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本文轉載自“生命奧秘”。

1915年，處于戰(zhàn)爭狀態(tài)，日本病理學家Katsusaburo Yamagiwa和他的助理Koichi Ichikawa正在努力研究一個致命武器，其殺傷力堪比西線戰(zhàn)場的戰(zhàn)爭。這個來自東京大學（Imperial University）的二人組花了150多天把煤焦油涂在兔子的耳朵上。zui后，他們發(fā)現兔子罹患了腫瘤。

Yamagiwa的兔子模型被認為是*個用于癌癥研究的動物模型。自此，科學家使用了包括細胞系、基因工程小鼠在內的多個模型來模擬人類癌癥。但為解答特定實驗問題而選擇模型時需要考慮多個因素。

據馬薩諸塞州波士頓丹娜法伯癌癥研究院（Dana-Farber Cancer Institute）的醫(yī)學腫瘤學家David Weinstock表示，什么樣的模型是一個好的癌癥模型“是一個非常復雜的問題，zui簡單的答案是它必須能夠給我啟發(fā)——真正回答我想問的問題。如果不能，那就是在浪費我的時間”。

對于美國國家癌癥研究所（US National Cancer Institute, NCI）的部門負責人Nancy Boudreau來說，模型與人類癌癥的相似度至關重要。她表示，模型越能體現人類疾病的發(fā)生和發(fā)展就越好。理想的癌癥模型應該能夠反映人類癌癥發(fā)生的許多特征，包括如何應對免疫系統(tǒng)、如何轉移，或從其主要來源擴散到身體的其它部位，以及如何對治療產生響應。這需要科學家了解每種癌癥模型的優(yōu)缺點，因為沒有哪個模型能夠解答所有問題。

一些證據表明，盡管有很多選擇，但現有的癌癥模型還不足以開發(fā)療法。生物技術創(chuàng)新組織（Biotechnology Innovation Organization）審查了從2006年至2015年的臨床試驗，結果發(fā)現，在針對15種疾病組別的臨床試驗中，癌癥藥物的失敗率zui高，在通過臨床1期的癌癥藥物中，zui終獲得批準的比例僅為5.1%。相比之下，血液學和傳染病藥物的臨床試驗成功率分別為26.1％和19.1％。

德國癌癥研究中心（German Cancer Research Center）的血管腫瘤專家Hellmut Augustin指出，如果更好的臨床前模型可以將臨床轉化率提高10％，這將極大地提高臨床前癌癥研究的質量，并為藥物節(jié)省巨大開支。

研究人員一直為改進現有模型做出了諸多努力。他們在范圍內展開合作，希望改善這些模型。例如，NCI、英國癌癥研究所（Cancer Research UK）、英國維康信托桑格研究所（Wellcome Trust Sanger Institute）和荷蘭烏得勒支的非營利性組織Hubrecht Organoid技術公司聯(lián)手開展了一項名為人類癌癥模型倡議（Human Cancer Models Initiative）的計劃。該倡議于2016年啟動，目標是在細胞系中開發(fā)1000種新型癌癥模型，以供研究人員使用。這些項目表明，許多科學家都認同擴大癌癥模型庫的價值。

修飾小鼠基因組

一般情況下，細胞株都可以幫助我們解決很多研究難題。但這些細胞通常以2D形式生長，缺乏人類癌癥生長，尤其是免疫系統(tǒng)生長的正常條件。這使培養(yǎng)的細胞不適合模擬癌癥的多個特征。NCI的癌癥系統(tǒng)生物學家Shannon Hughes指出，相比之下，基因工程小鼠（genetically engineered mouse, GEM）適用于多個研究。它們能更好地模擬人類癌癥特征，并且容易操控。

