您當前的位置：檢測資訊 > 行業研究
嘉峪檢測網 2025-03-02 19:36
摘要
隨著腫瘤發病率的持續上升, 腫瘤新藥的研發愈加迫切。有效的臨床前模型對腫瘤新藥的安全性和有效性評估至關重要。本文綜述了目前常用的臨床前評價模型, 包括患者來源細胞系、患者來源類器官、細胞系來源異種移植物、患者來源異種移植物、人源化免疫系統小鼠以及基因工程化小鼠。患者來源細胞系是最基礎的模型, 廣泛用于藥物篩選和機制研究; 類器官模型則通過三維結構更好地模擬腫瘤微環境; 患者來源異種移植物在個性化治療研究中發揮著重要作用; 人源化免疫系統小鼠是免疫療法研究的重要工具; 而基因工程化小鼠通過精確的基因操作, 模擬人類腫瘤的發生與發展。本文分析了這些模型的優勢與局限性, 展望了技術進步對臨床前評價模型的影響。
1.腫瘤新藥臨床前研究
新藥研發流程主要包括藥物發現、臨床前研究、臨床研究、新藥申請和批準上市5個階段。臨床前研究(Preclinical Research)也被稱為非臨床研究, 是在新藥進入臨床試驗之前所必要的一系列實驗性研究工作。這些研究主要在實驗室中完成, 通常使用細胞、動物等臨床前模型來評估新藥的安全性、有效性及藥代動力學特性。臨床前研究的主要目的是確定藥物對生物體的潛在影響, 包括毒性、劑量反應關系、藥物代謝和排泄路徑等, 為后續的人體臨床試驗提供依據和支持。臨床前研究是新藥研發過程中不可缺少的重要環節, 也是確保新藥最終進入臨床試驗的重要保障。
腫瘤新藥的臨床前研究中包括幾項重要的評估內容。(1)安全性評估。臨床前研究的首要目標即是評估新藥的安全性, 確定藥物在人體試驗中可能出現的毒性風險。通過細胞毒性實驗、動物毒理學實驗等方法識別藥物的潛在副作用和毒性閾值。只有在毒性可控、無嚴重安全隱患的情況下, 藥物才可能進入臨床階段。(2)有效性驗證。在細胞水平和動物模型上, 通過評估藥物對不同類型腫瘤細胞的增殖抑制作用、實驗動物腫瘤體積縮小以及生存期延長等指標, 可以初步確定藥物的治療潛力。此外, 藥效學研究有助于了解藥物的作用機制, 為后續的臨床試驗提供理論支持。(3)藥物的最佳劑量和給藥途徑。合理的劑量設計能夠減少人體試驗中的風險, 確保在安全劑量下實現最大的治療效果。臨床前研究通過檢測藥物在實驗動物體內的吸收速度、分布范圍、代謝途徑和排泄速率, 從而為臨床試驗確定初始劑量和給藥方式。
個性化腫瘤療法是目前較為先進的腫瘤治療理念, 臨床前研究可為個性化治療的開發提供重要支持。通過患者來源的類器官和異種移植物模型, 可以模擬腫瘤的異質性和個體差異, 預測不同患者對同一藥物的響應情況。這對于開發精準醫療方案至關重要, 有助于篩選出對特定患者群體更有效的藥物。
臨床前研究是藥物開發過程中的關鍵階段, 它在保障藥物安全性、確定藥物有效性、優化劑量及給藥方式等方面起著至關重要的作用。沒有充分的臨床前數據支持, 藥物不可能進入臨床試驗, 更不可能實現最終的腫瘤治療, 而臨床前腫瘤研究模型在其中扮演重要角色。近年來, 多種新穎的腫瘤研究模型被開發助力于腫瘤新藥研發, 如腫瘤類器官模型、人源化小鼠模型等等, 傳統的腫瘤細胞系及荷瘤小鼠模型已逐漸難以滿足個性化實驗需求, 新藥臨床前驗證或正進入新的發展階段, 亦正面臨新的考驗。
2.腫瘤新藥臨床前研究評價模型
臨床前研究是指在實驗室和動物實驗階段對新藥物進行安全性和有效性評估, 在腫瘤新藥的臨床前研究中, 選擇合適的評價模型對于評估藥物的安全性、有效性及臨床轉化潛力至關重要。當前常用的臨床前評價模型主要包括體外模型和體內模型兩大類(見圖1), 體外模型包括商品化腫瘤細胞系、患者來源細胞系(Patient-Derived Cell Lines, PDC)、患者來源類器官(Patient-Derived Organoids, PDO)等; 體內模型包括細胞系來源異種移植物(Cell line Derived Xenografts, CDX)、患者來源異種移植物(Patient-Derived Xenografts, PDX)、人源化免疫系統小鼠以及基因工程化小鼠(Genetically Engineered Mouse Models, GEMMs)等。
