大分子实验素养Evidence before verdict
WEEK 17动物模型与转化

小鼠肿瘤模型选择

从研究问题出发，匹配 tumor、host immunity、target、CD3/Fc 和 cytokine biology。

模型不是越复杂越好；最有价值的模型是用最少额外假设回答当前关键问题。

Decision到Tumor source到Host immunity到Species match到Exposure到Model choice的概念证据链
本周概念图：从输入、实验到可解释结论。箭头表示审查顺序，不代表单向因果。
Data clinic

人 TCE 的四种模型选择

CASE 17

先回答：临床分子不结合 mouse CD3/target。普通 syngeneic、PBMC-humanized CDX、double knock-in、NHP 各回答什么？

模型对关键组件覆盖（教学评分）教学数据图
教学合成数据可视化。读图时先确认单位、坐标、对照和统计层级。
模型两臂药理免疫环境主要用途
Syngeneic不成立完整小鼠临床分子不适用
PBMC-humanized CDX成立部分人源早期人 T-cell 药效
Double KI需验证完整小鼠更系统机制
NHP交叉相关物种PK/安全药理部分问题
  1. 模型评分不做简单总分；先检查两臂是否作用，再看免疫环境、暴露和决策。
计算结果早期机制可选 PBMC-humanized CDX；系统免疫问题可用经验证 knock-in；NHP 不是肿瘤 efficacy 替代。
项目解读采用主模型 + 改变关键假设的第二模型，而不是寻找万能模型。
证据边界humanized 不等于完整人免疫系统；surrogate 和 knock-in 都引入新的定量假设。

第 17 周学习包：小鼠肿瘤模型选择

本周核心问题

不是“哪个模型最接近人”，而是“哪个模型用最少的额外假设回答当前最关键的项目问题”？

一、学习目标

完成本周后，应能够：

  1. 比较 CDX、PDX、syngeneic、humanized、GEMM 与 knock-in 模型；
  2. 区分皮下、原位、转移和系统性肿瘤模型；
  3. 将肿瘤来源、宿主免疫、靶点物种和药物交叉性放在同一矩阵；
  4. 判断模型适合回答 efficacy、mechanism、PK/PD、biodistribution 还是 safety；
  5. 为 TCE/双抗核对 human CD3、tumor target、Fc 和 cytokine biology；
  6. 识别 PDX 的异质性优势、鼠基质替代和免疫缺陷限制；
  7. 解释 surrogate molecule 与 human-target knock-in 的额外假设；
  8. 写出模型选择 rationale 和不可外推结论。

二、重要边界

本周用于方案理解和科学评审。任何动物研究必须在获批伦理方案、机构 SOP 和受训人员体系下实施。本教程不提供动物操作步骤。

三、学习时间安排

标准版：4 小时

学习块 时间 任务 产出
诊断 15 min 10 题 盲点清单
模型类型 75 min 六类模型比较 选择矩阵
移植位置/宿主 45 min 皮下、原位、免疫背景 限制表
TCE 适配 55 min 四方交叉性核对 compatibility map
案例与验收 50 min 选模型并辩护 rationale

深入版：6 小时

  • 阅读 NCI PDMR 模型与 SOP 概览 45 分钟；
  • 阅读 NCI PDXNet consensus 的实验设计部分 45 分钟；
  • 为一个真实项目比较两个可选模型的证据和成本/周期 45 分钟；
  • 与 in vivo/免疫药理同事完成 45 分钟 model-selection review。

四、课前诊断

  1. PDX 是否完整保留患者肿瘤微环境？
  2. Syngeneic 模型的肿瘤和免疫系统分别来自什么物种？
  3. Humanized mouse 是否等于完整人免疫系统？
  4. CDX 的重复性好是否代表转化性一定好？
  5. 皮下瘤和原位瘤的主要权衡是什么？
  6. 人 TCE 可直接在普通免疫完整小鼠中评价吗？
  7. Surrogate molecule 的结果能否视为临床候选本身结果？
  8. Knock-in 了 human target 是否解决所有物种问题？
  9. 一个模型能否同时证明 efficacy 和 safety window？
  10. 为什么至少要明确模型回答的是机制还是决策？

