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肺癌是我國腫瘤發病率和死亡率最高的癌種。

國家癌癥中心2022年發布的數據顯示：2016年，我國新發肺癌病例約占所有新發癌癥病例的20.4%（82.8萬例），肺癌死亡病例約占所有癌癥死亡病例的27.2%（65.7萬例），位居所有癌癥死亡的第1位。（注：國家的癌癥數據統計通常會延遲3-5年）

圖1. 最新中國癌癥發病及死亡情況[1]

在第22個國際肺癌日到來之際，小編將帶大家了解下肺的結構和功能、肺癌的分型與分期、肺癌的藥物治療以及肺癌研究的小鼠模型。

圖2. 呼吸系統示意圖[3]

正常的肺呈淺紅色，位于胸腔內，覆蓋在心臟之上。

人有兩個肺，左右各一。右肺較寬短，分為上、中、下三個葉，而左肺較狹長，僅有上、下兩葉，因此人體一共有五葉。

每次呼吸，空氣通過鼻腔進入氣管，隨后進入肺。在喉頭邊緣，氣管分為左右兩個支氣管，支氣管逐漸分支成更小的細支氣管，細支氣管在肺部分支形成小肺泡簇。肺泡是肺的功能單位，它們形成氣體交換的場所。

肺是呼吸系統的重要器官，它的主要功能是氣體交換，當你吸氣時，空氣進入你的肺，氧氣從空氣中進入你的血液。與此同時，二氧化碳從你的血液移動到肺部，被呼出。

此外，肺還有防御、代謝、貯血等功能。肺的防御功能主要是對吸入氣體中的病原微生物和其他塵粒進行清除保持氣管、支氣管到終末呼吸單位處于無菌狀態。

肺組織一旦發生癌變就會嚴重影響其功能，而肺癌就是嚴重的肺部癌變。不同類型的肺癌在治療上也有不盡相同，下面我們就來淺談一下肺癌的分型與分期。

2.1肺癌的分型

肺癌主要分為非小細胞肺癌（non small cell lung cancer, NSCLC）和小細胞肺癌（small cell lung cancer, SCLC），其中非小細胞肺癌約占肺癌總診斷率的85%。

非小細胞肺癌還可以進一步劃分為腺癌、鱗癌和大細胞癌等，其中腺癌是肺癌最常見的亞型，其次是鱗狀細胞癌。

在非小細胞肺癌中，常見的驅動突變包括Kras突變、EGFR突變、FGFR1擴增、ALK重排、HER2突變、MET擴增、BRAF突變等。

而在小細胞肺癌中，最常出現的驅動突變是Rb和p53的基因功能缺失。

圖3. 肺癌組織學[4]

2.2肺癌的分期

肺癌分期對于診斷時確定疾病的進展和擴散程度至關重要，是臨床醫生對患者實施治療和判斷預后的指南。

TNM分期系統是目前國際上最為通用的腫瘤分期系統，也是臨床上進行惡性腫瘤分期的標準方法。

在肺癌TNM分期中：

T表示肺癌原發腫瘤情況，如腫瘤的位置、大小等；

N代表肺癌局部淋巴結轉移情況；

M代表肺癌遠處轉移情況，癌癥一旦發生遠處轉移，意味著患者已經處于IV期（晚期）階段。

在確定患者的TNM分期值后，將這些信息組合就可得到病人總的分期，小細胞肺癌和非小細胞肺癌在專業的分期系統稍有不同，為了便于交流最終都可以被表示為0期、I期、II期、III期或者IV期。其中，I，II，III期會進一步細分為A或B，如IIIA，IIIB期等。

我們常聽到的早期、中期和晚期分別對應的是I期、II/III期和IV期。

表1：肺癌TNM分期[6]

圖5. 抗癌治療機制[7]

肺癌的藥物治療包括化療、分子靶向治療以及免疫治療。

化療分為新輔助化療、輔助化療、姑息化療，應當嚴格掌握臨床適應證，并在腫瘤內科醫師的指導下施行。

分子靶向治療需要明確基因突變狀態，依據分子分型指導靶向治療。高達69%的晚期NSCLC患者可能具有潛在的可操作分子靶點。

肺癌的發生和進展不僅依賴于癌細胞進化的基因組學和分子特性，還依賴于它們與腫瘤環境的相互作用，特別是與免疫系統的相互作用。

近年，以免疫檢查點抑制劑（如PD-1單抗或PD-L1單抗等）為代表的免疫治療已被證實可改善肺癌患者的生存率。目前多個 PD-1單抗和（或）PD-L1單抗已獲批上市并應用于晚期及局部晚期NSCLC和SCLC的治療，更多的臨床適應證尚在不斷探索中。

