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臨床前腫瘤免疫模型初級班

2017-05-25

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近期在腫瘤研究中免疫檢查點抑制劑的突破性發現,展現了免疫系統在癌症治療中的重要性,以及免疫療法成為治療癌症的關鍵新方法。

不過呢,還是有很多關於免疫療法的問題還沒被解答,例如:

  • 為什麼只有一部分的患者才會對這些抑制劑有強烈的反應
  • 該如何辨別患者是否會受益於免疫療法
  • 要如何加強病人的反應

很幸運的,現在有很多種的臨床前腫瘤免疫模型能夠協助這些研究並回答問題。這些模型主要的特徵是需要某些功能性的免疫系統 (反之免疫缺陷鼠則通常是用來當作臨床前實驗的抗癌劑) 。

有著廣大的腫瘤免疫模型庫,選擇適合的模型於您的研究則變成了一個難題。我們審核了一些主要的模型類型,並討論其潛在的應用與限制,來幫助您做決定。

同源腫瘤模型

在同源腫瘤模型裡,近交系鼠源腫瘤細胞系會被轉殖到擁有同品系鼠種身上。這些臨床前鼠源腫瘤模型的主要優勢是擁有完整的免疫系統,同時可以輕易地培養腫瘤細胞系,進而提供一個最直接且容易使用的模型。

皮下與原位鼠源腫瘤模型

“皮下接種”對於評估潛在免疫治療化合物有很大的幫助,同時也可以使用原位模型來更準確的預測臨床及藥效實驗數據。轉移性原位同源腫瘤模型包含了生物發光模型,目前已經進入腫瘤轉移研究、腫瘤轉移病灶、以及靶向這類轉移性腫瘤的藥效評估。

同源老鼠模型的限制

同源腫瘤模型在使用上還是有些侷限,由於在同源腫瘤裡細胞系數量有限,因此在腫瘤類型的選擇上則會有所限制,同時也有因為特定物種才有的功能而造成人類與鼠類的免疫系統之間的差異。另一方面,當雙方的腫瘤和免疫細胞皆來自於同源鼠類,有些藥物會沒有辦法辨認出老鼠對應的人類基因(所以由老鼠代孕出的抗體則需要經過測試),甚至有些目標物會沒辦法顯示任何表達。

基因改造老鼠模型(Genetically Engineered Mouse Models, GEMM)

在基因改造老鼠裡,基因若被推測有惡性轉化的可能,則會被刪除、變異、過度表現而在成自發性腫瘤持續成長。這些模型能夠提供更符合腫瘤生長的微環境來重現腫瘤形成的過程,並且能夠使腫瘤生長到特定和適當的階段。然而最重要的是,它們都生長在一個適合腫瘤生長的環境當中,幫助研究員進一步研究腫瘤免疫。

基因改造老鼠模型(GEMM)的限制

即使基因改造老鼠模型在腫瘤免疫研究上大有幫助,但是癌症基因改造老鼠模型通常會在個別老鼠腫瘤傳代的變化上有延遲的問題,因此在持續研究上造成一些困難。為了解決這個問題,癌症基因改造老鼠的腫瘤可以被培養和注入到同系列的近交系老鼠身上(類似同基因模型),這將可以提供研究員們一個更穩定成長特性的臨床前研究環境。

基因改造老鼠模型的另一項缺點則是變異負荷力不足,因為這些腫瘤只有少數變異的癌基因轉移過來的。

擁有人類免疫系統的老鼠

為了要克服同物種基因特異性問題,一種基因改造老鼠模型新的使用方法出現了—那就是將牠們人源化。這些模型都是為了對應特定的人類藥物而改造過的,像是基因改造過的老鼠將會替代鼠原標靶蛋白如PD-1與人類之間的對應。

這樣一來,將可以測試人類獨有的藥劑和抗體,因為這可以提供在老鼠免疫系統裡一個特定的人源蛋白崁合系統。另一種克服同種和基因改造老鼠限制的方法則是直接使用人源化老鼠。

如何在外周血單個核細胞還是造血幹細胞中做選擇?

在人源化動物模型中注入外周血單個核細胞(PBMC)或造血幹細胞(HSC)到免疫缺陷老鼠中是我們最常見的兩種方式。

人類外周血單個核細胞

外周血單個核細胞的植入可以幫助短期的研究,並提供短暫和重建人類部分的免疫功能。但是,這些模型還是能夠提供重要的人類免疫腫瘤和治療功效所需要的資訊,其中又以T細胞功能(雙特異性T細胞銜接器、免疫檢查點抑制劑/激動劑、嵌合抗原受體T細胞)與自然殺手細胞(抗體依賴的細胞介導的細胞毒性作用、自然殺手細胞調節劑)為主。

不過,這類的模型主要的缺陷是人類異種移殖和宿主疾病的對立(移植物對抗宿主疾病),而且通常會在植入人類外周血單個核細胞之後幾周內發生。移植物對抗宿主疾病發生的原因則是因為主要的組織相容性複合體與人類T細胞和老鼠細胞之間結合發生錯誤。

造血幹細胞之移植

另一方面,使用人類造血幹細胞則可以提供一個較長期的且穩定的人類免疫系統模型。人源性老鼠是由人類造血細胞(從臍帶血幹細胞) 和免疫缺陷鼠接種來生產的 (例如:NOG和NSG) 。而免疫療法會針對骨髓系統裡免疫細胞,基因移植免疫缺陷鼠則是對於巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)和白血球介素3(IL-3)的表達較適合的模型。

這些模型可以提供標靶物功能的資訊,也能讓研究員知道人類免疫系統的反應如何影響腫瘤成長。它們還可以用來測試不同的治療方案,其中包括抗體如何克服特定的腫瘤抗原和檢查點抑制劑,或是如何製作人類自然殺手細胞調節劑,包含了抗體依賴的細胞介導的細胞毒性作用(ADCC)。

希望這篇教學指南有提供您足夠的鼠源與人類腫瘤免疫模型介紹,幫助您選擇適當的模型用於您的研究。