五、六类模型

5.1 CDX：cell line-derived xenograft

人源肿瘤细胞系
→ 植入免疫缺陷鼠
→ 形成可重复肿瘤

优势：速度较快、细胞和靶点可控、模型历史数据多、适合早期相对药效和 dose/exposure 探索。

局限：长期体外适应、克隆性较高、患者异质性不足；宿主缺乏完整免疫系统；常见皮下环境不代表原发器官。

对 TCE，若额外加入 human PBMC/T cell，系统成为人为重建的短期模型，需关注 donor、GVHD 窗口、T-cell trafficking 和模型持续时间。

5.2 PDX：patient-derived xenograft

患者肿瘤组织直接或低代植入免疫缺陷鼠。NCI PDMR 强调早代、分子表征和临床注释。

优势：保留更多肿瘤异质性、组织学和患者相关分子特征；可用于跨模型 response heterogeneity。

局限：建立/扩增慢、成本高、取样偏倚；人源基质逐渐被鼠基质替代；宿主免疫缺陷；不同 passage/lineage 会演化；engraftment 本身可能选择某些肿瘤。

报告必须包含 model ID、passage、分子/组织学身份、宿主、移植位置和历史生长特征。

5.3 Syngeneic

小鼠来源肿瘤植入遗传背景相容的免疫完整小鼠。

优势：完整鼠免疫系统、速度和成本较可控，适合探索免疫网络和组合机制。

局限：肿瘤靶点、CD3、Fc receptors 和 cytokines 都是小鼠版本；人候选常不交叉，需要 mouse surrogate；肿瘤生物学未必代表人疾病。

5.4 Humanized mouse

在免疫缺陷鼠中重建部分人源免疫系统，常见 PBMC-humanized 或 HSC-humanized 等路线。

优势：可研究部分人免疫药物作用和 human effector–tumor interaction。

局限：重建程度和亚群不完整、donor 间差异、细胞发育环境非完全人源；PBMC 模型可有 GVHD 时间窗；髓系、补体、淋巴结构和 cytokine cross-talk 常不完整；成本和周期高。

“humanized” 必须写清 humanized 的具体是什么。

5.5 GEMM

Genetically engineered mouse model 通过特定遗传改变在原位形成肿瘤。

优势：肿瘤在免疫完整宿主和原位微环境中发生，可研究肿瘤发生、进展与免疫共演化。

局限：周期长、变异和监测复杂；驱动事件常较简化；临床候选物种交叉性仍需解决；肿瘤同步性和通量较低。

5.6 Human-target knock-in/transgenic

将人靶点或人受体引入小鼠，使临床候选能够结合。

仍需核对：

  • 表达组织、细胞类型和水平是否接近人；
  • 启动子与调控是否保留；
  • mouse ligand/partner 是否兼容；
  • target turnover/internalization；
  • Fc/cytokine/免疫网络仍可能是小鼠；
  • knock-in 本身是否改变生理。

六、移植位置与疾病形态

形态 优势 局限
Subcutaneous 易测量、操作和监测，历史数据多 微环境/血供/转移与原发器官不同
Orthotopic 原位微环境和转移模式更相关 监测复杂、变异更大，常需影像
Metastatic/experimental metastasis 研究播散和器官定植 注射建立不等于完整自然转移过程
Disseminated/hematologic 适合血液肿瘤和全身负荷 endpoint、组织分布和采样不同

模型复杂度提高会增加生物相关性，也会增加变量、成本和失败模式。必须明确新增复杂度是否直接回答当前决策。

七、模型兼容性矩阵

为每个项目填写：

组件 模型中是什么 临床候选是否作用 与人差异 如何验证
Tumor target human/mouse/engineered binding/density
CD3/immune receptor human/mouse cell binding/function
Effector cells mouse/human donor subset/activation
FcRn mouse/humanized binding/PK
FcγR/C1q mouse/human effector assay
Cytokine network mouse/human/mixed assay/cross-reactivity
Stroma/endothelium mouse/human mixed histology/distribution