抗癌藥物的發現和臨床前試驗都離不開動物模型的驗證，用于肺癌研究的動物模型為探索肺癌發生與轉移的機制、篩選和評價抗癌藥物的藥效提供了有力的工具。目前可用于肺癌研究的小鼠模型有哪些呢？一起接著往下看吧！

4.1非小細胞癌研究模型

野生型Kras激活/失活效應是受控的，而突變型Kras蛋白功能異常，持續處于激活狀態，導致腫瘤細胞的持續增殖。Kras突變的腫瘤細胞比其他腫瘤細胞更容易存活，因此Kras突變的肺癌治療也一直是醫學界的一個難題。

目前國際上應用最廣泛的肺癌動物模型就是Kras-LSL-G12D小鼠模型，可以通過與肺上皮細胞特異性的Cre轉基因小鼠雜交來實現Kras突變體的激活，從而導致肺癌的發生。有研究表明，通過SPC-Cre小鼠與Kras-LSL-G12D小鼠雜交，從而獲得了從肺部炎性反應到肺腺瘤進展時程較長的慢性自發肺部腫瘤小鼠模型。

Kras-G12D誘導的肺癌模型為肺癌病因的研究提供了更長的窗口期，也為Kras突變的肺癌治療提供了更有力的研究工具。

Kras-LSL-G12D還經常和其它癌癥驅動基因聯用，用來滿足更多的肺癌研究需求。

在人類NSCLC中經常發現Kras-G12D突變和Lkb1缺失同時出現，而小鼠中Kras- G12D突變伴隨Lkb1缺失會加速肺腫瘤發展，惡性程度也會更高，出現多樣的表型特征，包括鱗狀細胞癌和大細胞癌。

Kras-G12D突變并發激活Wnt /β-Catenin信號會增加侵襲性和遠端組織感染。Kras-G12D突變伴隨p53失活導致侵襲性增加，也發生轉移現象，這可能是p53的缺失導致基因組的不穩定，從而導致腫瘤惡性化。

圖6. KRAS突變的途徑和潛在的聯合治療方法[8]

4.1.2 EGFR突變肺癌模型

表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)在細胞增殖和分化中起到重要作用，是目前最重要的靶向治療靶點之一。突變后導致蛋白功能異常，持續處于激活狀態，導致腫瘤細胞的持續增殖。

針對其敏感突變的EGFR酪氨酸激酶抑制劑（TKI），是治療NSCLC最常用的靶向藥物，EGFR-TKI療效好和副作用少，為很多肺癌患者帶來希望，是肺癌治療中的突破性進展。

但是靶向治療也有其自身的弊端，幾乎所有的EGFR-TKI治療患者最終均產生獲得性耐藥：第一代和第二代靶向藥治療后出現T790M耐藥性突變，第三代靶向藥治療后出現C797S耐藥性突變。由此催生了多種攜帶耐藥性突變的EGFR肺癌模型，可用于新藥的研發和腫瘤耐藥性的研究。

和Kras-G12D突變引起的局灶性腫瘤不同，EGFR-L858R突變引起的是類似于支氣管肺泡的彌漫性腫瘤，EGFR外顯子19的缺失引起多灶性腺癌。研究發現，EGFR-T790M突變小鼠以及EGFR-L858R+T790M突變小鼠比EGFR-L858R突變小鼠的腫瘤潛伏期要更長，適用于耐藥性機制研究。

圖7. EGFR激酶結構域的20號外顯子框內插入突變(EGFR ins20)[9]

4.1.3 ALK基因重排肺癌模型

ALK編碼酪氨酸受體，在正常肺中不表達，但是在約5％的非小細胞肺癌患者中會表達EML4-ALK，EML4-ALK是由于染色體倒位形成EML4基因與ALK 基因的重排，EML4-ALK的表達促使肺癌發生和惡化，是目前靶向治療的熱門靶點之一。

EML4-ALK融合常見于年輕患者以及輕度吸煙或不吸煙者，并且EML4-ALK與Kras以及EGFR突變相互排斥，基本不同時出現。

研究表明，肺特異性表達EML4-ALK的小鼠出生后不久發生多發性肺腺癌，為研究ALK靶向抑制劑（ALK-TKI）的敏感性以及耐藥性提供合適模型，并且也為ALK-TKI的臨床前藥物篩選提供有力工具。

圖8. ALK重排的NSCLC基因組發現和藥物開發時間表[10]

4.1.4其他肺癌模型

除了以上3類小鼠模型，還有其他基于驅動突變導致的肺癌研究模型，如PIK3CA-H1047R突變小鼠可發生具有支氣管肺泡特征的腺癌，Braf-V600E突變小鼠可發生腺瘤（很少進展為腺癌）。

