综述：胶质母细胞瘤建模与药物筛选的临床前模型演变

《Current Oncology Reports》：Evolution of Preclinical Models for Glioblastoma Modelling and Drug Screening

这篇综述聚焦胶质母细胞瘤（GBM），阐述了临床前模型的发展历程，从传统的体外、体内模型到新兴的类器官和芯片模型。分析了各模型的优缺点，探讨其在药物筛选中的应用。这些模型对研究 GBM 病理、开发新疗法意义重大，为精准医学提供方向。

　　

胶质母细胞瘤概述

胶质母细胞瘤（Glioblastoma，GBM）是一种极具侵袭性的原发性脑肿瘤，起源于神经胶质细胞的恶性转化。IDH 野生型 GBM 是其中常见且致命的类型，其病理特征包括伪栅栏状坏死、微血管增生等。从组织学角度看，与低级别星形细胞瘤有明显区别，同时 2021 年 WHO 分类强调了分子特征在诊断中的重要性，如 IDH 野生型状态、表皮生长因子受体（EGFR）扩增和端粒酶逆转录酶（TERT）启动子突变等。

在流行病学方面，GBM 的发病率随年龄增长而增加，75 - 84 岁达到峰值，诊断时的中位年龄为 64 岁，男性略多于女性，男女发病率之比为 1.6:1。其预后极差，五年生存率低于 5%，即便采用标准的多模式治疗，约 70% 的患者在确诊一年内仍会面临疾病进展。

现有治疗手段及挑战

目前 GBM 的多模式治疗方案包括最大安全限度的手术切除，辅助以 Stupp 方案，即 6 周的同步替莫唑胺（TMZ）化疗和放疗，随后再进行 6 个周期的 TMZ 化疗，每 28 天为一周期，每次连续用药 5 天。然而，这种治疗面临诸多挑战。

肿瘤微环境（Tumor Microenvironment，TME）是一个动态且复杂的生态系统，由细胞和非细胞成分组成，共同促进肿瘤的存活和生长。血脑屏障（Blood - Brain Barrier，BBB）是血液与脑间质之间的半透膜，由星形胶质细胞和周细胞形成紧密连接，其选择性通透特性在维持中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）免疫和内环境稳定的同时，也阻碍了药物进入 CNS，降低了许多治疗药物的疗效。在 GBM 中，BBB 的完整性常常被破坏，如 claudin - 3 的缺失以及 claudin - 1 和 claudin - 5 水平的改变，导致紧密连接通透性增加，虽然这在一定程度上利于药物递送，但也使得肿瘤细胞更容易浸润，同时 “屏蔽” 了部分癌细胞，促进肿瘤侵袭和进展。

胶质瘤干细胞（Glioma Stem Cells，GSCs）是 GBM 中一小部分具有自我更新和分化能力的细胞，源于神经元干细胞、神经胶质祖细胞和神经胶质细胞中致癌通路的激活。GSCs 对标准治疗高度耐药，一方面是由于其处于静止状态，对传统针对快速分裂细胞的化疗药物不敏感；另一方面，它们过表达药物外排转运蛋白，如 ATP 结合盒转运体通道，能主动将化疗药物泵出细胞，降低细胞内药物浓度。此外，GSCs 还通过释放免疫抑制和促增殖细胞因子等信号因子，促进异常血管生成和免疫逃逸，在 GBM 的免疫抑制和缺氧微环境形成中发挥关键作用。

GBM 的高复发率很大程度上归因于肿瘤间和肿瘤内的异质性，即肿瘤之间和肿瘤内部存在分子和基因差异。GBM 常见的分子特征包括 TERT 启动子突变（约 80% 的患者）、EGFR 扩增（约 50%），同时 TP53、PTEN 和 CDKN2A 等基因的突变以及 P21 - RAS、PI3k 等致癌通路的改变也较为常见。染色体 7 的获得和染色体 10、13 的缺失在 GBM 中很普遍，且与 EGFR 扩增和 PTEN 缺失突变相关。尽管采用联合治疗、个性化治疗和靶向治疗等策略试图克服异质性，但部分癌细胞仍能逃避治疗，导致肿瘤复发。

