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构建人源化的小鼠模型
日期: 2019.05.17
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第一个用于癌症研究的动物模型

1915年,日本病理学家Katsusaburo Yamagiwa和Koichi Ichikawa把煤焦油涂在兔子的耳朵上,经过了半年左右的时间他们发现兔子罹患了肿瘤。自此,科学家使用了包括细胞系、基因工程小鼠在内的多个模型来模拟人类癌症。由于模型与人类癌症的相似度至关重要。人们期望模型越能体现人类疾病的发生和发展就越好。理想的癌症模型应该能反映人类癌症的诸多特征,包括发病机制、如何转移与扩散以及如何对治疗产生响应和出现耐药性。

国际生物技术创新组织(Biotechnology Innovation Organization)审查了从2006年至2015年的临床试验发现,在15种疾病的试验中,癌症的失败率最高,在通过临床1期的癌症药物中,最终获得批准的比例仅为5.1%。相比之下,血液学和传染病药物的临床试验成功率分别为26.1%和19.1%。



只要能将临床转化率提高10%,就是好的临床前模型


血管肿瘤专家Hellmut Augustin指出,如果临床前模型可以将临床转化率提高10%,将极大地提高临床前癌症研究的质量,并为药物开发者节省巨大开支。2016年,人类癌症模型倡议(Human Cancer Models Initiative)的计划正式启动,希望在全球范围内展开合作,目标是在细胞系中开发1000种新型癌症模型,以供全球研究人员使用。这表明,科学家们普遍认同扩大癌症模型库的价值。


基因工程小鼠肿瘤模型


尽管细胞株可以帮助我们解决很多问题,但培养的细胞不适合模拟癌症的多个特征。NCI的癌症系统生物学家Shannon Hughes指出,相比之下,基因工程小鼠(genetically engineered mouse, GEM)能更好地模拟人类癌症特征,并且容易操控,因而适用范围也更广。 

过去,基因工程小鼠需要复杂的过程来产生所需的DNA,转化细胞后注入到小鼠胚胎,以修饰小鼠的基因组。随着CRISPR基因编辑系统的问世,科学家可以精确改变啮齿动物DNA中的一个碱基,清晰再现科学家在人类癌症中观察到的精确突变。以前的癌症模型都忽略了这些细节,但是病因往往就在这些细节里。 

韩国基础科学研究所(South Korea’s Institute for Basic Science)的基因组工程师Taeyoung Koo等人使用CRISPR开发了CRISPR-Cas9向导RNA序列,该序列识别最常见的EGFR突变区域,然后他们用该方法作用于人类NSCLC肿瘤的小鼠模型。结果显示,设计合理的向导RNA能准确地打断致病序列,产生治疗效果。



基因工程小鼠模型的局限性


GEM的局限性主要在于疾病的发展时间和异质性方面。小鼠肿瘤发展非常快,这与人类疾病的发展速度大不相同;此外,小鼠肿瘤过于同质化的特点,使其无法正确反映人类疾病:GEM通常只包含一两个基因改变,而人类肿瘤通常有很多基因改变。

为了解决缺乏异质性的问题,MD Anderson Cancer Center的Lorenzo Federico等人设计了一系列来自转基因小鼠原发乳腺肿瘤的可移植细胞系。最后得到了12个新的可以可靠地产生具有一系列突变的特定类型的肿瘤小鼠模型。这些模型已被用于靶向治疗(包括癌症分子途径抑制剂)的临床前评估,也非常适合研究免疫系统在肿瘤发生和治疗发展中的作用。



人源化的小鼠PDX模型


癌症如何发生和发展,取决于它与宿主免疫系统的相互作用。为了让GEM拥有人的免疫系统,科学家将人造血干细胞(多种血细胞的前体细胞)植入免疫缺陷的小鼠体内。这一过程重现了人体免疫系统的某些方面,例如负责攻击外来细胞的白血球。然后,研究人员将人类肿瘤样本(病人源性肿瘤异种移植物,patient-derived xenograft, PDX)移植到小鼠体内,可以创建更真实的人类疾病模型。 

PDX模型越来越受到药物开发者的欢迎。药物开发商已经开始将PDX用作药物测试。美国的杰克逊实验室(Jackson Laboratory)与加拿大温哥华的活体肿瘤实验室(Living Tumor Laboratory)通过与多家癌症诊所和药物开发公司合作,创建了多种此类小鼠模型,其中包括急性骨髓性白血病和膀胱癌、乳腺癌、肺癌、卵巢癌、胰腺癌和前列腺癌等。通过全基因组和全外显子DNA测序技术,科学家们从核酸水平上比较PDX和原始肿瘤。他们发现,总体而言,PDX的DNA序列在很大程度上与原始肿瘤的基因组特征相匹配,但也出现了新的突变。据研究人员总结,PDX“保留了患者肿瘤的分子和细胞特征,以及其发育起源的表观遗传特征”。 

但是,PDX并不是静态的。Broad Institute的研究小组对24种癌症的543个PDX模型中的拷贝数变异(copy-number variations, CNV)进行研究后发现, 原始小鼠1次传代后,60%的PDX中插入了长达500万个碱基的CNV基因扩增区域,4次传代后这个概率是88%。结果显示,最初模仿人类疾病的PDX可以演变成不能模仿人类疾病的形式。当这种情况发生时,PDX便不能再模拟目标癌症了。尽管将人类PDX模型组织移植到人源化小鼠中会得到最有吸引力的一种新癌症模型,但这“尚未完全实现”,随着科学家对免疫治疗和肿瘤发生机制研究的深入,人源化小鼠将会变得非常重要。



更真实的癌症模型:回归原始方法

用日本科学家Yamagiwa使用的方法,而不是基因技术可以产生更真实的癌症模型。用一种致癌物处理小鼠,并获得特定类型的肿瘤,模拟了由广泛基因损伤引起的肿瘤的自然演变。化学致癌物质可能会在数百个位点破坏DNA,并且随着时间的推移影响会继续存在。Reeves等人采用这种方法,通过局部涂抹DMBA和TPA,诱导小鼠发生皮肤癌,结果表明,皮肤癌的转移不会按人们普遍认识的顺序从皮肤到淋巴结再到肺,而是“通过平行传播,同时进入淋巴结和肺部”。这也证实了一个临床发现:去除乳腺癌周围的淋巴结并不总是能够提高生存率,这将促使研究人员推测平行传播的可能性。 

尽管与GEM和人源化小鼠相比,化学致癌作用可以产生更好的、类似于人类癌症异质性的肿瘤,但这种模型也存在明显的缺点。通过化学手段诱发原发性肿瘤,然后将其移除并研究转移过程,需时可达18个月,另外,每个肿瘤都会有所不同。 

目前,研究人员只能选择一种最能解答他们问题的模型——尽管存在缺陷。同时,科学家们仍将不断改善现有模型,并开发新模型。用于开发和使用临床转化率更高的小鼠肿瘤模型的投资非常有意义;否则,我们可能永远无法提高临床试验中癌症药物的成功率。  


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