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皮肤癌动物模型,有关皮肤癌动物模型实验研究

发布时间:2022-05-16 10:40:57 阅读:17572次 来源:贝赛模式

  皮肤肿瘤(skin tumor)是发生在皮肤的细胞增生性疾病,临床上有良性、恶性之分。恶性肿瘤可以不断增殖,引起转移,威胁生命,称为皮肤癌。较常见的皮肤癌包括黑素瘤、鳞状细胞癌以及基底细胞癌。皮肤癌的病因复杂,包括先天以及后天等多种因素参与,其中外在因素包括化学致癌物质、紫外线(ultraviolet,UV)、电离辐射、病毒感染等。内在因素包括遗传因素、免疫缺陷等。动物模型在探索皮肤癌发病机制中发挥了重要作用。

  一、黑素瘤动物模型

  近年来,黑素瘤(melanoma)发病率总体呈现上升趋势。黑素瘤的发病机制一直以来都是皮肤病研究领域研究的热点之一,遗传因素以及强烈UV损伤在黑素瘤发生发展中起着重要作用。黑素瘤动物模型可分为自发/UV诱导模型、基因修饰模型以及同种/异种移植模型。

  (一)自发/紫外线诱导黑素瘤模型

  【造模机制】基于特定的遗传背景,某些物种可以自发出现黑素瘤病变。

  【模型特点】南美负鼠遗传学背景尚不明确,负鼠可以自发产生黑素瘤。安哥拉羊是另外一种自发产生黑素瘤的动物模型,而且安哥拉羊还可自发出现鳞状细胞癌。其黑素瘤的发病率为2. 2%,主要发生于耳朵的背面。

  小型猪皮肤与人类的皮肤有较多的相似之处,目前已构建了多种黑素瘤品系。1967年培育成功Sinclair小型猪,皮肤黑素瘤发生率较高,组织学上与人的浅表扩散性黑素瘤相似。也已经建立了小型猪黑色素母细胞瘤系,该小型猪肿瘤通常呈结节状,多发性,分布于身体各部位,肿瘤本身可发生多脏器转移。

  【模型评估和应用】发生条件自然,便于细致观察、统计、分析环境等致癌因素,观测肿瘤遗传性状、生长与退化规律及其与宿主的关系、最终结局等。但因其肿瘤发生几率不易控制,时间长,经费大,短期内难获取大量肿瘤学资料,因而使其应用受到了限制。自发黑素瘤动物模型的安哥拉羊模型可用于探索发病部位与黑素瘤的关系,并有望在探索光线照射诱发黑素瘤发病机制方面提供平台。

  小型猪黑素瘤模型与人类黑素瘤有较多共同之处,为研究肿瘤的发生、生长和消退提供了模型。利用此模型可对黑素瘤的病理学、免疫学、生物化学、分子生物学和遗传学机制的研究。

  (二)诱发性黑素瘤模型

  1.紫外线诱导黑素瘤模型

  【造模机制】基于特定的遗传背景,某些物种可以在UV诱导下发生黑素瘤病变。

  【模型特点】剑尾鱼是最早出现的黑素瘤动物模型之一。野生剑尾鱼不发生黑素瘤,但不同种类胚胎杂交产生的后代却可以自发或经UV诱导产生黑素瘤。其中当杂交剑尾鱼暴露于UV辐射后,其黑素瘤发生概率显著增加。长期反复利用亚红斑量UV辐射可诱导南美负鼠黑素瘤发生,和剑尾鱼模型不同,负鼠暴露于长波紫外线(UVA)仅会产生黑素细胞增生过度而不会产生恶性黑素瘤。

  【模型评估和应用】杂交剑尾鱼模型揭示了UV照射与黑素瘤之间的关系。由于杂交剑尾鱼系统和哺乳动物之间存在进化水平上的差距,且其肿瘤也与人类黑素瘤不同,限制了该模型在黑素瘤研究中的应用。与剑尾鱼模型类似,负鼠模型同样证实了UV与黑素瘤之间的关系。但其遗传背景不明,且所出现瘤体独立起源于真皮,很少转移,这一点和人类黑素瘤不同。