新兴疗法

鉴于 GBM 预后不良，迫切需要探索创新治疗方法，免疫疗法和纳米疗法是目前研究的重点方向。

• 免疫疗法：免疫疗法通过激活免疫系统来攻击癌细胞，常引发远隔效应。起初，由于 BBB 被视为免疫屏障，大脑被认为是免疫豁免器官，免疫疗法未被视为 GBM 的可行治疗方法。但现在发现大脑处于持续的免疫监视之下，并通过脑膜淋巴管与外周免疫系统进行沟通。免疫检查点抑制剂（Check Point Inhibitors，CPIs）、疫苗和嵌合抗原受体 T（Chimeric Antigen Receptor T，CAR - T）细胞疗法是具有前景的新型免疫疗法。免疫检查点是细胞表面调节免疫活性的受体，癌细胞可通过增强免疫检查点的表达（如程序性细胞死亡蛋白 - 1（PD - 1）和细胞毒性 T 淋巴细胞相关蛋白 4（CTLA - 4））逃避免疫破坏。CPIs 利用单克隆抗体调节免疫反应，在多种癌症治疗中效果显著，但在 GBM 的临床试验中疗效有限，仍需进一步研究其治疗潜力。疫苗疗法旨在激活免疫系统识别肿瘤相关抗原（Tumor - Associated Antigens，TAA）和肿瘤特异性抗原（Tumor - Specific Antigens，TSA），目前 GBM 疫苗疗法主要有肽基疫苗、树突状细胞（Dendritic Cell，DC）疫苗和病毒载体疫苗三种类型，但临床试验疗效均低于预期。CAR - T 疗法是一种先进的个性化免疫疗法，通过对患者血液中的 T 淋巴细胞进行基因改造，使其表达嵌合抗原受体（CARs），能够特异性识别并结合癌细胞，引发肿瘤细胞毒性反应和细胞因子释放，破坏肿瘤微环境。目前针对 GBM 的 CAR - T 细胞靶点研究正在进行中，包括 HER2、EGFRvIII、IL - 13Rα2 和 CD70 等。
• 纳米疗法：纳米颗粒（Nanoparticles，NPs，通常 < 200nm），如聚合物纳米颗粒、无机纳米颗粒和脂质基纳米颗粒，可作为药物递送系统和诊断工具。其大小和表面电荷等特性影响其行为，较小且带正电荷的 NPs 更容易穿过 BBB 和胶质瘤细胞膜，在肿瘤内积累，但也可能因进入正常细胞细胞质而产生毒性。通过在表面结合肿瘤特异性配体，NPs 可提高治疗精度，减少全身毒性。在 GBM 治疗中，NPs 可改善化疗药物的递送，提高药物在肿瘤部位的浓度，同时减少脱靶效应；还可使治疗药物持续释放，增强疗效。此外，金属纳米颗粒可作为放射增敏剂，增强肿瘤对放疗的敏感性。在免疫疗法中，NPs 也有应用潜力，如与 CPIs 联合使用可增强抗原呈递，提高免疫治疗效果；在疫苗疗法中，NPs 可保护疫苗不被降解，增加抗原呈递；在 CAR - T 疗法中，NPs 可作为抗原呈递部分，降低成本，促进 T 细胞扩增并作为 T 细胞追踪器。基因疗法是治疗 GBM 的创新方法，利用 CRISPR - Cas9、小干扰 RNA（siRNA）和微小 RNA（miRNA）等技术，NPs 的加入可提高基因靶向的安全性、有效性和特异性，目前许多临床前试验正在评估基因疗法联合 NPs 在 GBM 治疗中的作用。

临床前模型

临床前模型对于理解 GBM 病理以及在临床试验前研究潜在治疗方法的安全性、副作用、剂量和疗效至关重要。理想的 GBM 临床前模型应具备以下条件：遗传特征和肿瘤内异质性与人类 GBM 相似；能模拟 TME 及其与人类大脑的关系；具有可重复性和时间稳定性。

