Cell丨用于转移性疾病药物发现的临床前模型
在一个生物体的生命周期内，累积的遗传物质、环境的不断变化、表观遗传学修饰可以驱动正常组织恶化为肿瘤。这些肿瘤可以被比作恶性细胞的动态生态系统—浸没在由固有和招募而来的免疫和基质细胞—存在于细胞外基质中。在我们设计器官特异性疾病临床前模型时已经考虑到设计的复杂性。此外，治疗方法不再仅仅关注肿瘤细胞中的基因驱动突变，而是关注器官微环境，特别是免疫组成成分。临床前模型的应用加上患者筛选技术的创新和量身定制治疗方法的创新促进了局部疾病患者存活率的增加。然而，晚期疾病：转移，仍然是癌症致死率高的主要原因，~90%的转移性肿瘤患者死亡的主要原因是转移。（Cell丨肿瘤转移的主要机制及治疗机会点）
疾病的进展归咎于一系列复杂的因素：
首先，肿瘤细胞的基因组和表型异质性是一个促成因素。其中，存在于原始肿瘤中的具有固有或获得性耐药性的亚克隆或细胞可以驱动持续肿瘤持续生长和传播。
第二个因素涉及远距离地点定植的时间安排，在某些情况下，限于当前影像技术，肿瘤细胞可能在原发性肿瘤的检测和手术切除/治疗前几年就已经扩散。
第三个因素是动态环境相互作用而导致的新表型的进化。简单来说，转移部位的不同肿瘤细胞表型是由于在传播、器官特异性播种（原文为：organ-specific seeding，不知道翻译是否准确）和转移性定植过程中暴露于过多的环境因素而形成的。因此，治疗方法可能表现出器官特异性反应、疗效降低或短暂反应。
所有这些特征都表明，需要在时间和空间上对转移过程进行更全面的建模，以更好地为有效的药物开发提供信息。
本文中，研究者概述了涵盖复杂度和分辨率范围的癌症研究模型（图1A）。
图1A. 不同的癌症模型具有不同的优势
本综述中介绍的不同临床前模型系统示意图。
指示了各种关键类别中的模型性能。+，低；++，中等；+++高的不适用，不适用。如果使用模型组，肿瘤遗传异质性建模的性能会提高；
在为特定任务选择最佳临床前模型时必须考虑的一些多维比较轴（例如，测试新的免疫疗法的疗效或对ECM生物力学的调节剂进行高通量筛选）；
几个选定模型在免疫、转移效率和基因组复杂性三个轴上的相对性能的可视化表示。球体的相对大小表示它们沿着转移效率轴从前（大）到后（小）的位置。当仅考虑这3个轴时，很明显，发现非免疫、选择性靶向治疗疗效的潜在预测生物标志物可能最好使用高基因组复杂性的PDX文库，以产生足够的变异，进行有意义的相关性分析。相比之下，使用转移性更强的CDX可能会更好地进行新型抗转移药物的疗效测试。通常，任何模型的选择都会涉及对研究目标不那么关键的轴的妥协。
延申科普：
CDX肿瘤模型
CDX（人源肿瘤细胞系异种移植，cell derived xenograft）模型主要是将肿瘤细胞系移植到裸鼠或者NSG小鼠体内而构建的肿瘤模型，而由于肿瘤细胞系是经过人工纯化以及多代培养的细胞系,所以其构建的CDX模型是无法保持肿瘤组织的异质性的。同时由于其经过了多次的传代(几十次传代)，所以生物学特征变化明显，从而使得其生物学特性以及药效评价结果与临床相似度极低。
PDX肿瘤模型
PDX（人源肿瘤组织来源移植瘤模型 ，patientl derived xenograft）模型是将肿瘤组织以组织的形势移植至NSG小鼠体内，从而很好的保持了肿瘤的异质性。同时PDX模型是将肿瘤组织直接移植到NSG小鼠体内，并没有经过任何人工培养，所以其生物学特性保持的更加完整，与临床相似度更高，是现阶段最优秀的肿瘤动物模型。