4.2 小細胞癌研究模型

小細胞肺癌是一種侵襲性強、難以治療的癌癥類型，約占全部肺癌病例的13-15%。具有轉移速度快、惡性程度高、預后情況差等特征，屬于惡性程度極高內分泌腫瘤。

在小細胞肺癌中，最常出現的驅動突變是Rb和p53的基因功能缺失，因此SCLC動物模型中通常使用Rb flox小鼠，p53 flox小鼠和肺部特異性Cre小鼠進行交配獲得。

Rb和p53的同時特異性敲除后，SCLC的腫瘤發生率很高，并且腫瘤和人類腫瘤相似度很高，也能轉移到特定的組織，但是整個周期比較長，大約9個月。

因此通常會加入一些其他突變基因加速腫瘤發生，例如Rb，p53和Pten同時的組織敲除，Rb，p53和p130同時敲除，Rb和p53敲除同時過表Lmyc和Nfib[1]，均可加速腫瘤發生。

基于現有的研究，南模生物自主構建了一系列攜帶經典肺癌驅動突變的基因工程小鼠模型，為肺癌發生機制研究、肺癌藥物藥物篩選以及相關藥效實驗提供了強有力的工具。具體信息見下表：

Kras-LSL-G12D小鼠模型

圖8. 采用氣管內注射的方法，將AAV-cre病毒注射到小鼠肺部，3個月后對小鼠肺部進行CT檢測，CT結果顯示有明顯的腫瘤的形成。

圖9. 荷瘤小鼠體內腫瘤細胞體積隨時間增長的變化

Reference

[1]Zheng RS, Zhang SW, Zeng HM, Wang SM, Sun KX, Chen R, Li L, Wei WQ, He J. Cancer incidence and mortality in China, 2016[J]. JNCC, 2022, 2(1): 1-9. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jncc.2022.02.002.

[2]https://training.seer.cancer.gov/lung/

[3]https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/how-lungs-work

[4]Gainor JF, Heist RS. Lung cancer. Lancet. 2021;398(10299):535-554. doi:10.1016/S0140-6736(21)00312-3

[5]Lovly, C., L. Horn, W. Pao. 2018. Molecular Profiling of Lung Cancer.My Cancer Genome.

[6]Lababede O, Meziane MA, Rice TW. TNM staging of lung cancer: a quick reference chart.Chest.1999;115(1):233-235. doi:10.1378/chest.115.1.233

[7]國家衛生健康委辦公廳. 原發性肺癌診療指南(2022年版)[J]. 協和醫學雜志, 2022, 13(4): 549-570. doi: 10.12290/xhyxzz.2022-0352

[8]Reck M, Carbone DP, Garassino M, Barlesi F. Targeting KRAS in non-small-cell lung cancer: recent progress and new approaches. Ann Oncol. 2021;32(9):1101-1110. doi:10.1016/j.annonc.2021.06.001

[9]Meador CB, Sequist LV, Piotrowska Z. Targeting EGFR Exon 20 Insertions in Non-Small Cell Lung Cancer: Recent Advances and Clinical Updates. Cancer Discov. 2021;11(9):2145-2157. doi:10.1158/2159-8290.CD-21-0226

[10]Cooper AJ, Sequist LV, Lin JJ. Third-generation EGFR and ALK inhibitors: mechanisms of resistance and management [published correction appears in Nat Rev Clin Oncol. 2022 Nov;19(11):744]. Nat Rev Clin Oncol. 2022;19(8):499-514. doi:10.1038/s41571-022-00639-9

[11]Jackson, E.L., Willis, N., Mercer, K., Bronson, R.T., Crowley, D.,Montoya, R., Jacks, T., Tuveson, D.A., 2001. Analysis oflung tumor initiation and progression using conditionalexpression of oncogenic K-ras. Genes Dev. 15, 3243e3248.

[12]Johnson,L.,Mercer,K.,Greenbaum,D.,Bronson,R.T.,Crowley,D.,Tuveson, D.A., Jacks, T., 2001. Somatic activation of the K-rasoncogene causes early onset lung cancer in mice. Nature 410(6832), 1111e1116. http://dx.doi.org/10.1038/35074129.

[13]高昆，劉學麗，高珊等.SPC-CRE-Kras 雙陽性轉基因小鼠自發肺部腫瘤模型的建立[J].中國比較醫學雜志，2013，23（7）：11-15.

[14] Ji, H., Ramsey, M.R., Hayes, D.N., Fan, C., McNamara, K.,Kozlowski, P., Torrice, C., Wu, M.C., Shimamura, T.,Perera, S.A., et al., 2007. LKB1 modulates lung cancerdifferentiation and metastasis. Nature 448, 807e810.