每種臨床前評價模型在生物學特性、操作復雜性和應用領域上各具特點。PDC作為最基礎的體外模型, 常用于大規模藥物篩選和機制研究, 而PDO憑借其三維結構, 更好地模擬腫瘤微環境, 適用于個性化藥物篩選和精準治療的研究。CDX模型則常用于體內早期藥效評價, 但其局限性在于無法完全代表原發腫瘤的復雜性。PDX模型保留了患者腫瘤的遺傳異質性和微環境, 適用于個性化治療和耐藥機制的研究。人源化免疫系統小鼠通過重建人類免疫系統, 成為了研究腫瘤免疫療法的理想工具, 尤其在免疫檢查點抑制劑等治療中具有重要應用。GEMM通過精確的基因工程手段模擬腫瘤發生過程, 適合研究腫瘤的分子機制及特定基因靶向療法。
多種模型的聯合應用, 或將有望大幅提升腫瘤新藥的臨床前評估質量, 為新藥開發提供更加可靠的依據。
2.1 患者來源細胞系(Patient-Derived Cell Lines, PDCs)
患者來源細胞系是指從患者的原發或轉移性腫瘤組織中分離并培養出的細胞, 通過特定培養方法, 在體外持續增殖形成穩定的細胞系。這些細胞系保留了親代腫瘤的部分遺傳和表型特征, 被廣泛應用于腫瘤生物學研究和藥物篩選中。相較于傳統的商業化細胞系, PDCs能夠更好地反映個體腫瘤的特異性, 尤其是在遺傳背景和腫瘤異質性方面。
患者來源細胞系被廣泛用于新藥篩選和抗腫瘤藥物的敏感性測試。通過體外實驗, 研究人員可以評估候選藥物對不同腫瘤細胞系的抑制效果, 確定藥物的半數抑制濃度(IC50)等參數。如某項針對KRAS的靶向抑制劑的研究中, 作者即運用PDCs模型進行了相關研究。作者通過將KRAS(G12D)抑制劑應用于多個患者來源的PDCs模型, 能夠真實地反映該藥物在不同個體腫瘤中的反應差異, 從而為個性化治療提供了寶貴的數據。PDCs模型不僅幫助評估了藥物的抗腫瘤效能, 還揭示了KRAS(G12D)抑制劑在不同腫瘤微環境下的作用機制, 突顯了PDCs模型在新藥篩選和個體化治療研究中的關鍵價值。PDCs亦可以用于研究腫瘤的分子機制。例如, 研究人員可以通過基因編輯或藥物處理, 研究特定基因在腫瘤發生、增殖、遷移和耐藥性中的作用。由于這些細胞系保留了腫瘤的關鍵遺傳特性, PDCs為研究腫瘤的復雜生物學過程提供了有力工具。同時, PDCs也被用于大規模基因組學和轉錄組學研究。研究人員可以通過測序技術對這些細胞系進行深入分析, 了解不同類型腫瘤的基因突變、基因表達模式和信號通路異常等信息。這為腫瘤的分子分型和靶向治療提供了重要線索。
PDCs能夠保持患者腫瘤的遺傳特性, 尤其是在研究腫瘤異質性和個體差異時, 具有較高的生物學相關性, 這也是PDCs模型的最大優點, 它目前廣泛應用于藥物篩選、機制研究和個性化治療等領域, 為新藥開發和腫瘤生物學研究提供了寶貴的實驗平臺。然而, PDCs模型的局限性也不容忽視, 值得進一步探討。其作為體外培養的細胞, 缺乏親代腫瘤微環境, 可能導致部分實驗結果與體內情況不符。同時, 經過長期傳代后, 部分患者來源細胞系可能會發生遺傳漂移, 導致與原發腫瘤的特征有所不同。最后是其培養條件的影響, PDCs對培養條件要求較高, 容易受到培養基成分、細胞密度等因素的影響。