图2:用于建立CTC（循环肿瘤细胞）体外和体内模型的方法示意图，以及这些模型在机制研究和临床中的应用
例如，分析抗肿瘤免疫反应需要一个具有完整免疫系统的模型。因此，既往研究者的选择仅限于免疫活性的全动物模型，缺点是费用高，筛选效率低下。近年来，以肿瘤转移负荷为主要研究终点的干预性研究中，人们逐步关注到最近开发的移植模型的优势，该模型使用癌症患者的循环肿瘤细胞（CTC）。在低等生物和3D培养系统中能够有效阐述详细的分子机制和高通量药物基因筛选。表1总结了不同型号的一些主要优点和缺点。
免疫疗法：新的前沿
免疫治疗彻底改变了癌症治疗领域。目前临床使用的两类主要免疫疗法是免疫检查点阻断剂（ICB）和嵌合抗原受体（CAR）T细胞的过继免疫疗法。尽管其他方法，如使用双特异性抗体来促进免疫效应细胞和肿瘤细胞之间的相互作用，也显示出临床前景。但常用的还是ICB和CAR-T。
在ICB中，治疗性抗体用于阻断抑制性免疫检查点并恢复更有效的抗肿瘤免疫，如靶向CTLA4的抗体（例如Ipilimumab，其于2011年被FDA批准）或PD1/PDL1免疫抑制剂，除此之外，目前已经扩展到许多其他的免疫抑制性检查点。在CAR-T细胞治疗中，患者自身的T细胞被收集并工程化以表达识别肿瘤特异性抗原的CAR。第一种CAR-T细胞疗法是针对CD19靶点的（KYMRIAH，FDA于2017年批准），用于治疗大B细胞淋巴瘤和急性淋巴细胞白血病。
然而，尽管ICB和CAR-T疗法取得了一些惊人的成功，但许多患者表现出固有或获得性耐药性，副作用也有可能很严重。因此，需要开展大量工作来开发预测性生物标志物，以识别应答者，了解耐药性机制，并预测和减轻脱靶毒性。
尽管取得了一些显著的成功，但有希望的临床前线索转化为临床有效疗法的成功率仍然很低，绝大多数都在转化的“死亡谷”中消亡，研究者考虑了一些可能导致这个问题的因素（总结见表2）。
相较于人类和小鼠，斑马鱼拥有一个完整和高度保守的免疫系统。血液和淋巴管以及胸腺和心脏等器官，在斑马鱼的发育早期就得到了保护和形成。GEM和异种移植物模型也已经使用幼虫和成年斑马鱼。
图3. 斑马鱼模型概述
显示不同转基因系的显微图，使基质细胞可视化。上图：幼鱼的血管（品红色）和中性粒细胞（绿色）。下图：幼鱼的血管（红色）和淋巴管（绿色）。图片由NICHD的Dan Castranova提供。
显示斑马鱼不同异种移植物模型的显微图。上图：7天大的鱼，在2天大的时候将人类肿瘤细胞（蓝色）注射到循环中，血管显示为灰色。插图显示更高的分辨率。
下图：一条幼鱼，在4天大时注射移植了斑马鱼黑色素瘤细胞，~1个月后，在尾部可见肿瘤。
图4. 显示不同3D培养模型示意图
随着3D技术的进步，3D培养模型在临床药物研发中的应用也逐步普遍起来。
单细胞和空间基因组学以及高维成像和流式细胞术的技术进步意味着可以直接从具有密切相关生物学成分的临床研究中收集越来越丰富的信息。理想情况下，模型系统应该用来补充和增强我们从临床研究中学到的东西，相反，临床观察必须作为对模型的现实检验。但需要记住的是，所有的模型都是不完美的，但如果利用它们的特定优势，它们都是有价值的。
参考文献
Wakefield L, Agarwal S, Tanner K. Preclinical models for drug discovery for metastatic disease. Cell. 2023 Apr 13;186(8):1792-1813. doi: 10.1016/j.cell.2023.02.026. PMID: 37059072.