  2.同种/异种移植黑素瘤模型

  【造模机制】黑素瘤B16是C57B16小鼠耳根部自发出现的肿瘤。将黑素瘤细胞通过皮下,静脉或腹腔接种的形式注入受试小鼠体内可以构建相应的黑素瘤动物模型。将人类皮肤移植入免疫缺陷小鼠后,采用致癌物涂抹或UV照射方式,可诱导黑素瘤产生。

  【模型特点】将B16黑素瘤细胞接种于BLAB/c小鼠的足垫、腹部以及尾静脉可以诱导黑素瘤的发生。其中接种于足垫后,肿瘤结节的形成平均潜伏期为10天;腹腔接种10天后在小鼠腹壁和肠系膜可见散在黑素瘤结节;尾静脉接种3周,肺部可见大小不等转移瘤灶。用负压器在DBA/2J小鼠皮肤上造成皮内水疤,然后将S91黑素瘤细胞注入疤腔内,肿瘤于7天内生长,其发生率达100%。

  【模型评估和应用】将黑素瘤细胞株移植入小鼠体内,有较高的成瘤率和高转移特性。模型具有方便、稳定和观察容易等优点,方法简单易行,可重复性强。除此之外,此类模型还可用于临床药物疗效的观察。

  (三)基因修饰黑素瘤模型

  【造模机制】黑素瘤转基因动物模型的机制与其他基因修饰疾病动物模型类似。

  【模型特点】UV反应性小鼠黑素瘤模型,这种小鼠通过在黑素细胞特异性酪氨酸酶增强子调控下表达SV40前段区域,有一种低灵敏度的小鼠可经诱导发生皮肤黑素瘤,以中波紫外线(UVB)照射新生小鼠,其中大约20%会发生黑素瘤。该转基因小鼠的黑素细胞在体外实验中暴露于UVB辐射后仍具有恶性特征。MT/ret转基因小鼠皮肤黑色素沉积、良性黑色素病变以及黑素瘤顺次发生,这种变化与人类巨大先天性黑素细胞您演变为黑素瘤的过程极为相似,在疾病的进展过程中,丝裂原活化蛋白激酶、基质金属蛋白酶活性逐渐增强。

  HGF/SFt转基因小鼠黑素细胞存在于表皮、真皮和表真皮交界处,其表现更接近人类皮肤。将新生HGF/SF转基因小鼠暴露于中等强度的单剂量UVB辐射不到3小时,即可诱导黑素瘤产生。与人类黑素瘤相似,HGF/SF转基因小鼠病变包括不同等级的进程:从癌前期您细胞发育不良到放射性垂直生长期,直到最后的转移表型。其他转基因动物模型包括:ras转基因小鼠、Tyr-SV40E转基因小鼠、TG-3转基因小鼠。

  【模型评估和应用】转基因动物模型促进了研究者对皮肤恶性黑素瘤的起源和发展的理解,揭示了环境(如UV照射)、遗传因素以及特定基因在黑素瘤发病机制中的作用,并且为探索合理的治疗措施奠定基础。

  二、基底细胞癌动物模型

  基底细胞癌(basal cell carcinoma,BCC)可能是从原始上皮性胚芽细胞衍生而来,主要由间质依赖性多潜能基底样细胞组成,是一种向表皮或附属器官分化的低度恶性肿瘤。BCC动物模型分为自发性动物模型和基因修饰动物模型。

  (一)自发性基底细胞癌模型

  【造模机制】随着年龄的增长,犬、猫可以自发出现BCC,具体机制不详,推测与日光的过度照射有关。

  【模型特点】犬类多见于老年犬,尤以贵宾犬、可卡犬居多。肿瘤多见于犬的头部、颈部以及肩部。表现为境界清楚的孤立性肿块。本病在猫皮肤肿瘤的比例中占13%~18%,表现与犬类似。犬或猫BCC的病理学表现与人类BCC极为相似。