多年來，基因工程小鼠需要復雜的過程來產生所需的DNA，在培養(yǎng)基中轉化細胞，然后將其注入到小鼠胚胎，以修飾小鼠的基因。但是，與大多數其它遺傳修飾應用一樣，現在制作GEM的方法隨著CRISPR基因編輯系統(tǒng)的問世而獲得改進。紐約威爾康奈爾醫(yī)學院（Weill Cornell Medical College）的癌癥生物學家Lukas Dow表示，CRISPR可以完成一些非常精細的、以前無法完成的操作。例如現在誘導大型染色體重組，如反轉、缺失和易位的技術已經比較簡單直接了。但有了CRISPR后，科學家甚至可以改變嚙齒動物的DNA中的一個堿基。他指出，這種技術還可以清晰到讓每個堿基的分辨率準確再現科學家在人類癌癥中觀察到的突變。以前的癌癥模型都忽略了這些細節(jié)，但是病因往往就在這些細節(jié)里。

韓國基礎科學研究所（South Korea’s Institute for Basic Science）的基因組工程師Taeyoung Koo等人使用CRISPR靶向一個非小細胞肺癌（non-small-cell lung cancer, NSCLC）突變。他們報告指出，15％的人類NSCLC病例涉及表皮生長因子受體（epidermal growth-factor receptor, EGFR）基因中僅一個DNA堿基的改變（即單核苷酸突變）。目前治療方案主要是使用靶向該基因的突變蛋白的藥物，例如gefitinib。

Koo的團隊開發(fā)了CRISPR-Cas9向導RNA序列，該序列識別zui常見的EGFR突變區(qū)域（這種突變占EGFR突變相關NSCLC病例的40％以上）。然后他們將人類NSCLC腫瘤植入小鼠，并用CRISPR-Cas9和特定的向導RNA靶向突變。結果顯示，設計合理的向導RNA能準確地打斷致病序列，產生治療效果。他們報告稱，Cas9酶可以有效區(qū)分EGFR突變型等位基因與野生型等位基因，從而破壞致癌基因，誘發(fā)癌細胞死亡。

Dow提醒，雖然CRISPR具有顯著的靶特異性，但其切割結果高度多變。因此，如果目標是在所有病例中都產生一致的遺傳變化，那么Cas9之類的核酸酶就不是一個好選擇了。傳統(tǒng)CRISPR系統(tǒng)中DNA修復的隨機性意味著，你需要面對細胞異質性的問題。

一個乳腺癌細胞在顯微鏡下遷移。

GEM有其局限性，特別是在疾病的發(fā)展時間和異質性方面。據Hughes解釋，小鼠腫瘤發(fā)展非?？?，從而迫使研究人員加快他們的實驗進度，但這與人類疾病的發(fā)展速度大不相同。此外，小鼠腫瘤往往過于同質，而無法正確反映人類疾?。篏EM通常只包含一兩個基因改變，而人類腫瘤通常有很多基因改變。

為了解決缺乏異質性的問題，并產生更忠實于人類癌癥的模型，德州大學安德森癌癥中心（University of Texas MD Anderson Cancer Center）的生物醫(yī)學科學家Lorenzo Federico等人在系統(tǒng)生物學家Gordon Mills的實驗室里展開研究，設計了一系列來自轉基因小鼠原發(fā)乳腺腫瘤的可移植細胞系。zui后他們得到了12個新的小鼠移植細胞系——可以可靠地產生具有一系列突變的特定類型的腫瘤小鼠模型。Federico表示，理想的情況是，不同小鼠發(fā)生的不同原發(fā)性腫瘤應具有不同的分子改變，以更忠實地反映人類癌癥的遺傳特征。

這些模型已被用于靶向治療（包括癌癥分子途徑抑制劑）的臨床前評估。根據Federico的說法，這些模型也非常適合研究免疫系統(tǒng)在腫瘤發(fā)生和治療發(fā)展中的作用。然而，他指出，由于這些移植物來源于基因工程小鼠腫瘤，對于得到的結果，“我們需要保持謹慎”。