只要关键链条中有一项“不作用”，模型就不能直接回答完整机制。

八、TCE/双抗模型的特殊审查

8.1 四方系统

Clinical molecule
× tumor target
× human/mouse CD3 and T cells
× host tissue/Fc/cytokine context

必须问：

  • 两臂在该物种/细胞上均有结合和功能吗？
  • tumor target density 是否定量、是否随 passage 变化？
  • T cell 来自哪位 donor，何时注入，E:T 在肿瘤中是多少？
  • Fc 是 active 还是 silent，在该宿主中如何作用？
  • 模型是否有足够长的时间观察肿瘤控制而未被 GVHD 主导？
  • cytokine 读数是人源、鼠源还是两者，检测是否区分？
  • exposure 是否覆盖体外功能范围，是否有 target sink？

九、模型选择决策树

问题是纯肿瘤细胞内在药效？
├─ 是 → CDX/PDX/原位，按异质性与速度选
└─ 否，依赖免疫机制
   ├─ 临床候选作用于 mouse 组件？
   │  ├─ 是 → syngeneic/GEMM/knock-in 可考虑
   │  └─ 否 → humanized 或 surrogate
   └─ 需要患者异质性？
      ├─ 是 → humanized PDX/患者来源体系，但变量高
      └─ 否 → 可控 CDX + human effector 进行早期机制验证

然后再按 PK、组织分布、周期、成本、伦理和决策强度筛选。

十、模型选择报告清单

十一、综合案例

一款 human CD3 × human tumor target TCE：不结合 mouse CD3，也不结合 mouse target；Fc silent。选择：

A. 普通小鼠 syngeneic； B. NSG 小鼠 + human target-positive CDX + human PBMC； C. human-CD3/human-target double knock-in immune-competent model； D. 非人灵长类中 target 交叉，但肿瘤药效模型不适用。

参考分析

  • A 无法评价临床分子的两臂机制；
  • B 可快速评价人 T cell 重定向药效，但 donor/GVHD/免疫不完整限制长期和安全转化；
  • C 若表达模式和免疫功能经验证，可研究更完整免疫环境，但靶点生理、肿瘤模型和构建周期是关键；
  • D 可支持 PK/安全/药理某些问题，不是肿瘤 efficacy 直接替代。

最佳选择取决于当前决策；常见策略是 B 做早期相对药效与机制，C/其他相关模型补转化证据，而不是寻找一个“万能模型”。

十二、闭卷验收与答案

  1. CDX 核心？——人细胞系植入免疫缺陷鼠。
  2. PDX 优势与限制？——更多患者异质性；慢、贵、免疫缺陷且鼠基质替代。
  3. Syngeneic 核心？——小鼠肿瘤+同系免疫完整小鼠。
  4. Humanized 的关键追问？——具体重建了哪些人细胞/组件及完整度。
  5. Knock-in 是否万能？——否，表达、partner、Fc/cytokine 等仍可能不同。
  6. 皮下 vs 原位？——可测量/速度 vs 器官微环境相关性。
  7. TCE 四方兼容性？——分子、target、CD3/effector、host/Fc/cytokine。
  8. Surrogate 风险？——不是临床分子，属性/PK/potency 可能不同。
  9. 模型选择起点？——primary decision question。
  10. 为什么需要第二模型？——用不同假设验证关键结论并提高外部可信度。

十三、本周最终交付物

为一个 TCE 或抗体项目提交两页《Model Selection Rationale》：候选模型矩阵、兼容性、可支持/不可支持结论、主模型、备选模型和下一阶段升级条件。

十四、延伸阅读

  1. NCI Patient-Derived Models Repository
  2. NCI PDMR models and passage nomenclature
  3. NCI PDMR SOPs
  4. NCI PDXNet consensus recommendations