腫瘤由薄壁組織中惡性和正常細(xì)胞的異質(zhì)混合物組成，其開窗具異常結(jié)構(gòu)的基質(zhì)。所有類型的癌癥所表現(xiàn)出的患者間甚至腫瘤間或腫瘤內(nèi)的變異性，使藥物的設(shè)計(jì)和測試成為具有挑戰(zhàn)性的前景。

預(yù)測癌癥療法的功效和毒性是建立新藥和設(shè)計(jì)治療方案的關(guān)鍵，因此研究人員開發(fā)了多種癌癥模型，可以在體外和體內(nèi)水平分析各個(gè)方面。

體外癌癥模型
致癌基因是一些基因，如果被允許失去控制，有可能導(dǎo)致癌癥，通常是因?yàn)樗鼈兛刂萍?xì)胞的功能，例如生長或有絲分裂。腫瘤抑制基因具有相反的功能，參與諸如誘導(dǎo)受控細(xì)胞凋亡的任務(wù)。這些類型的一種或兩種基因的突變會(huì)導(dǎo)致不受控制的細(xì)胞生長，癌癥。

癌細(xì)胞基因組的不穩(wěn)定性質(zhì)會(huì)通過增加增殖，減少轉(zhuǎn)錄檢查和混亂的表觀基因組迅速產(chǎn)生具有其他突變的后代。自然選擇在各種各樣的癌細(xì)胞中發(fā)揮著作用，那些在繁殖和適應(yīng)當(dāng)?shù)匚h(huán)境方面最成功的人在該地區(qū)的人口越來越多。

研究人員開發(fā)臨床前癌癥模型的主要目的是在維持這種環(huán)境的同時(shí)測試藥物對具有代表性的異類細(xì)胞群的功效。

體外癌細(xì)胞培養(yǎng)由于其可靠性，低成本和易安裝性，在藥物測試中通常已使用了數(shù)十年。在將已知數(shù)量的細(xì)胞放入2D孔中并添加已知數(shù)量的藥物之前，允許這些細(xì)胞培養(yǎng)物增殖至匯合。

在設(shè)定的時(shí)間段后，存活細(xì)胞的剩余百分比是藥物細(xì)胞毒性的直接證據(jù)，從而使研究人員能夠確定哪種藥物最有效和最有效。將其他分析技術(shù)與此2D細(xì)胞培養(yǎng)方法結(jié)合使用，可以幫助確定藥物進(jìn)入細(xì)胞，隨后相互作用以及引起所觀察到的效果的方式。但是，二維細(xì)胞培養(yǎng)不能捕獲體內(nèi)觀察到的真實(shí)環(huán)境，因此不能用于可靠地推斷出有關(guān)組織在三維環(huán)境中如何對藥物產(chǎn)生反應(yīng)的大量信息。

3D培養(yǎng)嘗試維持體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞間接觸，同時(shí)也復(fù)制腫瘤微環(huán)境的其他方面（例如基質(zhì)），有時(shí)被稱為類器官。這些培養(yǎng)物通常是通過對患者進(jìn)行活檢并在富集的培養(yǎng)基中生長組織而制成的，這些培養(yǎng)基在三個(gè)方向上生長并在腳手架的幫助下復(fù)制原始的組織結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代微流控技術(shù)允許介質(zhì)圍繞類器官流動(dòng)并通過類器官流動(dòng)，以緊密復(fù)制動(dòng)態(tài)的體內(nèi)環(huán)境。類器官可能需要花費(fèi)數(shù)月的準(zhǔn)備時(shí)間，并且難以大量培養(yǎng)，因此，維持腫瘤三維結(jié)構(gòu)的另一種方法是收集器官型腫瘤切片。

器官切片的腫瘤切片是由活檢樣品產(chǎn)生的，該切片被切成約200 μm的切片。然后將切片單獨(dú)或成組培養(yǎng)，將天然腫瘤環(huán)境維持?jǐn)?shù)周，在此期間可以進(jìn)行測試。通過這種方法可以維持細(xì)胞異質(zhì)性，以及由于快速增殖的癌細(xì)胞產(chǎn)生的偏倚而使類器官無法復(fù)制的腫瘤微環(huán)境和細(xì)胞外基質(zhì)的其他方面。

Sivakumar等人對這兩種方法的比較。（2019）指出，兩者對大多數(shù)應(yīng)用藥物都表現(xiàn)出相似的反應(yīng)，一個(gè)顯著的例外是腫瘤切片顯示出對血管內(nèi)皮生長因子受體抑制劑藥物萬德他尼的更高敏感性。該藥物通過限制血管生成來發(fā)揮作用，解釋了針對類器官模型的作用減弱，因?yàn)樵撍幬飪H靶向腫瘤切片中發(fā)現(xiàn)的內(nèi)皮細(xì)胞。

體內(nèi)癌癥模型
盡管體外測試可以對藥物進(jìn)行高通量篩選，但生物系統(tǒng)的全部復(fù)雜性仍然難以復(fù)制?，F(xiàn)代高端體內(nèi)測試可以從患者身上進(jìn)行活檢，然后將其皮下植入活體動(dòng)物上。使用活檢材料可以維持原始腫瘤的結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)，從而使研究人員可以檢查藥物對腫瘤和活體宿主的作用。
生物標(biāo)志物
關(guān)鍵生物標(biāo)志物的識(shí)別和跟蹤是臨床前建模的強(qiáng)大工具。根據(jù)特定的癌癥類型，考慮到導(dǎo)致不受控制的生長和腫瘤位置的突變，細(xì)胞可能會(huì)產(chǎn)生或過度表達(dá)多種分子。生物標(biāo)志物可以是基因，蛋白質(zhì)或小分子的形式，并且每種標(biāo)志物都可以提供有助于診斷和預(yù)后癌癥的信息。

使用諸如熒光顯微鏡之類的技術(shù)在體外或體內(nèi)實(shí)驗(yàn)過程中跟蹤這些生物標(biāo)志物，可提供有關(guān)細(xì)胞動(dòng)力學(xué)和作用機(jī)制的信息。相對于簡單地讀取細(xì)胞活力或腫瘤塊（分別在體外或體內(nèi)測試的情況下），這是有利的，因?yàn)榭梢宰R(shí)別影響作用機(jī)理的因素。

人們一直在尋找和發(fā)現(xiàn)可用于量化細(xì)胞功能和對藥物反應(yīng)各個(gè)方面的生物標(biāo)志物，這些生物標(biāo)志物在預(yù)測功效和安全性方面具有不可估量的價(jià)值。

資料來源
Liu，J.，Dang，H.＆Wang，XW（2018）肝癌中腫瘤間和腫瘤內(nèi)異質(zhì)性的意義。實(shí)驗(yàn)與分子醫(yī)學(xué)，50. https://www.nature.com/articles/emm2017165
Dhandapani，M.和Goldman，A.（2017）用于藥物開發(fā)的臨床前癌癥模型和生物標(biāo)志物：新技術(shù)和新興工具。分子生物標(biāo)志物和診斷雜志，8（5）。https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5743226/
Li，X.，Valadez，AV，Zuo，P.＆Nie，Z.（2014）微流體3D細(xì)胞培養(yǎng)：基于組織的生物測定的潛在應(yīng)用。生物分析，4（12）。https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3909686/
Sivakumar，R。等。（2019）器官型腫瘤切片培養(yǎng)提供了免疫腫瘤學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)的多功能平臺(tái)。腫瘤免疫學(xué)，8（12）。https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6844320/