癌癥如何發(fā)生和發(fā)展，取決于它與宿主免疫系統(tǒng)的相互作用。其中一些zui有希望的治療方法是免疫療法，它通過激活患者的免疫系統(tǒng)來攻擊特定的腫瘤。為了研究這些療法，科學家需要具有完整免疫系統(tǒng)的小鼠——是具有人類的免疫系統(tǒng)。這就需要人源化的小鼠模型。

為了讓GEM擁有人的免疫系統(tǒng)，科學家要將人造血干細胞（多種血細胞的前體細胞）植入免疫缺陷的小鼠體內。這一過程重現了人體免疫系統(tǒng)的某些方面，例如負責攻擊外來細胞的白血球。然后，研究人員便可以將人類腫瘤樣本（病人源性腫瘤異種移植物，patient-derived xenograft, PDX）移植到小鼠體內，創(chuàng)建更真實的人類疾病模型。

根據Augustin的說法，PDX模型越來越受到藥物的歡迎。藥物開發(fā)商將PDX用作藥物測試的試驗基地。PDX模型也開始進入基礎研究實驗室，并且可以在市場上購買到。緬因州巴爾港的杰克遜實驗室（Jackson Laboratory）與超過20家癌癥診所合作，創(chuàng)建了450多種這類小鼠模型，其中包括急性骨髓性白血病和膀胱癌、乳腺癌、肺癌、卵巢癌和胰腺癌。Jackson實驗室表示，這些小鼠的成本通常是標準免疫缺陷小鼠的三倍。

科學家也可以開發(fā)自己的PDX小鼠模型。圣裘德兒童研究醫(yī)院（St. Jude Children’s Research Hospital）的腫瘤學家Elizabeth Stewart等人使用手術切除的、能反映大腦、骨骼和其它癌癥的小兒實體瘤樣本，構建了67個PDX小鼠模型，這覆蓋了十多種腫瘤類型。

Stewart等人的目標是創(chuàng)建模型來研究針對不同腫瘤類型的藥物的治療效果——這需要模型準確地代表原始疾病。Stewart的研究小組決定使用全基因組和全外顯子DNA測序技術，從核酸水平上比較PDX和原始腫瘤。他們發(fā)現，總體而言，PDX的DNA序列在很大程度上與原始腫瘤的基因組特征相匹配，但也出現了新的突變。據研究人員總結，PDX“保留了患者腫瘤的分子和細胞特征，以及其發(fā)育起源的表觀遺傳特征”。

這并不是說PDX是靜態(tài)的。哈佛-MIT博德研究所（Broad Institute of Harvard and MIT）的所長Todd Golub及其研究小組研究了代表24種癌癥的543個PDX模型中的拷貝數變異（copy-number variations, CNV）。他們發(fā)現， 原始小鼠1次傳代后，60％的PDX中插入了長達500萬個堿基的CNV基因擴增區(qū)域，4次傳代后這個概率是88％。結果顯示，zui初模仿人類疾病的PDX可以演變成不能模仿人類疾病的形式。當這種情況發(fā)生時，PDX便不能再模擬目標癌癥了。

Boudreau認為，將人類PDX模型組織移植到人源化小鼠中會得到zui有吸引力的一種新癌癥模型，但他表示這“尚未*實現”，因為研究人員尚未掌握技術的細節(jié)。據她補充，隨著科學家對免疫治療和腫瘤響應的機制的興趣的增加，人源化小鼠將會變得非常重要。

回歸原始方法

一些科學家使用Yamagiwa的老方法，而不是基因技術來制造更實用的癌癥模型。這種化學致癌方法以普通的實驗室小鼠為研究對象，結果可以產生更真實的癌癥模型。

據加利福尼亞大學舊金山分校（University of California, San Francisco）的腫瘤生物學家Melissa Reeves解釋，用一種致癌物質處理小鼠，就像一種環(huán)境因素會造成特定類型的損傷，并獲得特定類型的腫瘤，如皮膚腫瘤。這對于模擬由于重復暴露于特定環(huán)境的人類腫瘤很有幫助，因為它模擬了由廣泛基因損傷引起的腫瘤的自然演變。