• 传统临床前模型：传统的 GBM 药物筛选临床前模型包括体外 / 离体和体内模型，各有优缺点。
  • 体外模型：体外模型主要包括二维（2D）细胞培养，常用的细胞系有大鼠来源的 9L、C6、F98，小鼠来源的 GL261 以及人来源的 U87、U251 等。这些细胞系易于操作和保存，但存在交叉污染和表型、基因型漂移等问题，且无法准确模拟 TME。三维（3D）培养系统如球体模型、支架模型和脑片模型在一定程度上弥补了 2D 模型的不足。球体模型中的多细胞肿瘤球体（Multicellular Tumor Spheroids，MCTS）、肿瘤球和器官型多细胞球体（Organotypic Multicellular Spheroids，OMS）能更好地模拟实体肿瘤的 3D 结构和细胞间相互作用，但仍缺乏体内系统的复杂性。支架模型可提供支持和结构，3D 胶原蛋白支架能有效模拟 GBM 细胞外基质（Extracellular Matrix，ECM）中的纤维状胶原蛋白，3D 和 4D 生物打印技术的发展使支架模型更具特异性和可操作性。脑片模型利用手术切除或活检的脑组织样本，包括生前样本和死后样本，器官型脑片培养（Organotypic Brain Slice Cultures，OBSCs）能保留天然血管和免疫成分，有助于研究 GBM 的迁移、肿瘤 - 免疫相互作用及治疗效果，但存在样本获取困难、成本高和缺乏标准化等问题。
  • 体内模型：体内模型主要使用小鼠模型，包括异种移植模型、基因工程小鼠模型（Genetically Engineered Mouse Models，GEMMs）和同基因小鼠模型。异种移植模型通过将人 GBM 肿瘤细胞植入免疫缺陷小鼠体内，分为细胞系异种移植和原发性患者来源异种移植（Patient - Derived Xenografts，PDXs）。该模型可在体内研究人特异性肿瘤生物学和治疗反应，但受限于免疫缺陷小鼠，无法评估免疫疗法。同基因小鼠模型移植的是与小鼠遗传背景相同的 GBM 肿瘤细胞，如 GL261 模型，可用于研究免疫疗法，且易于生成和控制，但存在遗传漂移和免疫可翻译性差的问题。GEMMs 通过基因工程手段模拟 GBM 的分子和细胞特征，可在免疫健全的小鼠体内研究肿瘤发生和治疗干预，但成本高、耗时长，且缺乏肿瘤异质性。
• 新兴的下一代模型：类器官和芯片模型是 GBM 临床前建模的重要进展，能更好地模拟 GBM 的 TME 和结构。
  • 类器官：类器官是由干细胞分化形成的 3D 自组织结构，可模拟相应器官的结构和功能。脑类器官（Cerebral Organoids，COs）通过诱导器官特异性成体干细胞（Adult Stem Cells，ASCs）或多能干细胞（Pluripotent Stem Cells，PSCs）形成胚胎体（Embryoid Bodies，EBs），再经神经分化和培养而成。PSCs 来源的 COs 结构精确，但增殖期短，类似胎儿组织；ASCs 来源的 COs 培养时间短，更接近成熟组织，但缺乏基质成分。气液界面（Air - Liquid Interface，ALI）方法可培养具有上皮和基质的类器官，更能模拟 TME。GBM 类器官（GBM Organoids，GBOs）可通过患者来源、基因工程、共培养和生物打印等方法构建。患者来源的 GBOs 能保留肿瘤异质性和天然微结构；基因工程 GBOs 通过 CRISPR - Cas9 技术引入 GBM 相关突变；共培养模型通过将 COs 与肿瘤细胞或球体共培养，研究细胞与 TME 的相互作用；生物打印技术可构建更精确、生理相关的 GBOs，用于药物筛选。GBOs 在药物筛选方面具有潜力，可用于研究 TMZ 敏感性和耐药机制、评估免疫疗法和分子靶向治疗，但存在缺乏免疫成分和血管等问题。
  • 胶质母细胞瘤芯片（GBM - on - a - chip）：芯片技术是模拟人体功能单元的创新工具，GBM - on - a - chip 模型结合微流体、生物打印和生物传感器技术，能精确复制 TME 和模拟体内生理条件。微流体系统通过微尺度流体通道模拟微环境的动态变化，可共培养 GBM 细胞与其他细胞；生物打印技术用于构建 3D 结构，精确放置细胞和组织；生物传感器可实时监测 TME 内的生化和生物物理变化，用于诊断和药物筛选。该模型在药物筛选方面表现出优势，可用于评估 TMZ 治疗效果、免疫疗法、纳米疗法和药物化合物筛选，但存在 PDMS 相关问题、生物打印技术限制、检测和采样困难以及细胞来源和异质性等挑战。

结论

GBM 是一种高度侵袭性和异质性的癌症，尽管全球进行了广泛的多学科研究，但有效治疗手段有限，患者预后不佳。传统临床前模型在模拟 GBM 复杂性方面存在局限性，体外模型难以重现 TME 和细胞结构，体内模型缺乏人类 GBM 的免疫复杂性和肿瘤异质性。下一代模型如 GBOs 和 GBM - on - a - chip 平台为解决这些问题提供了有前景的方案，它们能更好地模拟 GBM 异质性和 TME，利用患者来源的细胞构建个性化模型，有助于研究不同患者对治疗的反应，推动精准医学发展。然而，这些模型目前缺乏标准化协议，存在可重复性差等问题，需要进一步优化技术，提高模型质量和可靠性。总体而言，GBOs 和 GBM - on - a - chip 模型在 GBM 治疗研究中具有重要意义，有望改善患者的治疗效果和预后。