这些肿瘤免疫小鼠模型,别说你不知道

这些肿瘤免疫小鼠模型，别说你不知道
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要说当今社会哪种癌症治疗手段最火热，癌症免疫疗法（Cancer Immunotherapy）当之无愧。

科学家们热衷于从免疫系统着手消灭肿瘤细胞。

自美国詹姆斯·艾利森（James P. Allison）和日本免疫学家本庶佑（Tasuku Honjo）因其开创性的癌症治疗方法获得2018年诺贝尔医学奖后，更是为癌症的免疫治疗增添了热度。

虽说免疫检查点抑制剂、癌症疫苗和细胞治疗等方面取得的成就为患者带来了希望，然而建立可以模拟人类疾病的免疫活性小鼠模型仍是一个重大挑战。

免疫疗法的临床前研究需要具有完整功能免疫系统的体内模型。

当前的临床前免疫治疗小鼠模型包括同源肿瘤模型、基因工程小鼠模型和人源化肿瘤模型，本文将浅谈这几种模型。

一、同源肿瘤模型
▲同源肿瘤模型（Syngeneic tumor models）。

利用在体外生长和扩增的鼠肿瘤细胞系，将其注射（通常皮下或原位）到免疫活性（Immune-competent）宿主中。

这是最早出现和最常使用的临床前模型。

同源肿瘤模型是将永生化的小鼠肿瘤细胞系接种到近交品系小鼠中形成的同种移植模型。

肿瘤细胞系可以是自发性的、致癌物诱导的或转基因的。

受体小鼠拥有完整的鼠源免疫系统，具有完全的免疫活性（immuno-competent），且该免疫系统与同种移植肿瘤组织相容。

▲常见的同源肿瘤小鼠模型整理（包括鼠肿瘤细胞系、癌症类型、鼠宿主和使用的药物）
同源模型易于建立，且有良好的免疫应答。

可以用免疫检查点抑制剂（例如抗PDL-1，抗PD-1，抗-CTLA-4）等药物来评估荷瘤小鼠中肿瘤免疫疗法的效果。

同源细胞系
可以在实验室中轻松培养和大量扩增，这种模型价格低廉，操作起来相当简单且重复性强。

同系模型的另一个优点是宿主的免疫系统是正常的，这可能最大化模拟肿瘤微环境的真实生活情况。

缺点是移植的小鼠组织可能无法完全代表临床情况下人类肿瘤的复杂性。

二、基因工程小鼠模型
▲基因工程小鼠模型（Genetically Engineered Mouse Models）。

基因工程小鼠模型结合癌基因的组织特异性表达或肿瘤抑制因子的组织特异性缺失，驱动原发性肿瘤细胞生长。

基因工程小鼠模型（GEMM）主要是通过多种方式操纵致癌基因（例如病毒致癌基因SV40大T抗原；乳腺癌中的Kras和MYC；黑素瘤中的BRAF V600E）或肿瘤抑制因子（如前列腺癌中的PTEN和TP53；或结肠癌中的APC）。

这些方式可以是沉默、敲除、组织特异性表达、诱导表达等。

相关的技术包括位点特异性重组酶，shRNA和CRISPR等。

GEMM具有以下优势：（1）证明了特定基因在肿瘤发展中的作用；（2）与同源模型一样，GEMM的关键特征是其具有完整功能的小鼠免疫力，使得这些模型可用于免疫疗法评估；（3）由于肿瘤组织不是移植的，而是自发产生的。

这意味着可以很好模拟原发性肿瘤生长，伴随着诸如免疫抑制和逃避免疫监视等特征。

它们保留了肿瘤微环境，包括天然免疫抑制基质和脉管系统，这两者都是决定免疫细胞浸润程度和组成的关键变量。

但是也有不足：（1）肿瘤表型的外显率不高，肿瘤发展的潜
伏期过长；（2）有些存在于人类免疫细胞或肿瘤上的抗原和表面标志物在鼠细胞上不存在，小鼠和人抗原呈递细胞之间的抗原加工差异仍然存在，这可能妨碍利用鼠癌细胞研究人类疾病。

