Cell丨用于轉(zhuǎn)移性疾病藥物發(fā)現(xiàn)的臨床前模型
在一個(gè)生物體的生命周期內(nèi)，累積的遺傳物質(zhì)、環(huán)境的不斷變化、表觀(guān)遺傳學(xué)修飾可以驅(qū)動(dòng)正常組織惡化為腫瘤。這些腫瘤可以被比作惡性細(xì)胞的動(dòng)態(tài)生態(tài)系統(tǒng)—浸沒(méi)在由固有和招募而來(lái)的免疫和基質(zhì)細(xì)胞—存在于細(xì)胞外基質(zhì)中。在我們?cè)O(shè)計(jì)器官特異性疾病臨床前模型時(shí)已經(jīng)考慮到設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。此外，治療方法不再僅僅關(guān)注腫瘤細(xì)胞中的基因驅(qū)動(dòng)突變，而是關(guān)注器官微環(huán)境，特別是免疫組成成分。臨床前模型的應(yīng)用加上患者篩選技術(shù)的創(chuàng)新和量身定制治療方法的創(chuàng)新促進(jìn)了局部疾病患者存活率的增加。然而，晚期疾?。恨D(zhuǎn)移，仍然是癌癥致死率高的主要原因，~90%的轉(zhuǎn)移性腫瘤患者死亡的主要原因是轉(zhuǎn)移。（Cell丨腫瘤轉(zhuǎn)移的主要機(jī)制及治療機(jī)會(huì)點(diǎn)）
疾病的進(jìn)展歸咎于一系列復(fù)雜的因素：
首先，腫瘤細(xì)胞的基因組和表型異質(zhì)性是一個(gè)促成因素。其中，存在于原始腫瘤中的具有固有或獲得性耐藥性的亞克隆或細(xì)胞可以驅(qū)動(dòng)持續(xù)腫瘤持續(xù)生長(zhǎng)和傳播。
第二個(gè)因素涉及遠(yuǎn)距離地點(diǎn)定植的時(shí)間安排，在某些情況下，限于當(dāng)前影像技術(shù)，腫瘤細(xì)胞可能在原發(fā)性腫瘤的檢測(cè)和手術(shù)切除/治療前幾年就已經(jīng)擴(kuò)散。
第三個(gè)因素是動(dòng)態(tài)環(huán)境相互作用而導(dǎo)致的新表型的進(jìn)化。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)移部位的不同腫瘤細(xì)胞表型是由于在傳播、器官特異性播種（原文為：organ-specific seeding，不知道翻譯是否準(zhǔn)確）和轉(zhuǎn)移性定植過(guò)程中暴露于過(guò)多的環(huán)境因素而形成的。因此，治療方法可能表現(xiàn)出器官特異性反應(yīng)、療效降低或短暫反應(yīng)。
所有這些特征都表明，需要在時(shí)間和空間上對(duì)轉(zhuǎn)移過(guò)程進(jìn)行更全面的建模，以更好地為有效的藥物開(kāi)發(fā)提供信息。
本文中，研究者概述了涵蓋復(fù)雜度和分辨率范圍的癌癥研究模型（圖1A）。
圖1A. 不同的癌癥模型具有不同的優(yōu)勢(shì)
本綜述中介紹的不同臨床前模型系統(tǒng)示意圖。
指示了各種關(guān)鍵類(lèi)別中的模型性能。+，低；++，中等；+++高的不適用，不適用。如果使用模型組，腫瘤遺傳異質(zhì)性建模的性能會(huì)提高；
在為特定任務(wù)選擇最佳臨床前模型時(shí)必須考慮的一些多維比較軸（例如，測(cè)試新的免疫療法的療效或?qū)CM生物力學(xué)的調(diào)節(jié)劑進(jìn)行高通量篩選）；
