基因修飾小鼠模型在腫瘤學研究中的應用

作為腫瘤學研究的工具，GEM模型更能模擬人腫瘤的組織病理學和分子學特征，表現為有更好的遺傳異質性，其優勢在于能反映腫瘤細胞自身，以及腫瘤微環境中細胞等相互作用因素，包括具有引起原發腫瘤開始形成到發展為轉移性疾病的能力。GEM模型的建立及應用極大促進了腫瘤學研究領域發展與進步。

相對于過去常用的腫瘤細胞接種和免疫缺陷小鼠模型，基因修飾小鼠（GEM）模型是建立在天然完整免疫條件下的原發（de novo)腫瘤，因此，作為腫瘤學研究的工具，GEM模型更能模擬人腫瘤的組織病理學和分子學特征，表現為有更好的遺傳異質性，其優勢在于能反映腫瘤細胞自身，以及腫瘤微環境中細胞等相互作用因素，包括具有引起原發腫瘤開始形成到發展為轉移性疾病的能力。GEM模型的建立及應用極大促進了腫瘤學研究領域發展與進步。目前，GEM模型已成功應用于驗證潛在腫瘤基因與藥物靶點，考核治療效果，分析腫瘤微環境影響，以及評價藥物耐藥性機制等研究領域。而且，結合臨床病人研究與構建更加合理有效的GEM模型，優化腫瘤干預的臨床前試驗，無疑將進一步促進腫瘤治療新策略的研發，提高其有效轉化為臨床上實際應用的成功率。

腫瘤學研究及腫瘤治療在臨床上仍然面臨著許多挑戰，其中抗腫瘤藥物耐受性的形成和腫瘤轉移性疾病是當前面臨的兩個重要現實難題。抗腫瘤耐藥性的產生是由于異質性腫瘤中的原發突變的出現，或治療前耐藥克隆的大量生長引起的，而現有靶向抗腫瘤制劑的單一療法，或化學藥物療法都無法避免藥物耐受的發生。而且，在獲得明顯成功治療之后，少量藥物耐受腫瘤細胞可以存活下來，并在一定時間后，成為主要細胞群，最終形成與原始腫瘤表型不同復發疾病。而腫瘤轉移性疾病則是導致超過90%以上與癌癥相關死亡的原因，因為現在對于這些繼發腫瘤也多無有效的治療方法。近年來，雖然針對干預腫瘤病人免疫系統的腫瘤免疫療法取得了一些令人鼓舞的進展，但該療法也只是對一些特定病例情況下有效果，而對于大多數腫瘤病人仍不具有實際臨床意義。

所謂成功的腫瘤治療往往需要多種方法的協同作用，比如手術，發射線照射，細胞毒性療法，以及免疫療法等綜合策略。為了設計出有效合理的綜合治療措施與方案，首要的基礎與前提是深入了解腫瘤的形成與發展，轉移，及治療應答過程中，腫瘤細胞自身及其微環境細胞間相互作用的機制，從而尋找針對不同的腫瘤類型最有效的治療方法。為了實現這一目的，研究者們就必須依賴于動物模型的臨床前研究。過去盡管依賴于傳統臨床前小鼠模型，即通過建立移植人腫瘤細胞系或同種小鼠腫瘤細胞系模型等方法，獲得了臨床前抗癌新療法的成功驗證，但絕大多數的這些新療法在臨床III期試驗中卻都最終以失敗而告終。

總體上講，由于傳統體內腫瘤小鼠模型在預測臨床新療法效果方面的表現不佳，因而更加凸顯尋找具有更好預測能力及效果的改進型臨床前體內模型的意義與價值。最近在基因修飾技術方面的進步與發展，使得快速研制能更有效模擬人腫瘤的GEM模型成為現實，GEM模型在遺傳組成，腫瘤細胞與其腫瘤微環境的相互作用，藥物反應及耐受等方面都更接近腫瘤病人。而新一代GEM模型的出現，也大大促進抗腫瘤新療法策略轉化為臨床應用，最終達到有助于提高癌癥病人生存率的目的。

50年前首先在裸鼠體內移植人/鼠腫瘤細胞系而建立的小鼠腫瘤移植模型成為腫瘤研究中常用的小鼠模型，這類移植模型可快速測試潛在腫瘤及轉移相關基因，并成為臨床前的藥物試驗主要工具。例如，通過異種移植研究有助于揭示結腸癌（CRC）對藥物（如Vemurafenib)在小鼠體內的耐受機制，從而實現在臨床試驗中對CRC病人啟動了同時針對突變BRAF（如V600E）和EGFR的靶向聯合療法，表明這類異種移植模型在建立新的聯合治療策略方面的實際意義。

異種移植研究也有助于發現特定基因表達特征，研究其介導的器官特異性定位轉移的特點。如應用該種模型證實了傳播的乳腺癌細胞存在于血管附近，這為調控這些傳播的乳腺癌細胞提供了可能的對策。而且，應用這類細胞系移植的體內模型研究，也為抗腫瘤免疫，T細胞耐受機制，腫瘤免疫逃逸途徑等提供了許多基本的認識概念。這些發現都為目前進行中的腫瘤免疫療法的突破奠定了基礎。

然而，由于腫瘤細胞系一開始就含有許多突變，而且在體外長時間培養過程中，還會產生額外突變，因此，此類接種模型難以真實反映人腫瘤細胞的形態學和遺傳異質性，從而降低了該類模型作為臨床應用效果預測性的可靠性。另外，為了防止可能的排斥反應，腫瘤細胞系的異種移植模型是建立在免疫缺陷小鼠基礎上，這也限制了其應用于腫瘤發展中免疫系統以及治療應答等領域的研究。

不同于細胞系移植模型，通過將新鮮人腫瘤活檢物移植至免疫缺陷小鼠構建的病人來源的腫瘤移植（Patient-derived tumor xenografts，PDTX，或PDX）模型則具有更多優勢，PDX小鼠模型的腫瘤保留了來自腫瘤病人在分子，遺傳，組織學異質性等特征（甚至經過小鼠體內的傳代幾代之后）。所以，PDX模型也成為目前個性化醫學和臨床前藥物篩選的有用工具。

目前，PDX的大規模研究已應用于潛在臨床藥物預測試驗。有研究者通過構建約1000個來自多元化不同類型突變的PDX模型，并應用這些不同的PDX模型對不同藥物進行小鼠體內篩選，尋找藥物與腫瘤基因型之間的關聯性，以達到試驗重復性和臨床可解釋性的統一。最近有應用三陰乳腺癌建立的PDX模型，結合單細胞基因表達分析證明，早期細胞表達特征標記主要為干細胞樣基因，發現了具有阻斷乳腺癌轉移的潛在藥物新靶點。

不幸的是，PDX模型在研究某些腫瘤類型方面（如雌激素受體陽性的乳腺癌和前列腺癌）的不滿意效果成為了限制其應用的主要障礙。而且，PDX模型必須建立在免疫缺陷小鼠上，這樣的小鼠缺乏由獲得性免疫系統介導的天然抗腫瘤與促腫瘤活動。

研究者們也明白，雖然PDX模型缺乏功能性的獲得性免疫系統，該模型仍可為臨床提供有價值的研究資料。正在進行中的相應改進努力是通過移植人CD34陽性造血干細胞或前體細胞的方法，實現重建人免疫系統的人源化的小鼠模型，也取得了顯著的成功。雖然來自某些特異譜系的人免疫細胞在小鼠體內的重建仍具有挑戰性，但通過引入人相關細胞因子，趨化因子，生長因子等方式，獲得增加人骨髓細胞在小鼠體內發育與成熟的效果。