小鼠模型在腫瘤免疫研究中的進展與意義*

李 婕 綜述,王彤敏△ 審校

(1.昆明理工大學醫學院，昆明 650000；2.昆明理工大學附屬醫院/云南省第一人民醫院普外二科，昆明 650000)

長期以來，對癌癥病原體的發生、發展的分子機制的研究及新型抗癌療法的發現一直依賴于動物模型。可用于癌癥研究的動物模型很多，如果蠅、斑馬魚、犬科、貓科、馬科、鼠科和靈長類動物，每種都有其優缺點[1]。例如果蠅的短壽命、高繁殖力和成熟快的特征使得該動物模型易于遺傳修飾并快速得出實驗結果[2]。 但是，這種基因修飾與自然癌變不同，自然癌變的發生是一個復雜而緩慢的過程，需要時間、宿主細胞的營養及逃逸免疫系統的監視。

其中腫瘤微環境(TME)中的免疫細胞在腫瘤發生中起重要作用。這些與腫瘤相關的免疫細胞具有拮抗或促進腫瘤的功能，盡管TME中的抗腫瘤免疫細胞在腫瘤發生的早期傾向于靶向殺死癌細胞，但癌細胞似乎最終逃避了免疫監視，甚至通過多種途徑抑制了免疫細胞的細胞毒性功能[3]。所以腫瘤的發生、發展與機體的免疫系統之間存在復雜的相互作用，如果通過對機體腫瘤特異性免疫應答及對腫瘤免疫逃逸機制和TME深入了解，就可以為腫瘤提供重要的理論基礎，實現廣闊的應用前景[4]。小鼠腫瘤模型建立的方法很多，本文著重選擇移植性小鼠模型、原位誘導小鼠模型、基因工程小鼠模型、人源化小鼠模型進行介紹。

1 腫瘤免疫模型及其優缺點

1.1 同系和異種移植小鼠模型

腫瘤免疫學中最常用的是移植性小鼠模型。移植小鼠模型按照植入部位不同可以分為皮下移植、原位移植、腹水移植模型等。其中最常見的是皮下移植和原位移植模型[5]。皮下移植模型可以移植人體腫瘤組織，也可以直接移植小鼠腫瘤細胞。原位移植模型和皮下移植模型操作相似，通過原位移植腫瘤細胞以模擬其在“正常”環境中的生長。

1.1.1同系移植小鼠模型

它是將相同組織相容性抗原的腫瘤細胞接種到免疫功能正常的近交系小鼠中，如C57BL/6或BALB/c品系的小鼠。

1.1.2異種移植小鼠模型

異種移植小鼠模型是將人的腫瘤細胞移植到免疫缺陷的小鼠品系中[6]，這些腫瘤細胞可以是原發性腫瘤(患者來源)或現有的細胞系。人源腫瘤異種移植(PDX)模型是指將患者新鮮收集的腫瘤細胞移植到免疫缺陷的小鼠中，PDX模型的主要特征是保留原發性腫瘤[7]。然而，該模型具有幾個缺點：建立模型的成功率較低(平均30%～40%)，需要較長的時間(2～10個月)。此外，PDX模型成本高昂，限制了標本的統計數量[8]。PDS模型不容易獲得，但某些方法可以提高移植的成功率。如連續植入，將成功植入的腫瘤標本注射到另一只小鼠中，這種方法會使原發性腫瘤特征逐漸喪失[9]。 所以由于PDX模型的局限性，開發了人源化小鼠模型。

移植性小鼠模型具有成本低、簡單、腫瘤生長速度快等優點。其不足有：(1)小鼠注射的是來自體外培養的癌細胞，許多癌細胞在注射不久后就會死亡。(2)人類腫瘤生長在慢性炎癥環境，小鼠缺乏在自然環境中局部多步驟發生癌變的特征。(3)腫瘤通常出現在異位皮下。盡管有這些限制，移植性小鼠模型在識別免疫檢查點和篩選抗腫瘤新藥上有重大作用。目前腫瘤化療所應用的大多數藥物，都經動物移植性腫瘤試驗而被發現[10-11]。