化學致癌物質可能會在數百個位點破壞DNA，并且隨著時間的推移影響會繼續(xù)存在。Reeves等人采用這種方法，在小鼠皮膚局部涂抹名為DMBA和TPA的已知致癌物，誘導小鼠發(fā)生皮膚癌，進而研究腫瘤如何從原發(fā)部位轉移至繼發(fā)部位。她的研究結果表明，皮膚癌不會按順序從一個位置遷移到另一個位置——例如，從皮膚到淋巴結再到肺，而是“通過平行傳播，同時進入淋巴結和肺部”。

Reeves表示，這一成果證實了一個臨床發(fā)現：去除乳腺癌周圍的淋巴結并不總是能夠提高生存率，這一觀察結果促使研究人員推測平行傳播的可能性。

盡管與GEM和人源化小鼠相比，化學致癌作用可能可以產生更好的、類似于人類癌癥異質性的腫瘤，但實際上這些模型也存在明顯的缺點。通過化學手段誘發(fā)原發(fā)性腫瘤，然后將其移除并研究轉移過程，可能需要18個月。Reeves指出，另外，每個腫瘤都會有所不同。

同樣，每種癌癥模型都不盡相同，小鼠模型并不總是的選擇，小鼠的飼養(yǎng)費用昂貴，并容易引起倫理問題，這讓細胞系不失為一種值得考慮的研究對象。

目前，研究人員只能選擇一種zui能解答他們問題的模型——盡管存在缺陷。同時，科學家將不斷改善現有模型，并開發(fā)新模型。正如Augustin指出的那樣，“用于開發(fā)和使用臨床轉化率更高的小鼠腫瘤模型的投資非常有意義。”否則，我們可能永遠無法提高臨床試驗中癌癥藥物的成功率。

小鼠并不是研究人員模擬癌癥的*選擇。一種流行的新興替代方法是類器官——模仿一些器官的微觀解剖，例如血管系統(tǒng)的3D細胞培養(yǎng)物。

法國奧爾良分子生物物理中心（Centre for Molecular Biophysics）的分子生物學家Claudine Kieda表示，腫瘤就像是一個多種組織合作的器官。3D細胞模型可充分考慮微環(huán)境，例如腫瘤周圍和內部的氧氣水平。

Kieda的實驗室將黑素瘤和內皮細胞結合在由膠原蛋白、生長因子和一個名為Matrigel的3D支架組成的基質中。這種混合物允許細胞形成類似于腫瘤及其周圍環(huán)境，特別是在氧化方面的結構。Kieda指出，每個細胞都在像孵化器那樣的環(huán)境中工作，氧氣的分壓遠遠高于體內。”

此外，類器官對于藥物開發(fā)也很有價值。例如，英國劍橋大學（University of Cambridge）的組織修復生物學家Meritxell Huch等人創(chuàng)建了用于藥物篩選的肝癌類器官。這種類型的腫瘤只有20%的概率能在小鼠身上生長，但Huch實現了近80％的成功率——并且該過程的效率大約是PDX的兩倍。Huch表示，速度是主要優(yōu)勢。Huch的研究小組利用這些類器官，開發(fā)了一種信號通路抑制劑，以用于治療原發(fā)性肝癌。

與其它癌癥模型一樣，一個好的類器官要盡可能地忠實地重現人類疾病。美國國家癌癥研究所（US National Cancer Institute）的腫瘤轉移研究員Nancy Boudreau表示，類器官比細胞更具生物學特性，而且比小鼠便宜。

原文檢索：

Mike May. (2018) Cancer research with a human touch. Nature, 556: 259-261.