6类肿瘤异质性研究模型

1. 小鼠模型

GEMM

癌症研究最常用的动物模型是基因工程小鼠（Genetically Engineered Mouse Models，GEMM）。GEMM 是免疫活性强的转基因小鼠，可自发发生恶性肿瘤 。GEMM 允许基本发现肿瘤发展是由抑癌基因的基因缺失和/或癌基因过表达驱动的 。

EMBO Mol Med 2017

该领域在过去20 年中广泛依赖Cre/Lox模型，CRISPR/Cas9技术进一步推动了人类癌症小鼠模型开发。

研究小鼠模型异质性的一个很好的策略是谱系追踪（），允许通过克隆分析来定义肿瘤生长模式。

GEMM 的内在问题：

• 突变发生在种系基因中，则活力降低

• 多个肿瘤同时发展的情况下过早死亡

• 突变外显率不完全而导致不同小鼠的肿瘤不同步发展

PDX

患者来源的异种移植（ patient derived xenograft，PDX）模型可以解决部分上述问题。将人肿瘤细胞移植到免疫缺陷小鼠中以获得 PDX，从而保持原发肿瘤的异质性。使用PDX的一个优点是，侵袭性肿瘤（如结直肠癌和胃癌）有更多机会植入宿主，使PDX成为研究侵袭性肿瘤病理学的极其宝贵的资源。但是拷贝数变异、选择便向、克隆进化等也会造成异质性丢失。

Cancers 2023

小鼠和人类之间的生物学差异是将许多科学发现向临床转化的限制因素，尤其小鼠免疫系统与人类免疫系统存在很大差异（例如： ），因此已经产生了新的人源化小鼠模型，作为补充。

2. 类器官

类器官是体外干细胞培养出的微观自我组装的三维结构。 生物材料，如原代组织（单细胞或组织块）、干细胞（如成体干细胞 （ASC）、诱导多能干细胞 （iPSC） 和胚胎干细胞 （ESC），可用作类器官生产的起始材料。细胞嵌入类似于组织支架的细胞外基质结构中，最终形成一个异型三维结构，复制了起源组织的多谱系组成及其分子、代谢和空间异质性。

Science 2019

通过使用干细胞的器官发生可以推导出谱系异质性 。类器官还应用于各种癌症研究，例如乳腺癌 、肝癌 、胃癌 、结直肠癌 、前列腺癌 、 和胰腺癌等，进行药物筛选，临床治疗方案推荐等。

免疫异质性

在体外培养的类器官，通常只包含肿瘤上皮细胞，需要人工重建肿瘤微环境（TME）。斯坦福大学建立了一种气液界面（air-liquid interface，ALI）将来自100人活检或小鼠肿瘤模型肿瘤作为肿瘤上皮，并天然嵌入免疫细胞（T、B、NK、巨噬细胞）重建肿瘤微环境，并进行免疫治疗药物处理，为个性化免疫治疗提供依据。

Cell 2018

代谢异质性会影响药物反应以及致癌作用。已经开发了几种用于类器官实时和空间分辨代谢分析方法，例如细胞外通量分析（Seahorse XF 分析仪）在微孔板中同时实时测量活细胞、球状体和类器官的耗氧率 （OCR） 和细胞外酸化率 （ECAR）,代谢流式细胞术分析（SCENITH )通过蛋白质合成监测代谢。

Cell Metab (2020)

3. 微流控模型/器官芯片

基质区室在细胞空间分布、生长、侵袭性和药物敏感性中起着至关重要的作用 。 上述模型中，这些环境背景被忽略了，但区室既有助于肿瘤异质性的发展，也可能受其影响。

生物打印模型将类器官与生物打印技术相结合，可能是一种很有前途的策略，可以模拟癌症异质性的遗传、组织学和功能信息，并将其用于个性化治疗。将细胞外基质 （ECM） 引入系统并控制其机械特性（例如，基质刚度、结构、密度、蛋白质交联和纤维网络配置）模拟细胞生长、细胞增殖和分化，再现癌症异质性发展的周围生理环境。

生物打印模型仍然遗漏的一个关键因素是脉管系统，它可能显着影响肿瘤细胞分化并与之相互作用。为了克服这一局限性，Magdeldin 等人开发了仿生肿瘤样体，该类肿瘤重现了对营养物质和氧气的空间不同暴露，从而可以测试诱导的癌细胞异质性如何影响血管网络的形成和癌症侵袭能力。

生物打印微流控肿瘤3D模型Biosensors 2022

芯片模型代表了一个有前途的未来发展，它允许复杂和动态的培养系统模仿肿瘤微环境的异质性。事实上，这些模型可能包括 3D 结构，例如微血管系统以及化学或物理刺激。

肿瘤异质性的另一个方面表现为肿瘤周围环境，包括细胞-细胞和细胞-基质相互作用及其在肿瘤命运中的作用。 最合适是以微流体模型（如上图），该装置在基质组成和刚度方面重建了受控的 3D 结构，包括患者衍生材料和化学和物理刺激的添加、成纤维细胞 和间充质细胞等基质细胞，以及血管隔室。通过微流控模型，可以重现免疫细胞的募集 及其能够发展促肿瘤和抗肿瘤表型的异质行为 。

4. 酵母

酿酒酵母是一种真核单细胞生物，长期以来一直被成功用作人类生物学的模式生物 ，可以在液体和固体培养基中生长，使用不同的糖来支持其生长。大约一半的酵母基因在连续、营养有限的条件下生长时表现出周期性表达模式。细胞周期阶段显著加剧了细胞群中存在的自然变异性 。 酵母群体内可以建立和维持代谢异质性，可用于肿瘤代谢异质性研究及药物筛选 。

5. 斑马鱼

斑马鱼和人类共享70% 的蛋白质编码基因 ，它们的癌症在遗传和组织学上相似 。

在异质性研究领域，斑马鱼的透明特性易与肿瘤标记和新的成像技术相结合。将肿瘤细胞肿瘤移植到斑马鱼体内，建立zPDX模型，并研究了响应药物递送的克隆进化，同时使用数千条鱼，产生了大量数据 。

Nat Rev Cancer. 2020

6. 果蝇

黑腹果蝇基因组的60% 与人类同源，其中 90% 的基因参与人类癌症发展。

再加上快速的生成时间和低维护成本，是良好的癌症研究的模式生物。

果蝇基因镶嵌技术（mosaic technique）为肿瘤的异质性提供了一个良好模型，可以在上皮细胞内诱导具有不同癌基因突变产生多个细胞群。研究表明，Ras激活（RasV12）克隆和scrib突变克隆的异质性导致RasV12克隆发展为转移性肿瘤。在这个过程中，scrib克隆将JNK信号通路传播到周围的RasV12细胞，导致这些邻近细胞分泌Upd，并通过激活JAK-STAT信号通路诱导转移行为。

参考资料

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