幾個(gè)選定模型在免疫、轉(zhuǎn)移效率和基因組復(fù)雜性三個(gè)軸上的相對(duì)性能的可視化表示。球體的相對(duì)大小表示它們沿著轉(zhuǎn)移效率軸從前（大）到后（?。┑奈恢谩．?dāng)僅考慮這3個(gè)軸時(shí)，很明顯，發(fā)現(xiàn)非免疫、選擇性靶向治療療效的潛在預(yù)測(cè)生物標(biāo)志物可能最好使用高基因組復(fù)雜性的PDX文庫(kù)，以產(chǎn)生足夠的變異，進(jìn)行有意義的相關(guān)性分析。相比之下，使用轉(zhuǎn)移性更強(qiáng)的CDX可能會(huì)更好地進(jìn)行新型抗轉(zhuǎn)移藥物的療效測(cè)試。通常，任何模型的選擇都會(huì)涉及對(duì)研究目標(biāo)不那么關(guān)鍵的軸的妥協(xié)。
延申科普：
CDX腫瘤模型
CDX（人源腫瘤細(xì)胞系異種移植，cell derived ?xenograft）模型主要是將腫瘤細(xì)胞系移植到裸鼠或者NSG小鼠體內(nèi)而構(gòu)建的腫瘤模型，而由于腫瘤細(xì)胞系是經(jīng)過(guò)人工純化以及多代培養(yǎng)的細(xì)胞系,所以其構(gòu)建的CDX模型是無(wú)法保持腫瘤組織的異質(zhì)性的。同時(shí)由于其經(jīng)過(guò)了多次的傳代(幾十次傳代)，所以生物學(xué)特征變化明顯，從而使得其生物學(xué)特性以及藥效評(píng)價(jià)結(jié)果與臨床相似度極低。
PDX腫瘤模型
PDX（人源腫瘤組織來(lái)源移植瘤模型 ，patientl derived ?xenograft）模型是將腫瘤組織以組織的形勢(shì)移植至NSG小鼠體內(nèi)，從而很好的保持了腫瘤的異質(zhì)性。同時(shí)PDX模型是將腫瘤組織直接移植到NSG小鼠體內(nèi)，并沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何人工培養(yǎng)，所以其生物學(xué)特性保持的更加完整，與臨床相似度更高，是現(xiàn)階段最優(yōu)秀的腫瘤動(dòng)物模型。
圖2:用于建立CTC（循環(huán)腫瘤細(xì)胞）體外和體內(nèi)模型的方法示意圖，以及這些模型在機(jī)制研究和臨床中的應(yīng)用
例如，分析抗腫瘤免疫反應(yīng)需要一個(gè)具有完整免疫系統(tǒng)的模型。因此，既往研究者的選擇僅限于免疫活性的全動(dòng)物模型，缺點(diǎn)是費(fèi)用高，篩選效率低下。近年來(lái)，以腫瘤轉(zhuǎn)移負(fù)荷為主要研究終點(diǎn)的干預(yù)性研究中，人們逐步關(guān)注到最近開(kāi)發(fā)的移植模型的優(yōu)勢(shì)，該模型使用癌癥患者的循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）。在低等生物和3D培養(yǎng)系統(tǒng)中能夠有效闡述詳細(xì)的分子機(jī)制和高通量藥物基因篩選。表1總結(jié)了不同型號(hào)的一些主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
免疫療法：新的前沿
免疫治療徹底改變了癌癥治療領(lǐng)域。目前臨床使用的兩類(lèi)主要免疫療法是免疫檢查點(diǎn)阻斷劑（ICB）和嵌合抗原受體（CAR）T細(xì)胞的過(guò)繼免疫療法。盡管其他方法，如使用雙特異性抗體來(lái)促進(jìn)免疫效應(yīng)細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞之間的相互作用，也顯示出臨床前景。但常用的還是ICB和CAR-T。
