基因修饰小鼠模型在肿瘤学研究中的应用

作为肿瘤学研究的工具，GEM模型更能模拟人肿瘤的组织病理学和分子学特征，表现为有更好的遗传异质性，其优势在于能反映肿瘤细胞自身，以及肿瘤微环境中细胞等相互作用因素，包括具有引起原发肿瘤开始形成到发展为转移性疾病的能力。GEM模型的建立及应用极大促进了肿瘤学研究领域发展与进步。

相对于过去常用的肿瘤细胞接种和免疫缺陷小鼠模型，基因修饰小鼠（GEM）模型是建立在天然完整免疫条件下的原发（de novo)肿瘤，因此，作为肿瘤学研究的工具，GEM模型更能模拟人肿瘤的组织病理学和分子学特征，表现为有更好的遗传异质性，其优势在于能反映肿瘤细胞自身，以及肿瘤微环境中细胞等相互作用因素，包括具有引起原发肿瘤开始形成到发展为转移性疾病的能力。GEM模型的建立及应用极大促进了肿瘤学研究领域发展与进步。目前，GEM模型已成功应用于验证潜在肿瘤基因与药物靶点，考核治疗效果，分析肿瘤微环境影响，以及评价药物耐药性机制等研究领域。而且，结合临床病人研究与构建更加合理有效的GEM模型，优化肿瘤干预的临床前试验，无疑将进一步促进肿瘤治疗新策略的研发，提高其有效转化为临床上实际应用的成功率。

肿瘤学研究及肿瘤治疗在临床上仍然面临着许多挑战，其中抗肿瘤药物耐受性的形成和肿瘤转移性疾病是当前面临的两个重要现实难题。抗肿瘤耐药性的产生是由于异质性肿瘤中的原发突变的出现，或治疗前耐药克隆的大量生长引起的，而现有靶向抗肿瘤制剂的单一疗法，或化学药物疗法都无法避免药物耐受的发生。而且，在获得明显成功治疗之后，少量药物耐受肿瘤细胞可以存活下来，并在一定时间后，成为主要细胞群，最终形成与原始肿瘤表型不同复发疾病。而肿瘤转移性疾病则是导致超过90%以上与癌症相关死亡的原因，因为现在对于这些继发肿瘤也多无有效的治疗方法。近年来，虽然针对干预肿瘤病人免疫系统的肿瘤免疫疗法取得了一些令人鼓舞的进展，但该疗法也只是对一些特定病例情况下有效果，而对于大多数肿瘤病人仍不具有实际临床意义。

所谓成功的肿瘤治疗往往需要多种方法的协同作用，比如手术，发射线照射，细胞毒性疗法，以及免疫疗法等综合策略。为了设计出有效合理的综合治疗措施与方案，首要的基础与前提是深入了解肿瘤的形成与发展，转移，及治疗应答过程中，肿瘤细胞自身及其微环境细胞间相互作用的机制，从而寻找针对不同的肿瘤类型最有效的治疗方法。为了实现这一目的，研究者们就必须依赖于动物模型的临床前研究。过去尽管依赖于传统临床前小鼠模型，即通过建立移植人肿瘤细胞系或同种小鼠肿瘤细胞系模型等方法，获得了临床前抗癌新疗法的成功验证，但绝大多数的这些新疗法在临床III期试验中却都最终以失败而告终。

总体上讲，由于传统体内肿瘤小鼠模型在预测临床新疗法效果方面的表现不佳，因而更加凸显寻找具有更好预测能力及效果的改进型临床前体内模型的意义与价值。最近在基因修饰技术方面的进步与发展，使得快速研制能更有效模拟人肿瘤的GEM模型成为现实，GEM模型在遗传组成，肿瘤细胞与其肿瘤微环境的相互作用，药物反应及耐受等方面都更接近肿瘤病人。而新一代GEM模型的出现，也大大促进抗肿瘤新疗法策略转化为临床应用，最终达到有助于提高癌症病人生存率的目的。

50年前首先在裸鼠体内移植人/鼠肿瘤细胞系而建立的小鼠肿瘤移植模型成为肿瘤研究中常用的小鼠模型，这类移植模型可快速测试潜在肿瘤及转移相关基因，并成为临床前的药物试验主要工具。例如，通过异种移植研究有助于揭示结肠癌（CRC）对药物（如Vemurafenib)在小鼠体内的耐受机制，从而实现在临床试验中对CRC病人启动了同时针对突变BRAF（如V600E）和EGFR的靶向联合疗法，表明这类异种移植模型在建立新的联合治疗策略方面的实际意义。

异种移植研究也有助于发现特定基因表达特征，研究其介导的器官特异性定位转移的特点。如应用该种模型证实了传播的乳腺癌细胞存在于血管附近，这为调控这些传播的乳腺癌细胞提供了可能的对策。而且，应用这类细胞系移植的体内模型研究，也为抗肿瘤免疫，T细胞耐受机制，肿瘤免疫逃逸途径等提供了许多基本的认识概念。这些发现都为目前进行中的肿瘤免疫疗法的突破奠定了基础。

然而，由于肿瘤细胞系一开始就含有许多突变，而且在体外长时间培养过程中，还会产生额外突变，因此，此类接种模型难以真实反映人肿瘤细胞的形态学和遗传异质性，从而降低了该类模型作为临床应用效果预测性的可靠性。另外，为了防止可能的排斥反应，肿瘤细胞系的异种移植模型是建立在免疫缺陷小鼠基础上，这也限制了其应用于肿瘤发展中免疫系统以及治疗应答等领域的研究。

不同于细胞系移植模型，通过将新鲜人肿瘤活检物移植至免疫缺陷小鼠构建的病人来源的肿瘤移植（Patient-derived tumor xenografts，PDTX，或PDX）模型则具有更多优势，PDX小鼠模型的肿瘤保留了来自肿瘤病人在分子，遗传，组织学异质性等特征（甚至经过小鼠体内的传代几代之后）。所以，PDX模型也成为目前个性化医学和临床前药物筛选的有用工具。

目前，PDX的大规模研究已应用于潜在临床药物预测试验。有研究者通过构建约1000个来自多元化不同类型突变的PDX模型，并应用这些不同的PDX模型对不同药物进行小鼠体内筛选，寻找药物与肿瘤基因型之间的关联性，以达到试验重复性和临床可解释性的统一。最近有应用三阴乳腺癌建立的PDX模型，结合单细胞基因表达分析证明，早期细胞表达特征标记主要为干细胞样基因，发现了具有阻断乳腺癌转移的潜在药物新靶点。

不幸的是，PDX模型在研究某些肿瘤类型方面（如雌激素受体阳性的乳腺癌和前列腺癌）的不满意效果成为了限制其应用的主要障碍。而且，PDX模型必须建立在免疫缺陷小鼠上，这样的小鼠缺乏由获得性免疫系统介导的天然抗肿瘤与促肿瘤活动。

研究者们也明白，虽然PDX模型缺乏功能性的获得性免疫系统，该模型仍可为临床提供有价值的研究资料。正在进行中的相应改进努力是通过移植人CD34阳性造血干细胞或前体细胞的方法，实现重建人免疫系统的人源化的小鼠模型，也取得了显著的成功。虽然来自某些特异谱系的人免疫细胞在小鼠体内的重建仍具有挑战性，但通过引入人相关细胞因子，趋化因子，生长因子等方式，获得增加人骨髓细胞在小鼠体内发育与成熟的效果。