PDCs能夠真實反映患者腫瘤的遺傳特性, 在腫瘤研究和新藥開發中具有重要價值。然而, 在腫瘤微環境和遺傳漂移方面, 仍須進一步研究和優化。隨著技術的發展, 患者來源細胞系的應用前景將更加廣闊, 尤其是在與其他模型(如類器官、異種移植模型)結合使用時, 能夠更全面地評估腫瘤新藥的效果和機制。
2.2 患者來源類器官(Patient-Derived Organoids, PDOs)
患者來源類器官模型指的是一種直接來源于患者腫瘤組織的三維培養物, 其通過三維培養技術形成, 不僅在形態上類似于親代腫瘤組織的三維結構, 還保留了親代腫瘤的基因組特征、細胞異質性以及部分功能特性。腫瘤類器官模型能夠在體外長期培養并維持親代組織的分子和遺傳特征, 使其成為腫瘤新藥篩選中的一種新型模型, 尤其在個性化醫療領域展現出巨大潛力。
談及類器官模型, HansClevers及其團隊的研究具有里程碑式的意義。他們首次在全球范圍內成功構建了腸道類器官模型, 推動了類器官技術的迅速發展。目前有兩種較為主流的類器官模型構建方案: 一種是直接組織來源的類器官, 其直接從患者的腫瘤組織中分離出細胞或直接將組織分離為小碎片, 繼而在體外三維培養條件下形成類器官; 另一種是基于成體干細胞或誘導性多能干細胞, 通過誘導其分化并在三維培養條件下生成類器官。
如上所述, PDOs的最大特點在于能夠有效保留親代組織的組織學和基因組學特征, 這樣的特點決定了其個性化診療的應用潛力。研究人員可以通過類器官模型來篩選針對個體患者的最佳藥物組合, 從而為臨床治療提供精準指導。例如, 通過在類器官中測試不同化療藥物、靶向藥物或免疫療法的療效, 可以幫助預測患者對特定治療方案的反應和敏感性。同時, 類器官保留了腫瘤的遺傳異質性和細胞結構, 已成為研究腫瘤發生、發展和轉移機制的重要工具。研究人員可以在體外利用類器官模型模擬腫瘤的生物學過程, 并探索關鍵的信號通路、基因突變及其與腫瘤進展的關系。對于多種免疫“冷”腫瘤而言, 其貧乏的免疫微環境是導致免疫治療效果不佳的主要原因。而類器官模型在一定程度上能夠模擬腫瘤微環境的關鍵特征, 包括細胞間相互作用和血管生成等, 這為探索如何改善免疫“冷”腫瘤的微環境提供了新的研究途徑和潛在價值。通過與其他細胞類型(如免疫細胞、基質細胞)的共培養等策略, 類器官模型可以用于研究腫瘤與其微環境之間的相互作用, 以期揭開更多免疫微環境的面紗, 為免疫治療策略的制定提供指導。近期, 來自賓夕法尼亞大學的Hongjun Song團隊利用患者來源的膠質母細胞瘤類器官(GBM organoids), 成功地構建了一個實時動態的模型, 以評估CAR-T細胞治療對膠質母細胞瘤的療效。通過PDOs模型, 研究人員能夠在體外實時評估CAR T細胞的治療效果, 并觀察類器官對治療的反應。這種個性化的評估方式, 不僅可以為膠質母細胞瘤的臨床治療提供更為精準的預測, 也能幫助醫生為患者量身定制最適合的治療方案。尤其是對于一些傳統治療效果不佳的腫瘤類型, PDOs為臨床免疫療法的研發提供了新的思路和支持。
同樣, PDOs模型仍有一定的局限性。雖然其能夠模擬腫瘤的三維結構, 但它們并不能完全再現瘤內的腫瘤微環境, 特別是在免疫細胞、血管網絡和基質細胞的相互作用方面仍然存在一定局限性。PDOs的成長需要精確調控的培養基和嚴格的培養條件, 培養成本較高, 更重要的是, 其培養的成功率與取得的組織樣本質量有很大關系, 這在一定程度上限制了大規模高通量藥物篩選。此外, 不同類型的腫瘤類器官可能需要特定的培養條件, 進一步增加了其應用難度。最后是一個標準化問題, 患者來源類器官常具較強異質性, 而如何標準化類器官的構建和使用仍然是一個挑戰, 不同實驗室之間的實驗條件差異可能導致結果的再現性問題。
2.3 細胞系來源異種移植物(Cell Line-Derived Xenografts, CDX)