  【模型评估和应用】目前关于这两类动物模型的研究仅见于鲁医。

  (二)基因修饰基底细胞癌模型

  【造模机制】目前认为,BCC的发病主要与Shh信号通路(sonic hedgrhog signaling pathway,Shh)异常激活有关。该通路主要包括Shh、Pic、Smo和Gi等分子。Pc和Smo均为多次跨膜蛋白,静止状态下两者形成复合体,Smo活性被Pc抑制。Shh与Pc结合则Pic对Smo活性的抑制消失,Smo激活转录因子Gli并引发细胞内的瀑布效应,该通路表达异常可导致BCC的发生。近年的研究还发现,Notch信号改变也与皮肤肿瘤发生发展有密切关系。通过转基因或基因敲除技术,使小鼠高表达或不表达特定基因,可以产生基底细胞动物模型。

  【模型特点】过表达Shh的转基因小鼠可自发形成BCC样改变。也有人认为Shh时间和区域精确表达决定肿瘤的表型,以角蛋白1为启动子,在毛囊基底层细胞过表达Shh,该转基因小鼠出现一系列皮肤的异常改变,包括色素沉着、脱发以及明显的胚胎期毛囊发育抑制现象。传统的基因敲除技术不能应用于Notchl蛋白功能的研究,因为Notchl胚胎在孕期就会死亡。

  应用组织特异性基因敲除技术,可以特异性敲除成年小鼠表皮和角膜上皮Notch 1,发现该小鼠上皮角化过度,对化学刺激物致癌作用的敏感性增强。皮肤中Notch 1的缺失会导致Gli2上升且持续性表达,最终导致BCC样改变。

  【模型评估和应用】BCC发病与日光照、砷摄人量过高等因素有关,但确切的发病机制直至基因修饰动物模型建立后才得以闸明。基因修饰动物模型除用于探索发病机制外,还用于临床治疗药物的筛选。如,使用Smo拮抗剂环巴胺可以显著降低UV照射诱导的Pich1小鼠BCC发病率。

  三、鳞状细胞癌动物模型

  鳞状细胞癌(squamous cell carcinoma,SCC)是起源于表皮或附属器角质形成细胞的一种恶性肿瘤。鳞状细胞癌动物模型分为化学诱导模型、移植模型以及基因修饰模型。

  (一)诱发性鳞状细胞癌模型

  1.化学诱导鳞状细胞癌模型

  【造模机制】4-硝基喹啉-1-氧化物(4-nitroq-uinoline-l-oxide,4NQO)是一种前体致癌剂,在体内通过4NQO还原酶的作用形成近致癌物4-羟氨基喹啉-1-氧化物,进一步经脯氨酰基化作用代谢为终致癌物4-乙酰氨基喹啉-1-氧化物,最后与靶器官DNA亲核结构结合,形成DNA加成物,使小鼠第7号染色体上H.rasl基因第12位密码子发生G-A转换,损伤染色体,并最终导致鳞状细胞癌发生。

  【模型特点】低浓度水溶性致癌剂4NQO口服,成功地诱发了小鼠上消化道黏膜癌变,其产生过程经历从癌前病变到癌的缓慢变化,组织病理学特征与人相似。高浓度的4NQO饮水(0. 01%)喂养BALB/c小鼠,小鼠舌背黏膜相继出现粗糙、白色斑块、灰白色隆起、溃疡、糜烂、乳头状增生等改变,对应组织学相继发生单纯性上皮增生-轻度异常增生-中重度异常增生-原位癌-浸润癌的典型病理变化,组织病理学特征与人头颈部鳞癌相似。