三、人源化肿瘤模型
▲PDX模型（Patient-derived xenograft models）。

源自患者的异种移植物（从患者体内取出的肿瘤组织），注射到免疫缺陷的鼠宿主中并进一步在体内繁殖。

肿瘤细胞可以单独注射，也可以与自体免疫细胞（来自外周血，骨髓或选定的祖细胞群）一起注射。

PDX模型是人类异种移植模型，使用人类细胞系注入免疫受损的鼠宿主，如无胸腺裸鼠或重症联合免疫缺陷（SCID）鼠，是用于评估抗癌疗法的最古老模型之一。

使用这些人类原发肿瘤样本，有可能创建能精确模拟自然肿瘤发展的PDXs，包括基因组异质性、肿瘤结构和微环境因素。

确定人异种移植模型用于免疫治疗的关键因素之一是鼠宿主的免疫缺陷程度。

经典的无胸腺裸鼠缺乏正常的胸腺发育，因此在T细胞功能方面具有缺陷。

然而，由于功能性先天免疫群体如神经营养因子和树突细胞以及B细胞和自然杀伤（NK）细胞仍然存在，免疫应答的许多方面虽然受到干
扰，但仍存在于无胸腺裸鼠中。

因此，在该模型中，人造血细胞和其他原代人细胞的植入非常有限。

SCID小鼠在T细胞和B细胞发育所需的DNA依赖性蛋白激酶方面是有缺陷的，并且Rag-缺陷型小鼠具有缺陷的Rag1和Rag2基因，这些基因在T细胞和B细胞功能方面也是有缺陷的。

IL2rγ链的敲除诱导IL2，IL4，IL7，IL9，IL15和IL21受体功能的同步缺陷，并产生缺乏NK细胞的小鼠。

通过组合基因突变，所得小鼠的免疫缺陷加剧，随之而来的是供体人免疫细胞植入的改善。

因此，用于植入人造血干细胞的最佳小鼠来自SCID，Rag1null或Rag2null小鼠，其与IL2rγ基因中的靶向突变偶联。

NOD /SCID IL2rγ链敲除或“NSG”小鼠（NOD.Cg-Prkdc scid Il2rγtm1Wjl / SzJ）是具有工程化组合免疫缺陷的临床前模型。

为了让小鼠拥有人的免疫系统，科学家要将人造血干细胞（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，然后将人类肿瘤样本移植到小鼠体内，创建更真实的人类疾病模型。

但是这些人源化PDX模型（Humanized patient-derived xenograft models）面临很多障碍。

（1）PDX模型需要高的采集率，以便在合理的时间范围内成功地将肿瘤传播到多只小鼠。

（2）虽然从一个肿瘤来的PDX模型可以在多个小鼠中使用，但是造血系统不能，因此需要重复的侵入性采样来开发个体人源化PDX小鼠。

（3）患者存活时间和造血细胞的获得可能是有限的，因此降低了该方法的实际可行性。

有研究显示用脐带人CD34 +细胞重建的NOD /SCIDIL2Rγ（null; NSG）小鼠可以响应抗PD-1治疗诱导移植的人PDX肿瘤的消退。

重要的是，来自不同供体的T细胞对同一PDX肿瘤的抗肿瘤作用有显著变化。

然而，这些同种异体免疫细胞缺乏正常的免疫监视过程，肿瘤排斥可能代表同种异体反应，而不是识别自然发生在同种异体系统之外的肿瘤相关抗原。

在理想的人源化PDX模型系统中，血液干细胞与移植的肿瘤是自体同源的。

免疫受损小鼠中人免疫系统的重建也可以通过使用来自人的外周血单核细胞（PBMC）。

尽管从自体患者收集PBMC比较容易，但是在植入后这些细胞长时间保持存活存在困难，而且PBMC产生强大的移植物抗宿主（即人与小鼠）反应。

相反，使用CD34 +细胞或其他富含造血祖细胞的群体可以产生长期植入。

这些转移的祖细胞可以进一步修饰，以结合趋化因子和其他促进长期植入免疫受损宿主的药物，以及促进基质细胞生成和肿瘤微环境形成的其他免疫调节因子。

使用自体肿瘤浸润性淋巴细胞重建PDX携带动物也被证明能够重现患者体内的抗肿瘤反应。

促进人类免疫群体扩增的另一种方法是改变宿主，而不是改变转移的细胞。

例如，通过转基因表达人干细胞因子，粒细胞巨噬细胞集落刺激因子和IL3产生NSG-SGM3小鼠模型。

该模型通过扩增T细胞（CD4 +，CD8 +和Tregs），B细胞和骨髓细胞群促进长期植入，从而重建代表自然复杂性的免疫系统。

另一种用于免疫重建的遗传修饰宿主是MSTRG或MISTRG小鼠，它是在Rag2和IL2rγ-缺乏的背景下产生的，并且已经被工程化以表达巨噬细胞集落刺激因子，血小板生成素，粒细胞/巨噬细胞集落刺激因子，有或没有IL3，因此能够在二次免疫组织和非造血器官中长期植入。

此外，NSG小鼠已被修饰以掺入HLA-A2的表达，HLA-A2是MHC I类单倍型，与免疫疗法的开发和抗原特异性T细胞应答的评估相关。

资料来源：
1.Mouse Models for Cancer Immunotherapy Research.
2.Syngeneic Models for Drug-Host Immune System Interactions Study.。