細胞系來源異種移植物是通過將人類腫瘤細胞系移植到免疫缺陷小鼠體內而構建的腫瘤模型。這些腫瘤細胞系通常是在體外長期培養和傳代的腫瘤細胞, 通過移植到小鼠體內而在較短時間內形成實體瘤。由于小鼠免疫系統被抑制, 移植的人類腫瘤細胞能夠在小鼠體內成功生長和增殖, 最終形成可供研究的異種移植模型。
CDX是腫瘤研究中應用最為廣泛的動物模型之一, 廣泛用于抗腫瘤藥物的臨床前篩選、藥效評估和腫瘤生物學研究等。CDX操作簡便且實驗過程高度標準化的特點, 使其成為腫瘤研究中的重要工具。研究人員通過在小鼠體內建立腫瘤模型, 應用CDX模型來評估CAR-T細胞治療對不同腫瘤細胞的抗腫瘤效果。在該研究中, CDX模型用于觀察CAR-T細胞與腫瘤細胞的相互作用, 幫助揭示了Trogocytosis現象(即CAR分子轉移)如何影響CAR-T細胞的功能及其導致的腫瘤抗原逃逸。通過在CDX小鼠中模擬腫瘤微環境, 研究人員能夠更好地了解CAR-T細胞在腫瘤治療中的局限性及其逃逸機制, 從而為優化CAR-T細胞療法提供重要的實驗依據。由于小鼠體內腫瘤的生長情況較為穩定, CDX模型適用于藥物劑量優化和療效比較。CDX模型也常用于耐藥研究, 研究人員通過將ALDH1A3過表達的膠質母細胞瘤細胞系移植到小鼠體內, 建立CDX模型, 以模擬腫瘤的生長和治療反應。在該研究中, CDX模型用于評估糖代謝重編程對腫瘤細胞的影響, 特別是XRCC1乳酸化對化療耐藥性的貢獻。通過觀察小鼠體內腫瘤的生長抑制情況, 研究人員揭示了ALDH1A3過表達導致的代謝改變如何通過乳酸化修飾XRCC1, 增強膠質母細胞瘤的治療耐藥性。CDX模型在這里的應用為理解腫瘤代謝和耐藥機制提供了重要的實驗數據, 并為開發克服耐藥性的新治療策略提供了依據。這些研究為理解腫瘤如何逃避藥物治療以及開發克服耐藥性的策略提供了有力支持。
CDX模型構建流程相對簡單, 其使用經過標準化處理的腫瘤細胞系, 能夠在體外大量擴增細胞并快速形成腫瘤, 是目前基礎研究中較為常規的動物模型。同時, 由于使用的是穩定的細胞系, 實驗的可重復性較高, 且可以在不同實驗室中進行對比研究。在缺點方面, CDX模型中使用的細胞系經過長期體外培養, 可能已經失去了原始腫瘤的異質性, 因此難以完全反映患者腫瘤環境的復雜性。同時, 由于CDX模型使用免疫缺陷小鼠, 無法研究藥物對免疫系統的影響, 也無法用于免疫療法的評估。最后, 由于小鼠體內環境與人體環境存在差異, 導致腫瘤生長行為與人體腫瘤有所不同, 影響藥物的轉化應用。
2.4 患者來源異種移植物(Patient-Derived Xenografts, PDX)
患者來源異種移植物是將患者的腫瘤組織直接移植到免疫缺陷小鼠體內所形成的異種移植模型。PDX模型保留了原始腫瘤的遺傳特征、組織結構及異質性, 與傳統的細胞系來源異種移植物(CDX)不同, PDX能夠更好地反映親代患者腫瘤的生物學行為。由于能夠更接近患者體內腫瘤的真實狀態, PDX模型在個性化醫療、藥物開發、耐藥性研究和腫瘤生物學研究中具有重要價值。
Jane Visvader等曾在其綜述中探討了乳腺癌PDX模型對于親代腫瘤基因特征、異質性和腫瘤微環境特征的保留, 同時, PDX模型成功預測了藥物臨床藥效及耐藥性。在Livio Trusolino的研究中, 其團隊通過結直腸癌PDX模型發現并證明了HER2可作為西妥昔單抗耐藥的結直腸癌患者的理想治療靶點, 證明了PDX模型在藥物耐藥機制及新藥物靶點研發中的重要作用。此處值得一提的是Benjamin Drapkin團隊曾進行的一項聯合臨床試驗(co-clinicaltrials), 研究人員利用來源于患者的PDX模型與人類臨床試驗并行進行, 以評估奧拉帕利—替莫唑胺聯合療法對于復發小細胞肺癌的療效, PDX模型不僅取得了理想的預測效果, 且幫助研究人員識別了幾種潛在的、可預測療效的生物標志物。這項創新臨床試驗體現了PDX模型在癌癥精準診療中不可替代的價值。