在ICB中，治療性抗體用于阻斷抑制性免疫檢查點(diǎn)并恢復(fù)更有效的抗腫瘤免疫，如靶向CTLA4的抗體（例如Ipilimumab，其于2011年被FDA批準(zhǔn)）或PD1/PDL1免疫抑制劑，除此之外，目前已經(jīng)擴(kuò)展到許多其他的免疫抑制性檢查點(diǎn)。在CAR-T細(xì)胞治療中，患者自身的T細(xì)胞被收集并工程化以表達(dá)識(shí)別腫瘤特異性抗原的CAR。第一種CAR-T細(xì)胞療法是針對(duì)CD19靶點(diǎn)的（KYMRIAH，F(xiàn)DA于2017年批準(zhǔn)），用于治療大B細(xì)胞淋巴瘤和急性淋巴細(xì)胞白血病。
然而，盡管ICB和CAR-T療法取得了一些驚人的成功，但許多患者表現(xiàn)出固有或獲得性耐藥性，副作用也有可能很?chē)?yán)重。因此，需要開(kāi)展大量工作來(lái)開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)性生物標(biāo)志物，以識(shí)別應(yīng)答者，了解耐藥性機(jī)制，并預(yù)測(cè)和減輕脫靶毒性。
盡管取得了一些顯著的成功，但有希望的臨床前線(xiàn)索轉(zhuǎn)化為臨床有效療法的成功率仍然很低，絕大多數(shù)都在轉(zhuǎn)化的“死亡谷”中消亡，研究者考慮了一些可能導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題的因素（總結(jié)見(jiàn)表2）。
相較于人類(lèi)和小鼠，斑馬魚(yú)擁有一個(gè)完整和高度保守的免疫系統(tǒng)。血液和淋巴管以及胸腺和心臟等器官，在斑馬魚(yú)的發(fā)育早期就得到了保護(hù)和形成。GEM和異種移植物模型也已經(jīng)使用幼蟲(chóng)和成年斑馬魚(yú)。
圖3.?斑馬魚(yú)模型概述
顯示不同轉(zhuǎn)基因系的顯微圖，使基質(zhì)細(xì)胞可視化。上圖：幼魚(yú)的血管（品紅色）和中性粒細(xì)胞（綠色）。下圖：幼魚(yú)的血管（紅色）和淋巴管（綠色）。圖片由NICHD的Dan Castranova提供。
顯示斑馬魚(yú)不同異種移植物模型的顯微圖。上圖：7天大的魚(yú)，在2天大的時(shí)候?qū)⑷祟?lèi)腫瘤細(xì)胞（藍(lán)色）注射到循環(huán)中，血管顯示為灰色。插圖顯示更高的分辨率。
下圖：一條幼魚(yú)，在4天大時(shí)注射移植了斑馬魚(yú)黑色素瘤細(xì)胞，~1個(gè)月后，在尾部可見(jiàn)腫瘤。
圖4. 顯示不同3D培養(yǎng)模型示意圖
隨著3D技術(shù)的進(jìn)步，3D培養(yǎng)模型在臨床藥物研發(fā)中的應(yīng)用也逐步普遍起來(lái)。
單細(xì)胞和空間基因組學(xué)以及高維成像和流式細(xì)胞術(shù)的技術(shù)進(jìn)步意味著可以直接從具有密切相關(guān)生物學(xué)成分的臨床研究中收集越來(lái)越豐富的信息。理想情況下，模型系統(tǒng)應(yīng)該用來(lái)補(bǔ)充和增強(qiáng)我們從臨床研究中學(xué)到的東西，相反，臨床觀(guān)察必須作為對(duì)模型的現(xiàn)實(shí)檢驗(yàn)。但需要記住的是，所有的模型都是不完美的，但如果利用它們的特定優(yōu)勢(shì)，它們都是有價(jià)值的。
參考文獻(xiàn)
Wakefield L, Agarwal S, Tanner K. Preclinical models for drug discovery for metastatic disease. Cell. 2023 Apr 13;186(8):1792-1813. doi: 10.1016/j.cell.2023.02.026. PMID: 37059072.