1.2 原位誘導小鼠腫瘤模型

原位誘導是人為的使用幾種不同的致癌劑誘導小鼠腫瘤的發生，許多研究通過在小鼠皮膚上涂抹化學致癌劑，從而誘導相應的局部腫瘤形成。實驗室常用的誘導化合物包括甲基亞硝基脲、二乙基亞硝胺等，可誘導小鼠發生肝癌、胃癌等多種腫瘤。有研究提示，紫外線的局部應用可誘導鱗狀細胞癌，甲基膽堿(MCA)可誘導纖維肉瘤的形成。 DNA破壞劑7,12-二甲基苯丙蒽和佛波酯12-O-十四烷酰佛波醇13-乙酸酯(TPA)的組合可導致乳頭狀瘤的形成，甚至在免疫功能正常的小鼠中也能發展成鱗狀細胞癌[12]。孕激素的刺激和二羥甲基丁酸造成的DNA損傷相結合可以誘發乳腺癌[13]。此外，已開發出可重復誘導結腸癌、肺癌和肝細胞癌的小鼠模型，但是這些模型在腫瘤連續監測方面存在困難，需要進行微CT或超聲成像。與移植性的腫瘤相反，化學誘導的腫瘤形成具有遺傳多樣性，并且在發病、進展、組織學和抗原構成方面高度異質化，能較好地模擬人體內腫瘤的發生、發展、侵襲及轉移的全過程，使其更貼近自發形成的腫瘤。缺點：(1)需要相當長的時間誘發腫瘤并進行實驗，實驗周期長。(2)難以持續監測腫瘤，需要微型CT和US成像。(3)高度異質性可能會增加實際操作的困難[14-16]。該模型遺傳多樣且高度異質，為探索免疫系統對常規抗癌藥物治療提供了可能性。

1.3 基因工程小鼠腫瘤模型

自發或誘導腫瘤模型都帶有相當的隨機性、不確定性，產生的腫瘤類型、特征不能滿足具體分子機制、功能研究的需要。隨著基因工程技術的發展成熟，可對小鼠進行遺傳修飾，包括轉入新基因、刪除基因、基因替換等。基因工程小鼠模型分為兩類，一類是腫瘤相關基因方面，另一類是免疫系統相關基因方面[17]。

1.3.1腫瘤相關基因方面

研究發現，在小鼠上過表達某些致癌基因或者敲除某些抑癌基因可導致腫瘤的發生[18]。例如Trp53的缺失誘導了淋巴瘤，小鼠乳腺腫瘤病毒啟動子控制的Erbb2轉基因誘導了乳腺腺癌，由Eμ控制的v-Abl癌基因誘導了漿細胞瘤IgH基因相關的增強子，以及在Vav啟動子控制下表達的Bcl2轉基因誘導了濾泡性淋巴瘤。 這些例子說明，實體癌和血液系統腫瘤都處于免疫監視下。有研究表明，即使是完全轉化的惡性細胞也可能使抑癌基因失活，這意味著使抑癌基因重新活化可導致腫瘤消退[19-20]。 重要的是，這種影響可能需要免疫監視系統，例如肝細胞癌中p53的重新激活導致被固有免疫效應物清除的惡性細胞衰老。

1.3.2免疫系統相關基因方面

免疫功能正常的小鼠與免疫缺陷的小鼠對致癌物的敏感度不同。將致癌物作用于正常小鼠和免疫缺陷小鼠上，結果表明：在細胞免疫反應受到損害的情況下，例如在缺乏γ-干擾素(IFN-γ)受體的小鼠中，可檢測到腫瘤，且腫瘤通常會加速生長。在缺乏IFN-γ受體1亞基的小鼠中，它能感應1型干擾素或重組激活基因2，不能產生T淋巴細胞、B淋巴細胞和自然殺傷性T(iNKT)淋巴細胞[21]。對不同免疫缺陷的系統分析表明，許多參與細胞免疫應答的細胞(α/βT、γ/δT、自然殺傷細胞和iNKT細胞)、細胞因子(IFN-γ)、腫瘤壞死因子(TNF)和細胞因子受體(IFNGR1和干擾素-α/β受體亞單位1)均有助于MCA誘導的癌癥進行免疫監測。但是，葡聚糖硫酸鈉(DSS)加上偶氮甲烷(AOM)誘導的結腸癌在免疫功能正常的小鼠中比沒有T細胞或細胞毒性T細胞功能的小鼠發展得更快[22-23]，這一發現與炎癥過程對腫瘤的作用有關。 相比之下，從免疫功能正常的小鼠的基因組中去除IL-15可以加速DSS和AOM誘導的結腸癌發生[24]。以上的例子表明，基因工程小鼠模型的免疫監視和自身的免疫功能有關。