  【模型评估和应用】该模型方法简单、病变典型、重复性好,为研究头颈部鳞癌的发生机制和防治药物筛选提供了较理想的动物模型。

  2.同种/异种移植鳞状细胞癌模型

  【造模机制】将人SCC组织或癌细胞接种于免疫缺陷小鼠背部、前肢腋窝、腹股沟区、侧胸壁或舌下,可在局部产生SCC。

  【模型特点】目前常用的动物包括裸小鼠、C3H、ICR、NC、BALB/c、C57BL/6、SCID、NOD/SCID小鼠等。此外,大鼠、豚鼠等也可用来进行模型构建。有人将舌鳞癌组织植入裸小鼠舌部,发现第4周淋巴结转移率为21%;20周后淋巴结转移率上升到79%.将Tca8113细胞注射于裸鼠的不同部位(舌、口底、腋窝),发现注射到裸鼠口底部的细胞具有极强的颈淋巴转移性。

  利用新西兰家兔建立的非同源性舌SCC模型,成瘤率为100%,淋巴结转移率和肺部转移率分别为50%和20%.新西兰家兔的舌鳞癌细胞具有高度恶性、低分化的特点,其生物学特性与人舌鳞癌细胞十分相似。通过化学诱导建立了家兔的舌SCC模型,并将该模型原代肿瘤组织移植人裸鼠皮下或兔皮下,再次生成肿瘤。也可构建皮肤鳞状细胞癌整体可视化动物模型,在实验动物活体非侵入状态下可以清晰地观察到皮下肿瘤的发生发展及浸润情况。

  【模型评估和应用】舌SCC模型构建简单,易于重复观察SCC生物特性具有优势。但由于啮齿类动物颈部淋巴体系解剖关系复杂,淋巴回流区域纵横交错,影响淋巴结的取材;且口腔注射建模影响动物的进食,故啮齿类动物舌鳞癌模型虽适用于转移途径与发生机制的研究,但不适于作为转移癌细胞定量检测与药物干预实验的动物模型。皮肤SCC整体可视化动物模型简单易行,成功率高。瘤体变化的量效关系,并即时取得血清学、免疫学等各项指标变化,对研究皮肤癌治疗具有重要应用价值。

  (二)基因修饰鳞状细胞癌模型

  【造模机制】SCC发病机制中有众多基因的参与,高表达或不表达特定基因的基因修饰动物模型可以自发或在外因诱导下生SCC。

  【模型特点】相关模型很多,下面仅举例说。如,选择性抑制小鼠皮肤中Rel/NF-KB、再过表达IkB-α,小鼠出生时即在头皮、背部以及尾部出现鳞屑,毛发发育障碍,8周时自发地产生SCC.高表达neu癌基因转基因小鼠在出生3天即发现表皮显著增厚,毛发生长极不协调。组织学检查显示重度毛囊及毛囊内上皮增生,重度表皮增生,真皮及皮下出现异常角化物质,许多部位的表皮都出现SCC样改变。再如,以牛角蛋白5作为启动子设计在基底层过表达野生型人c-丝氨酸转基因小鼠,在3个月时开始自发地发生SCC,1年后发生率约70%。乳头瘤病毒感染是SCC发病的原因之一。

  在致癌因素的刺激下,表达多乳房小鼠乳头瘤病毒(mastomys natalensis papillomavirus)癌基因E6的转基因小鼠几乎100%发生SCC.高表达细胞周期蛋白依赖的激酶4转基因小鼠对化学刺激物致癌作用具有高敏感性。在化学刺激物的诱导下,该转基因小鼠发生SCC的概率大为上升,组织学上出现发育不良和异形性的原位癌皮损数目上升。此外,在表皮基底层以上部位表达整合素亚单位α2β1及着色性干皮病相关基因XPA的转基因小鼠在接受致癌刺激后发生SCC的概率均明显上升。

  【模型评估和应用】SCC是一种多诱因、损伤长期积累的疾病,基因修饰动物能够最大可能地探讨有关基因在肿瘤发生中的作用机制,并为寻找相应的治疗药物,采取预防肿瘤发生的措施提供平台。

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