PDX模型構建較為復雜, 成本高、周期長, 但具有獨特的優勢。其保留了患者腫瘤的遺傳特征和異質性, 能夠準確模擬臨床腫瘤的生物學行為。在個性化藥物篩選方面, PDX模型可用于評估不同靶向藥物、化療方案或聯合治療策略在患者特異性腫瘤中的療效, 為臨床醫生提供精準的治療選擇。同時, PDX模型還可用于生物標志物的發現和驗證, 研究人員可以通過該模型分析腫瘤對不同治療策略的反應, 并結合基因組和蛋白組學數據, 尋找潛在的生物標志物, 從而優化個體化治療策略, 提高患者對靶向和免疫治療的應答率。PDX模型廣泛用于藥物篩選、療效評估和新藥開發, 其與臨床腫瘤行為的相似性使得藥物開發過程更具臨床相關性。在局限性方面, PDX模型的構建較為復雜, 成本高且周期長, 這使得其在大規模篩選中不如其他模型那么高效。其次, PDX模型通常是基于免疫缺陷小鼠構建的, 這意味著它缺乏完整的免疫系統。因此, PDX模型無法有效模擬腫瘤免疫微環境的作用, 限制了其在免疫療法研究中的應用。由于免疫系統的缺失, PDX模型無法準確評估免疫檢查點抑制劑、免疫細胞治療等免疫治療方法的療效。此外, 免疫缺陷小鼠的免疫反應與人類患者的免疫反應存在差異, 這可能導致其在評估藥物免疫學效果時存在一定的局限。因此, 盡管PDX模型在藥物篩選和新藥開發中提供了重要的臨床相關性, 但在腫瘤免疫學研究方面仍然面臨著需要進一步優化和改進的挑戰。
2.5 人源化免疫系統小鼠
人源化免疫系統小鼠模型是指通過將人類的免疫細胞或免疫系統的組成部分移植到免疫缺陷小鼠體內, 重建類似于人類免疫系統的小鼠模型。這類小鼠在體內擁有部分或大部分功能性的人類免疫系統, 因此能夠模擬人類的免疫反應, 克服了傳統小鼠模型中免疫系統的物種差異問題, 為免疫治療藥物評估、腫瘤與免疫系統的相互作用研究提供了更加真實的體內環境。
構建人源化免疫系統小鼠模型的核心是將人類的免疫細胞或免疫系統器官移植到免疫缺陷小鼠體內, 人外周血單核細胞(Peripheral Blood Mononuclear Cells, PBMCs)及人類造血干細胞(Hematopoietic Stem Cells, HSCs)是目前最為常見的移植物來源。
人源化免疫系統小鼠模型在腫瘤免疫治療藥物研發領域的應用最為廣泛。由于這些小鼠具備人類免疫系統, 研究人員可以利用它們來評估免疫檢查點抑制劑、CAR-T細胞療法和其他免疫療法的療效和安全性。例如, PD-1/PD-L1免疫檢查點抑制劑在臨床應用中取得了顯著療效, 而人源化小鼠模型為該類藥物的前期篩選和療效驗證提供了重要的體內平臺。在Zhang等人的研究中, 作者利用人源化免疫系統小鼠模型探討了TIGIT免疫檢查點抑制劑對NK細胞功能的調控作用。研究發現, TIGIT的阻斷可以有效防止NK細胞的功能衰竭, 增強其抗腫瘤免疫能力, 顯著抑制腫瘤的生長。這項研究展示了人源化免疫系統小鼠在免疫檢查點抑制劑機制研究和藥效評估中的重要價值。同樣是憑借這樣的優勢, 人源化免疫系統小鼠可以用于評估新型癌癥疫苗的免疫原性及其誘導的人類抗體反應, 這對于開發抗癌疫苗以及治療性單克隆抗體具有重要應用價值。Lam等人的研究表明, 人源化免疫系統小鼠在新型免疫治療策略的評估中具有不可替代的作用。他們通過擴大組織特異性cDC1樹突狀細胞, 顯著增強了化療與免疫治療的聯合作用。研究結果顯示, 這種方法能夠提高免疫治療的有效性, 揭示了人源化小鼠模型在評估復雜免疫治療組合策略中的應用潛力。由于這些小鼠擁有功能性的人類免疫系統, 它們能夠模擬疫苗如何在人體中誘導免疫反應, 并產生保護性抗體。
