로는 breast(EMT-6 cell), colon(MC38, CT26 cell), liver(Hepa1-6 cell), lung(LLC cell) 등이 있지만 사용 가능한 세포주의 수가 적다는 한계와 마우스에서의 면역이기 때문에 인간 면역에 적용하여 해석하는데 어려움이 있다는 한계가 있다.

* 그림 출처: Barbeau J. Syngeneic Tumor Mouse Models: The Pros and Cons. https://blog.crownbio.com/syngeneic-tumor-mouse-models-the-pros-and-cons

Organoid는 생체 내(in vivo) 조직의 복잡한 구조와 기능 및 유사한 표현형을 보여줄 수 있는 세포기반의 조직공학 체외(in vitro) 모델입니다.

Organoid는 자가 복제 가능한 줄기세포를 포함하고 있어 ESC, iPSC 유래 organoid의 경우 발생단계의 특징을 유지하고 있기 때문에 줄기세포의 발생 및 주변 미세환경에 관한 분석이 가능하고, 성체줄기세포 유래 organoid는 손상된 장기나 조직의 교체에 사용가능 합니다. 또한 전염병 연구나 약물의 독성 및 효능 검사가 가능하기 때문에 이를 통해 동물 이용에 대한 윤리적 문제를 배제할 수 있습니다.

* 그림출처: Corrò C et al. Am J Physiol Cell Physiol. 2020;319(1):C151-C165.

Orthotopic(동소이식) 모델은 종양세포주 또는 환자유래세포를 동물모델에 종양의 조직형과 동일한 기관 또는 조직에 이를 이식하여 만든 동물종양 모델입니다.

Orthotopic 모델의 장점으로는 3가지가 있습니다. 첫째, orthotopic 모델의 경우 종양의 동일한 조직에 이식을 하기 때문에 종양미세환경을 조성하여 좀더 원래와 비슷한 상태를 모방할 수 있습니다. 두번째로는 종양미세환경과 영양분 공급으로 인해 빠른 성장을 볼 수 있습니다. 마지막으로 orthotopic 모델은 다른 마우스 모델과는 다르게 종양 전이를 연구할 수 있다는 장점이 있습니다. 
 

Cre 마우스는 Cre/lox 시스템을 응용한 마우스 모델입니다. Cre/lox 시스템의 Cyclization Recombinase(Cre)는 34bp의 loxP DNA 서열을 특이적으로 인식 재조합효소로 loxP 서열 사이의 DNA 조각을 제거하여 타겟 유전자의 발현을 조절할 수 있습니다. Cre/lox 시스템을 통해 만들어진 특정 유전자의 선택적 결실 및 비활성화된 conditional knockout(cKO) 마우스 모델은 생체 내 특정 유전자의 기능을 연구하는데 활용됩니다. 

cKO 마우스는 Cre 유전자 발현하는 형질전환 마우스와 두 loxP 서열에 사이에 타겟 유전자를 발현하는 마우스의 교배를 통해 제작됩니다. 조직 특이적으로 Cre를 발현하는 마우스와 교배를 통해서 조직 특이적으로 타겟 유전자가 knockout된 마우스도 제작할 수 있습니다.

Cre 마우스는 특정 조직, 특정 시점에서 타겟 유전자의 발현을 조절할 수 있기 때문에 배아 치사성 유전자 연구에 활용됩니다.

* 그림출처: Parker MP, Peterson KR. Methods Mol Biol. 2018;1698:37-65.

Xenograft(이종이식)은 서로 다른 종으로부터 유래한 세포, 조직 또는 장기를 이식하는 것을 말합니다. Xenograft 모델은 생체 내에서 종양의 형성과 전이기전을 규명하는 연구 및 약물의 항암효과 평가에 사용됩니다.

Xenograft 모델은 이종 암세포에 대한 면역 거부반응을 방지하기 위해 면역결핍 마우스(Nude, Severe Combined Immune Deficient (SCID))나 랫드를 사용하고, 암세포를 피하 또는 복막 내에 주입하여 종양을 형성합니다. 

Xenograft 마우스 모델은 syngeneic(동종) 이식 모델에서 발생하는 종양에 대한 면역반응 없기 때문에 쉽고 빠르게 다양한 암종에 대한 종양 형성이 가능하다는 이점이 있습니다.

