常用见的动物实验是肿瘤动物模型的构建,一般包括小鼠移植瘤模型和转基因动物模型。小鼠移植瘤模型根据移植方式又包括了皮下种植移植瘤,肾被膜下种植移植瘤和原位种植移植瘤。转基因动物模型则是引入致癌基因或敲除抑癌基因建立自发肿瘤或诱导生成肿瘤的转基因模型小鼠,再在模型小鼠的基础上进行相应的实验。
1915年,日本病理学家Katsusaburo Yamagiwa和其助理Koichi Ichikawa通过把煤焦油涂于兔子的耳朵(150天)上,最后,他们发现兔子罹患了肿瘤。Yamagiwa的兔子模型也被认为是首例用于癌症研究的动物模型。
加利福尼亚大学旧金山分校(University of California, San Francisco)的肿瘤生物学家Melissa Reeves等人采用这种方法,在小鼠皮肤局部涂抹名为DMBA和TPA的已知致癌物,诱导小鼠发生皮肤癌,进而研究肿瘤如何从原发部位转移至继发部位。她的研究结果表明,皮肤癌不会按顺序从一个位置迁移到另一个位置——例如,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”。
化学致癌物质可能会在数百个位点破坏DNA,而这种模型模拟了由广泛基因损伤引起的肿瘤的自然演变,这对于模拟因重复暴露于特定环境(如持续紫外照射)的人类肿瘤具有非常重要的借鉴意义,但该类模型费时较长,肿瘤的连续监测困难,高异质性可能会造成数据的处理难度增加,缺乏明确的基因操作等。
顾名思义,GEMM(Genetically engineered mouse model)是通过对小鼠基因进行改造而构建的肿瘤模型,改造手段包括转座子技术,基于同源重组(或非同源末端连接)的胚胎干细胞和CRISPR-Cas9技术等。
如敲除小鼠抑癌基因p53,其罹患肿瘤的概率也会随之增加,并且这些自发肿瘤完全保留了其异质性,可以更好地模拟人类癌症特征,但另一方面,这类基因敲除通常会诱发多系统肿瘤,自发成瘤周期也因小鼠个体差异难以保持同步, 并且GEM通常只包含一两个基因改变,而人类肿瘤一般有多个基因突变等....
同系移植小鼠模型(syngeneic model)是将组织相容性的肿瘤细胞系,即同种背景来源的肿瘤细胞系接种至免疫健全的近交系小鼠(通常为C57BL/6 or BALB/c strains)体内,接种部位常为皮下(方便直接观察肿瘤的生长情况),原位(模拟肿瘤生长的源环境),系统注射(腹腔或静脉注射,监测肿瘤的扩散情况),如图2。
该模型操作简单,成本低,可重复,肿瘤生长迅速且趋于同步,但接种的肿瘤通常来源于体外培养的同质性癌细胞,并且缺乏人源肿瘤生长的微环境。
1、人源肿瘤细胞系异种移植(cell derived xenograft, CDX),即将体外传代培养的肿瘤细胞接种至免疫缺陷小鼠,接种部位常为皮下,静脉或原位,如图3。
细胞系模型以体外培养的传代肿瘤细胞在免疫缺陷鼠体内接种而建立,由于细胞体外长期传代而呈现有高同源性特点,模型建立容易,重复性好,在肿瘤药物研发中仍有极大需求, 但在体外不断培养传代过程中,肿瘤异质性与原始肿瘤组织存在较大的差异,从而在预测临床药效方面不甚理想。
2、人源肿瘤组织来源移植瘤模型 (patient derived xenograft ,PDX),通过将病人新鲜的瘤组织直接移植到免疫缺陷小鼠体内而建立的肿瘤模型,常见接种部位为皮下,静脉,原位。
与CDX相比,PDX移植所用标本直接来源于人体肿瘤组织,未经过体外培养,稳定地保留了肿瘤的遗传特性、组织学和表型特征,即肿瘤异质性,肿瘤的生长微环境更接近人体实际情况,筛药试验结果也具有较好的临床预见性。