人源化免疫系統小鼠模型為免疫系統和免疫療法研究提供了一個高度相關的體內平臺, 但是, 此模型仍有一些局限性, 其構建流程較為復雜, 涉及干細胞的分離、移植和免疫系統的重建, 并且對實驗設備和技術要求較高, 構建成本也較為昂貴。其次, 盡管人源化小鼠具有部分人類免疫功能, 但其免疫系統仍不如人體中的復雜完整。例如, 特定免疫細胞的發育和功能可能受到小鼠宿主環境的限制, 致使研究成果出現偏差。
2.6 基因工程化小鼠(Genetically Engineered Mouse Models, GEMMs)
基因工程化小鼠(Genetically Engineered Mouse Models, GEMMs)是通過多種基因編輯技術對小鼠基因組進行精確修飾和操控, 以研究特定基因功能或模擬人類疾病的動物模型。這些模型可以通過引入、刪除、突變或調控小鼠體內的基因, 來研究這些基因在生物學過程或疾病中的作用。
基因工程化小鼠模型的構建是一個復雜且漫長的過程, 其核心在于基因編輯技術。目前有三種用于腫瘤研究的主流模型, 包括轉基因鼠、基因敲除鼠及條件基因敲除鼠, 其構建模式各有不同。轉基因鼠是通過向小鼠基因組中隨機插入外源基因(即轉基因), 使小鼠表達特定的外源基因或蛋白質, 其需要一個包含啟動子的載體實現, 如CMV啟動子, 以實現目的基因表達; 基因敲除鼠是通過去除或使特定基因失活, 以研究該基因的功能及其在疾病中的作用, CRISPR-Cas9是目前最常用的基因編輯技術; 而條件基因敲除鼠允許研究人員在特定的時間點或特定組織中敲除目標基因, 目前主要通過引入Cre-LoxP系統, 實現目標基因的特定位點特異性敲除, 其避免全身性基因敲除對小鼠生存或發育造成的致命影響。
基因工程化小鼠模型為研究腫瘤耐藥性機制提供了理想的平臺。通過在小鼠中引入與腫瘤耐藥性相關的基因突變, 研究人員可以研究腫瘤如何逃避藥物治療, 并測試克服耐藥性的策略。EGFR基因突變存在于我國大部分肺癌患者中, 為克服耐藥問題, 針對EGFR突變的藥物目前已研發至第三代，以奧西替尼(AZD9291)為代表。然而不幸的是, 奧西替尼也正在出現耐藥反應。而基因工程化小鼠模型在耐藥機制的研究方面體現出其獨到價值。來自耶魯大學的Katerina等人通過CRISPR-Cas9基因編輯技術在小鼠體內揭示了可能與奧西替尼耐藥相關的腫瘤抑制基因, 具有較重要的臨床意義。研究發現, TP53、RB1和LKB1等腫瘤抑制基因的突變或喪失與腫瘤細胞對奧西替尼的耐藥性密切相關。具體來說, TP53的功能喪失促進了腫瘤細胞的增殖和生長, 加速了耐藥的發生; RB1的缺失則通過失控的細胞周期驅動腫瘤進展; 而LKB1基因的突變則改變了細胞代謝, 進一步促使耐藥性的發展。這些發現不僅加深了我們對奧西替尼耐藥機制的理解, 也為未來臨床中克服耐藥性提供了新的理論依據和治療方向。在多種癌癥研究中, 通過引入與轉移和耐藥性相關的基因(如MET擴增、KRAS突變), 基因工程化小鼠能夠幫助研究腫瘤從初始耐藥向獲得性耐藥的轉變過程, 并測試新型藥物或藥物組合對克服耐藥性的有效性。
同時, 基因工程化小鼠模型還常用于驗證潛在靶點的有效性。在新藥研發中, 選擇正確的靶點對于藥物的成功至關重要, 而基因工程化小鼠的靶點常作為更高級別的實驗證據。通過在小鼠中敲除或過表達特定靶點, 研究人員可以評估該靶點對腫瘤的影響, 從而為藥物靶點的開發提供科學依據。
以CRISPR-Cas9為代表的基因編輯技術持續推動著基因工程化小鼠模型的發展, 較前述模型而言, 基因工程化小鼠模型對于靶點及靶向藥物的研發更具價值, 但是其技術更為復雜, 價格昂貴且建模周期更長, 在一定程度上也會影響臨床轉化效率。
3.腫瘤新藥研發技術瓶頸及展望