Xenograft 모델에는 cell line-derived xenograft(CDX)와 patient-derived xenograft(PDX)가 있습니다. CDX는 마우스 모델은 세포주를 이식하기 때문에 빠르게 종양을 형성하고 통계학적 분석이 가능한 결과의 반복성과 재현성이 높습니다. PDX 마우스 모델은 환자 유래 암조직을 이식하기 때문에 종양 이질성을 유지할 수 있고 종양 미세환경 연구에 활용될 수 있습니다.
 

Parabiosis(병체결합)는 외과적 수술을 통해 두 생물의 혈관을 연결하고 순환계를 공유하도록 하는 실험기법입니다. 혈액 속 다양한 분자와 세포를 교환하는 parabiosis 실험모델은 노화, 대사질환, 감염 등의 다양한 연구에 이용됩니다.

Isochronic parabiosis(등시성 병체결합)은 같은 종의 동일 연령의 동물모델을 연결하는 반면, heterochronic parabiosis(이종성 병체결합)은 서로 다른 연령의 동물모델을 연결하는 실험방법입니다. 특히, heterochronic parabiosis 동물모델은 노화 진행 및 노인성 질환 연구에 이용됩니다.

Parabiosis에는 유전적으로 동일한 isogenic 또는 하나의 대립유전자만 차이나는 congenic 마우스 모델이 사용되기 때문에 면역 거부반응이 일어나지 않습니다.

* 그림출처:  Scholand KK et al. Int J Mol Sci. 2023;24(5):4897.

염증성 장질환 마우스모델은 유전자 조작 마우스 및 약물 투여를 활용한 모델이 있습니다. 가장 대표적인 유전자 조작 마우스로는 Interleukin 10 knockout 마우스 모델이 있습니다. 이 마우스는 염증반응을 억제할 수 있는 interleukin 10 유전자가 제거되어 있기 때문에 염증반응이 활발하게 일어납니다. 장에는 특히 많은 염증세포가 존재하기 때문에 IL-10 knockout 마우스는 심한 염증성 장질환이 발생합니다. 이외에도 Interleukin 2 knockout 마우스 모델 역시 염증성 장질환 모델로 많이 사용됩니다.

약물 투여를 활용한 마우스로는 Dextran Sodium Sulfate(DSS)을 2~5% 농도로 음수에 타서 제공하는 방법이 있습니다. 이 경우에는 보통 5~10일 안에 염증성 장질환이 유발됩니다. DSS 이외에도 TNBS(Trinitrobenzene Sulphonic Acid)를 투여하여 대장에서 염증반응을 유도하는 모델도 있습니다. DSS 및 TNBS 등의 약물은 마우스 뿐만 아니라 랫드에서도 사용됩니다. 
 

ADHA 동물모델은 대부분 과잉행동, 부주의, 충동행동을 보이는 모델입니다. 따라서 ADHD와 관련된 행동실험을 수행할 때 개체의 보행활동, 시공간 주의능력, 긴장 수준을 측정하는 것이 필요합니다. 또한 주의에 따른 학습능력 검사와 성행동 검사를 병행하는 것이 추천됩니다. ADHD 동물모델에서 사용하는 검사에는 다음의 표와 같은 검사들이 사용됩니다. 

마우스 및 랫드 비강 내 점적 방법은 다음과 같습니다.

1) 비강 내 투여 전에는 마취가 추천되며, 마취 후에는 마취 모니터링이 필요합니다. 
2) 동물의 목덜미를 잡고 코가 위를 향하게 보정합니다. 
3) 파이펫을 사용하여 투여물질을 한방울씩 주입하며, 주입 시 동물이 잘 흡입하는지 확인합니다.
4) 마취 회복 전 동물이 정상적으로 호흡하고 있는지 확인합니다. 

UCSF IACUC 가이드라인에 따른 비강 내 투여 용량은 다음과 같습니다. 

피부 자극시험의 경우, 과거에는 알비노 토끼의 피부에 시험물질을 도포하여 1~3일 내 홍반, 가피형성 및 부종의 유무를 관찰해 점수를 매기는 방식으로 실험을 진행하였습니다. 현재는 이러한 동물실험을 수행하지 않고 인체피부모델을 사용하여 실험을 진행할 수 있습니다. 특히, OECD에서 채택하여 국제적으로 이용되고 있는 피부 모델은 아래와 같습니다.
 

이러한 피부모델들은 약한 자극성 물질인 GHS 범주3 물질들은 평가할 수 없으나 자극성 물질인 GHS 범주 2물질은 평가할 수 있기에 동물실험의 대체방법으로 활용할 수 있습니다.