新药研发简介系列（十三）：新瓶装旧酒，浅谈肿瘤动物模型的变迁

2015年6月29日 | Filed under: 新药研发,推荐技术,文献综合 | Posted by: webadmin

缺乏明显疗效是新药开发失败的最重要原因。虽然动物和人，疾病模型和疾病本身有着巨大区别，但实验动物模型依然是预测后期临床疗效，降低临床开发风险的最重要步骤之一。之前我们讨论了如何对待动物实验的疗效数据，比如动物实验要评价（一）疗效的大小，是否统计性显著、（二）阴性/阳性对照是否异常、（三）量效曲线是否异常、（四）重复性、（五）生物标记，疗效是否通过项目靶点而产生等因素。现在我们谈谈抗肿瘤动物模型的演变。

肿瘤是在新药开发过程中动物模型较完善的一门学科。即使如此，临床前的疗效还常常不能转换化到临床认证。目前常见的肿瘤动物模型有小鼠接种肿瘤模型（包括鼠源或人源）、皮下异位移植肿瘤模型（PDX，包括体外生长或直接来自患者）、原位移植肿瘤模型（PDOX，转移性肿瘤模型）、转基因“肿瘤鼠”模型、以及“Xenopatients/Avatars”等。小鼠接种模型因为操作简易、成瘤率高、价格低廉等原因，尤其作为筛选模型而被广泛应用于抗癌药物研发。1969年，Rygaard and Povlsen医生首次把来自一个71岁直肠癌肿患的肿块直接移植到缺乏胸腺细胞和T细胞的小鼠（裸鼠）改变了肿瘤研究领域【1】。这是人类首次把人类肿瘤肿块移植到小鼠皮下生长，开始了肿瘤研究的新纪元。

皮下异位移植肿瘤模型（PDX）通常把来自患者肿瘤的肿块直接移植到免疫缺陷小鼠的皮下。与传统细胞株建立的肿瘤模型相比，异位移植肿瘤模型减少了体外培养步骤，保持了临床肿瘤细胞的形态和分子生物学特征，因而更好地模拟人类肿瘤并预测临床疗效。虽然在小鼠皮下生长的肿瘤和供体的高分化腺癌相似，但是大多数人体实体瘤在免疫功能低下的小鼠皮下种植不发生转移，转移性细胞株移植皮下之后也伴随着极低的转移率。受体/靶点/靶蛋白的表达情况也可能发生变化，因此不能很好地模拟人类肿瘤的微环境，从而影响了它在研究人类肿瘤转移特征方面的价值。

Sordat课题组是最早报道原位移植肿瘤模型（PDOX）的实验室之一【2】。PDOX是将患者肿块（或细胞/组织）移植到该肿瘤的源发器官，比如肝癌实体瘤（细胞）移植到肝脏、胃癌肿块（细胞）移植到胃，这样保持了肿瘤组织与其起源相同的体内微环境，相对异位移植具有更高的临床相关性，降低假阳性发生率。尤其重要的是原位移植模型的肿瘤类似人体肿瘤容易发生转移。1982年，Sordat研究团队把直肠癌细胞株注入裸鼠的大肠，长出肿瘤且肿瘤发生转移。后来的研究表明，肿瘤在宿主体内表达侵袭转移能力，不但需要具备合适的移植环境，而且还依赖于肿瘤细胞之间、肿瘤细胞与宿主之间的相互作用。原位移植比通过尾静脉、门静脉、左心室、骨、脾、淋巴结等多途径注射肿瘤细胞引起的肿瘤转移更能模拟人类肿瘤转移。除了直接移植患者肿块和原位接种肿瘤细胞之外，原位移植肿瘤模型还可以先在皮下接种，成瘤后再移植至小鼠的原发器官。这样先让人源肿瘤组织在裸鼠皮下适应裸鼠体内环境，然后再接种于原发器官，有利于保证移植瘤的存活率。这类技术与直接原位移植瘤模型一样充分展示人源肿瘤的生物学特性，与裸鼠皮下和腹腔移植瘤相比，其侵袭和转移能力均优于后者。自上世纪九十年代起，人们已经广泛使用来自患者的原位移植瘤模型，其中包括直肠癌、胰腺癌、乳腺癌、卵巢癌、肺癌、以及胃癌模型等。

1988年4月，哈佛大学的Philip Leder和Timothy Stewart通过基因工程的方法，培育了一种高度易感乳腺癌的小鼠。这种转基因的“肿瘤鼠”（也叫哈佛鼠）的Myc基因能被对激素敏感的鼠源乳腺肿瘤病毒诱导产生乳腺癌。“哈佛鼠”的专利申请也作为首例动物专利曾在十多年前被炒得沸沸扬扬。“肿瘤鼠”具有免疫活性，而不是象裸鼠那样具有免疫缺陷，能够研究肿瘤在肿瘤周围组织的微环境中的发展以及抗癌药物的分子和组织病理学影响。而且这种自发性“肿瘤鼠”模型可以明显缩短动物模型的实验周期。再后来又开发了更复杂实验技术，其中包括同源重组、以及Cre-loxP系统激活肿瘤基因和敲除特定器官的肿瘤抑制基因等。在过去二十余年转基因“肿瘤鼠”模型尤其在科研机构曾一统天下，占据肿瘤动物模型的大半壁江山。

2006年，约翰•霍普金斯大学的Hidalgo课题组报道采用严重免疫缺陷小鼠建立的移植瘤小鼠模型。比如他们使用一类肥胖糖尿病联合免疫缺陷（NOD-SCID）的小鼠，但是这种小鼠模型的肿瘤依然不大会转移。为了和五十年前的异位移植模型显示区别，Hidalgo课题组赋予这个老模型一个新名称—“Xenopatients”或“Avatars”。笔者认为这类模型是新瓶装旧酒，而且这类“新瓶里的旧酒”在2014年10月竟被登上《科学》杂志封面【3】。50年过去了，肿瘤动物模型几乎又回归当初，今天药厂广泛采用的肿瘤移植模型和Rygaard/Povlsen当初的实验没有什么本质上的区别。

【参考文献】
1、 Rygaard, J. & Povlsen, C. O. Heterotransplantation of a human malignant tumor to 'nude' mice. Acta Pathol. Microbiol. Scand. 77, 758–760 (1969).
2、 Wang, W. R. et al. in Immune-Deficient Animals — 4th International Workshop on Immune-Deficient Animals in Experimental Research (ed. Sordat, B.) 239–245 (Karger, 1982)
3、 Robert M. Hoffman“Patient-derived orthotopic xenografts: better mimic of metastasis than subcutaneous xenografts”《Nature Reviews Cancer》2015年6月18日（doi:10.1038/nrc3972）。