該模型的優點在于可以深入了解癌細胞與免疫系統之間的關系，適于研究特定基因和腫瘤的關系，在研究腫瘤發生、發展的遺傳原因，腫瘤免疫逃避的機理方面具有巨大的優勢。它的不足在于建模時間較長，費用較高[25]。可以把在臨床研究中發現的與腫瘤相關的突變基因通過基因工程手段的方式應用在小鼠基因組上，驗證這種突變的致癌作用，以及探尋該種基因突變驅動的腫瘤生物標志物和治療方法等。

1.4 人源化小鼠模型

人源化動物模型指攜帶有人類的某些功能性基因的動物或移植了人的細胞、組織、器官的動物，后者也稱嵌合體動物。人源化包括某些基因水平的人源化及組織細胞水平的人源化。小鼠模型在人類腫瘤的研究中發揮重要作用，但人和小鼠在遺傳、生理 、病理方面存在著巨大差異，有必要將人類的某些基因和細胞引入小鼠體內，從而實現人源化[26]。導入人源成分之后，就使某些原來只能在人體上進行的體內實驗可以在動物上進行。例如PD1和PD-L1，設計和篩選抗體藥物時都是針對人類靶點，無法用動物做臨床前體內評估實驗,所以通過基因編輯技術將人的基因替換小鼠的基因。如果保持小鼠源的胞內區，只替換蛋白質分子的細胞外區基因片段，使其表達人的抗原靶位，這樣就可以在小鼠模型上進行實驗[27]。

盡管小鼠的人源化會改變其免疫系統的正常功能，但人源化小鼠在幾種不同的情況下很重要。 首先，藥理學試劑的開發可能需要在結構或功能特性上不同于其內源小鼠等同物的人類蛋白質上進行。人源化小鼠模型尤其適用于疫苗接種：例如，將人類腫瘤細胞，人類主要組織相容性復合體，人類NK細胞抑制性受體和人類T淋巴細胞引入免疫缺陷并且已經被操縱以表達人類生長因子的小鼠上進行實驗。其次，表達人類生長因子的小鼠具有較高的人源化，也可以將人源性異種移植物移植到小鼠中研究抗癌免疫反應[28-29]。再次，人的NK細胞及對脂質抗原有反應的γ/δT細胞的某些亞群的特異性和功能與小鼠不一樣，可以將此類人類免疫細胞群移植到免疫缺陷小鼠體內，以研究其在人類腫瘤中的作用。最后，也可將外周血單核細胞和腫瘤組織(理想情況下來自同一患者)移植入嚴重免疫缺陷的小鼠體內，以測試它們產生抗腫瘤免疫反應的能力，并預測干預治療的臨床反應[30]。

2 小鼠模型的意義

小鼠模型在開發新的腫瘤治療中具有重要意義，因為它們可用于識別關鍵藥物靶標，用作臨床前藥物測試的模型，也可應用于藥物臨床前安全性評價的實驗中,為傳統的兩年期致癌實驗提供了有潛力的替代模型,也為癌癥發生機理的研究提供了有效的工具。但是任何新的免疫療法藥物都必須經過嚴格的臨床前藥物測試，以確保藥物功效。故使用小鼠模型對于進一步改善腫瘤患者的治療效果是必要的[31]。

3 展 望

免疫系統的主要功能是將人體內部環境維持在穩定狀態，消除在自然環境中表達腫瘤相關或腫瘤特異性抗原的癌細胞，它的這種生理特性從小鼠到人類都是一致的。因此，無論是移植性小鼠模型，致癌物誘導小鼠模型還是基因工程小鼠模型都可以在探索人類特異性藥理藥物，研究癌癥與免疫系統之間的關系上提供有用信息。但小鼠免疫系統和人的免疫系統存在差別，不能保證在小鼠模型內的療法在人類中顯示出相似的效果，以后是否還需要建立新型小鼠模型，或者開發新的動物模型，是今后要面臨的挑戰。