據統計, 2020年, 我國癌癥新增病例數已達457萬例(占全球總數的23.7%), 癌癥死亡病例數達300萬例(占全球總數的30%), 疾病負擔極為嚴峻。2016年, 國務院印發實施《“健康中國2030”規劃綱要》, 將總體癌癥5年生存率提高15%作為戰略目標, 充分體現了國家對腫瘤防治領域的關注。近10年來, 我國持續推進藥物研發市場的改革, 鼓勵創新藥物研發, 癌癥藥物研發市場自然是重中之重。我國的創新藥物(Investigational New Drug, IND)申報數量屢創新高, 而獲批的新藥數量卻相對較少。以我國的腫瘤新藥研發現狀為例, 目前新藥研發面臨著諸多重要的技術瓶頸。
在腫瘤新藥研發中, 腫瘤特異性靶點識別是首要瓶頸之一。目前癌癥新藥開發仍然以CD19、PD-1、EGFR等靶點為主, 創新性靶點的發現是新藥研發的理論基礎。高通量基因組學、蛋白質組學和代謝組學等新穎技術的應用, 通過識別腫瘤的突變和異常分子, 可以幫助發現治療的靶點。系統生物學和人工智能技術通過網絡生物學方法對潛在靶點進行功能預測, 并通過CRISPR/Cas9工具對其進行驗證。這樣的方法有助于從眾多基因和蛋白中篩選出具有治療潛力的靶點, 提供基礎來開發新的治療藥物。
藥物療效、毒性及耐藥性的準確預測是新藥研發中的關鍵環節, 而這需要更精準的臨床前模型提供高質量證據。通過結合多組學分析技術, 可以更高效地預測藥物的代謝路徑及潛在毒性反應。藥物代謝動力學模型、毒性評價方法及耐藥性研究與臨床數據和高通量篩選數據的結合, 有助于精確預測藥物在人體內發揮作用的機制及可能的毒副作用。通過體外細胞模型、類器官和動物模型進行早期毒性和耐藥性評估, 能夠為臨床試驗的順利進展提供可靠保障。
個性化治療方案的制定是癌癥精準治療的核心目標。基于腫瘤的基因組特征和個體生物標志物, 制定個性化的治療策略, 可以幫助選擇潛在的、合適的治療藥物并優化治療方案。類器官模型可以為個體患者提供精準的藥物篩選, 結合臨床數據, 構建個性化治療決策支持系統, 進一步提高治療的有效性和安全性。
最后, 降低研發成本并提高轉化效率是腫瘤新藥研發中重要的組成部分。利用替代模型, 如計算機模擬和外部模型(如類器官、動物模型), 可以在早期預測藥物的成功率, 減少臨床前試驗失敗帶來的成本浪費。同時, 創新藥物研發流程, 利用新的診斷工具和技術手段縮短研發周期。在創新藥物的開發中, 積極推進基礎研究與臨床研究的結合, 促進科研成果的臨床轉化, 并通過爭取政府資金和政策支持, 進一步優化資源配置和提升轉化率。
筆者認為, 機制創新一定是推動新藥研發的重要基礎。通過不斷探索新的靶點和治療機制, 創新技術手段如基因編輯、蛋白組學和AI人工智能算法的應用, 有助于加速腫瘤生物學機制的解碼, 從而開發出更具針對性的創新藥物。以臨床價值為導向, 意味著藥物的開發必須以患者為中心, 確保新藥不僅在實驗室有效, 還能切實解決臨床需求。通過個性化治療方案的開發, 能夠根據患者的不同生物標志物特征, 提供最優的治療選擇。以循證醫學作為路徑, 通過嚴謹的臨床試驗設計和科學驗證, 確保每一項新藥都經過全面的療效和安全性評估。多中心、大樣本的臨床數據能夠為臨床應用提供強有力的高級別循證醫學證據支持。最后, 以質量管理為保障, 確保從藥物研發到生產的每一個環節都符合國際標準, 保障藥物質量的穩定性和可靠性, 最大程度上保障患者用藥安全。這四個環節相輔相成, 或可共同提升新藥開發的效率和成功率, 并促進腫瘤治療的精準化和個性化。
4.討論
臨床前研究模型在腫瘤新藥研發中起著至關重要的作用, 涵蓋從藥物篩選、機制探索、療效預測到安全性評估的各個階段, 是從實驗室發現到臨床轉化的關鍵研究環節。最后, 筆者將以上所述的幾種模型進行綜合比較(表1)。