[15] Pacheco-Pinedo, E.C., Durham, A.C., Stewart, K.M., Goss, A.M.,Lu, M.M., Demayo, F.J., Morrisey, E.E., 2011. Wnt/b-cateninsignaling accelerates mouse lung tumorigenesis by imposinganembryonic distalprogenitorphenotypeon lung epithelium.J. Clin. Invest. 121, 1935e1945.

[16] Kasinski, A.L., Slack, F.J., 2012. miRNA-34 prevents cancerinitiation and progression in a therapeutically resistant K-rasand p53-induced mouse model of lung adenocarcinoma.Cancer Res. 72, 5576e5587.

[17]Winslow, M.M., Dayton, T.L., Verhaak, R.G.W., Kim-Kiselak, C.,Snyder, E.L., Feldser, D.M., Hubbard, D.D., DuPage, M.J.,Whittaker, C.A., Hoersch, S., et al., 2011. Suppression of lungadenocarcinoma progression by Nkx2-1. Nature 473, 101e104.

[18]Regales, L., Gong, Y., Shen, R., de Stanchina, E., Vivanco, I.Goel, A., Koutcher, J.A., Spassova, M., Ouerfelli, O.,Mellinghoff, I.K., et al., 2009. Dual targeting of EGFR canovercome a major drug resistance mutation in mousemodels of EGFR mutant lung cancer. J. Clin. Invest. 1193000e3010.

[19] Soda, M., Choi, Y.L., Enomoto, M., Takada, S., Yamashita, Y.,Ishikawa, S., Fujiwara, S.-I., Watanabe, H., Kurashina, K.,Hatanaka, H., et al., 2007. Identification of the transformingEML4-ALK fusion gene in non-small-cell lung cancer. Nature448, 561e566.

[20] Gerber, D.E., Minna, J.D., 2010. ALK inhibition for non-small celllung cancer: from discovery to therapy in record time. CancerCell 18, 548e551.

[21] Soda, M., Takada, S., Takeuchi, K., Choi, Y.L., Enomoto, M.,Ueno, T., Haruta, H., Hamada, T., Yamashita, Y., Ishikawa, Y.,et al., 2008. A mouse model for EML4-ALK-positive lungcancer. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 19893e19897.

[22] KyoungHoPyo, SunMinLim, HyeRyunKim. Establishment of a Conditional Transgenic MouseModel Recapitulating EML4-ALK–Positive HumanNon–Small Cell Lung Cancer.J ThoracOncol. 2017 Mar;12(3):491-500.

[23] Engelman, J.A., Chen, L., Tan, X., Crosby, K., Guimaraes, A.R.,Upadhyay, R., Maira, M., et al., 2008. Effective use of PI3Kand MEK inhibitors to treat mutant Kras G12D and PIK3CAH1047R murine lung cancers. Nat. Med. 14, 1351e1356.

[24] Politi, K., Zakowski, M.F., Fan, P.-D., Schonfeld, E.A., Pao, W.,Varmus, H.E.,2006.Lungadenocarcinomas inducedinmicebymutant EGF receptors found in human lung cancers respondto a tyrosine kinase inhibitor or to down-regulation of thereceptors. Genes Dev. 20, 1496e1510.

[25] Kalemkerian, G.P., 2011. Advances in the treatment of small-celllung cancer. Semin. Respir. Crit. Care Med. 32, 94e101.

[26]Dooley,A.L.,Winslow,M.M.,Chiang,D.Y.,Banerji,S.,Stransky,N.,Dayton, T.L., Snyder, E.L., Senna, S., Whittaker, C.A.,Bronson, R.T., et al., 2011. Nuclear factor I/B is an oncogene insmall cell lung cancer. Genes Dev. 25, 1470e1475.

[27] Song, H., Yao, E., Lin, C., Gacayan, R., Chen, M.-H., Chuang, P.-T.2012. Functional characterization of pulmonaryneuroendocrine cells in lung development, injury, andtumorigenesis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, 17531e17536.

[28] Schaffer, B.E., Park, K.-S., Yiu, G., Conklin, J.F., Lin, C.,Burkhart, D.L., Karnezis, A.N., Sweet-Cordero, E.A., Sage, J.,2010. Loss of p130 accelerates tumor development in a mousemodel for human small-cell lung carcinoma. Cancer Res. 70,3877e3883.

[29]Dankort, D., Filenova, E., Collado, M., Serrano, M., Jones, K.,McMahon, M., 2007. A new mouse model to explore theinitiation, progression, and therapy of BRAFV600E-inducedlung tumors. Genes Dev. 21, 379e384.