PDC廣泛應用于藥物早期開發階段, 然而, 其缺乏腫瘤微環境的復雜性, 尤其是在免疫療法研究中存在局限。同時, 經過長期傳代, PDC可能經歷遺傳漂移, 使得其遺傳特性與原始腫瘤存在差異, 降低了其臨床轉化的相關性。相比之下, PDO較好地保留了患者腫瘤的遺傳特性和細胞異質性, 適用于個性化藥物篩選和機制研究。然而, PDO的培養成本高, 操作復雜, 且尚未完全重現體內微環境中的關鍵因素(如免疫細胞、血管網絡等), 這限制了其在大規模藥物篩選中的應用。PDO的標準化問題也在不同實驗室間存在較大差異, 增加了跨研究結果的可重復性問題。
另一方面, CDX提供了一個評估藥物體內療效的簡單模型, 是早期藥效驗證的常用工具。然而, CDX模型使用的細胞系經過長期傳代, 遺傳和表型特性已與原始腫瘤存在顯著差異, 缺乏腫瘤異質性和原發腫瘤的復雜性。此外, 由于使用免疫缺陷小鼠, CDX模型無法模擬腫瘤與免疫系統的相互作用, 限制了其在免疫療法研究中的應用。相比之下, PDX能較好地模擬個體化腫瘤的生物學行為, 廣泛用于新藥開發中的耐藥機制研究和個性化藥物篩選。然而, PDX模型構建復雜、成本昂貴且時間較長, 難以應用于高通量藥物篩選。此外, 由于同樣使用免疫缺陷小鼠, PDX無法模擬免疫系統與腫瘤的相互作用, 無法用于評估免疫療法的效果。
為克服傳統小鼠模型在免疫研究中的局限, 人源化免疫系統小鼠通過移植人類造血干細胞或免疫細胞, 于小鼠體內重建部分人類免疫系統, 為研究腫瘤免疫治療(如免疫檢查點抑制劑、CAR-T細胞療法)提供了重要平臺。人源化免疫系統小鼠能夠在體內模擬人類免疫系統與腫瘤的相互作用, 有助于研究免疫療法的作用機制和療效。然而, 人源化免疫系統小鼠的免疫重建不完全, 且小鼠與人類之間在免疫反應和生理條件上存在差異, 這可能導致某些研究結果難以完全轉化至臨床。與此同時, 這種模型的構建和維護成本較高, 操作復雜, 限制了其在大規模篩選中的應用。基因工程化小鼠(GEMMs)則通過精確操控特定基因, 能夠模擬腫瘤發生的自然過程, 適合研究特定致癌基因或腫瘤抑制基因的功能。GEMMs在靶向藥物開發、基因功能驗證及早期腫瘤發生機制研究中具有重要應用價值, 但其構建過程復雜、周期長, 且由于小鼠和人類在生物學上的差異, 限制了其在臨床相關性研究中的應用。此外, 基因敲除可能引發全身性表型異常, 使得研究特定組織的腫瘤機制更具挑戰性。
綜上所述, 腫瘤新藥研發需要結合不同的模型, 以克服單一模型的局限性。PDC和PDO模型適用于早期篩選, PDX和GEMMs則更適用于臨床前研究和靶點驗證, 而人源化免疫系統小鼠為免疫療法提供了獨特的研究平臺。目前看來, 單一模型無法全面反映腫瘤的復雜性, 未來的新藥研發將更加依賴PDC、PDO、PDX、人源化小鼠模型及GEMMs等多模型的協同使用, 通過整合不同模型的優勢, 提高藥物篩選和療效評估的準確性; 未來, 多模型的結合對于一個高質量的臨床前研究而言是必不可少的。其次, 大數據和人工智能(AI)技術的融合將為臨床前研究帶來革命性變化。基于多組學數據(基因組學、轉錄組學、蛋白質組學等)的整合分析, 可以更全面地揭示腫瘤的分子機制。AI技術, 尤其是機器學習和深度學習算法, 能夠對復雜的生物醫學數據進行高效分析, 預測藥物敏感性、耐藥機制和潛在的靶點, 從而加速新藥研發進程。隨著技術的不斷進步, 腫瘤新藥研發模型必將朝著更加個性化、精確化、動態化和高效化的方向發展。筆者相信, 通過整合多組學數據、引入人源化技術、動態模擬腫瘤微環境以及利用自動化和大數據分析技術, 未來的模型將能夠更好地反映腫瘤的復雜性, 以大幅提高新藥開發的效率和臨床轉化的成功率。
來源：《中國科學基金》
