Согласно статистическим данным, онкологическая заболеваемость в России стоит на втором месте. Так, за 2022 г. выявлен 584 061 человек со злокачественными образованиями [1]. Такая распространенность вызывает потребность в разработке новых лекарственных препаратов и медицинских изделий для лечения и реабилитации онкологических пациентов. Для изучения опухолевого процесса, разработки и испытания не только новых методов лечения, но и новых лекарственных препаратов были предложены опухолевые модели.

Моделирование возможно математическими методами, in vitro и in vivo.

Математическая модель — модель расчета роста клеточной массы, деления и гибели опухолевых клеток, неоангиогенеза. Первой подобной моделью являлась задача Коши. Данная модель может помочь как оценить динамику заболевания у индивида, так и имитировать популяционные изменения. Применяется такая модель при расчете возможных исходов лечения [2].

В практической онкологии чаще применяются клеточные модели, которые можно разделить на in vitro и in vivo.

Клеточные модели in vitro подразделяются на следующие подтипы: двумерные культуры, трехмерные культуры, камера Бойдена, микрофлюидные системы, трехмерная биопечать [3].

Двумерные культуры — опухолевая модель, разработанная в США в конце 1980-х годов, представляет собой рост опухолевых клеток в монослое на плоской питательной поверхности. Эта модель позволяет тестировать цитотоксичность различных лекарственных соединений, однако не может оценить полноценное влияние на организменном уровне [4].

Трехмерные культуры — выращенная клеточная культура во внеклеточном матриксе, позволяющая воссоздать многоклеточную опухолевую ткань с присущими ей свойствами. Также данная модель дает возможность вносить в ткань не только опухолевые клетки, но и клетки микроокружения, что позволяет имитировать влияние окружающих клеток подобно тому, как это происходит в организме. Фактически эта модель представляет собой переходную модель от in vitro к in vivo, однако она не позволяет изучить метастатический процесс и влияние химиопрепарата на организм [5].

Камера Бойдена представляет собой модель из двух разделенных камер с различной средой, разграниченных между собой мембраной. Такая модель в большей степени дает возможность оценить инвазию, распространение и хемотаксис опухолевых клеток, но к ней редко обращаются из-за наличия более современных моделей [6].

Микрофлюидные системы — это устройства, созданные для имитации микроокружения опухолевой ткани, они также способны имитировать ток жидкостей организма, терморегуляцию, доступ к питательной среде. Фактически данная модель имитирует эксперимент in vivo в in vitro. Такая модель позволяет в более контролируемых условиях оценить рост опухолевой ткани, а также исследовать лекарственные препараты. К сожалению, на данный момент микрофлюидные системы недостаточно развиты для реализации исследований опухолевого процесса на всех этапах. Однако уже сейчас виден потенциал возможного отказа от моделей in vivo в пользу микрофлюидных систем [7].

Трехмерная биопечать — 3D-биопечать матрикса опухолевой ткани, позволяющая имитировать опухолевое окружение. В основе этой технологии лежит применение 3D-биопринтеров, которые по заданной программе послойно печатают (наслаивают) матрикс из биочернил как каркас для дальнейшей печати с последующей печатью клетками, сохраняющими жизнеспособность. Далее модель отправляют в биореактор, где клетки инкубируются и вырастают [3].

Вторым, наиболее распространенным направлением клеточных моделей является культивация in vivo.

Учитывая, что причиной большей части смертей при онкологических заболеваниях является метастазирование, существует необходимость создания модели, позволяющей оценить такой процесс, в которой развитие опухолевой ткани, процессы метастазирования, гистологическое строение, ответ организма должны быть схожи с таковыми у человека [8].

Существует также необходимость в оценке влияния лекарственных препаратов не только на опухолевые клетки и опухолевую ткань, ее микроокружение, иммунный ответ, но и на организм в целом. Для этих задач активно используются модели in vivo — модели животных [9].

В литературе встречаются описания различных моделей животных: свиней, крыс, куриных эмбрионов, рыбок вида Danio Rerio, обезьян, мышей [10]. Показано, что модели на основе экспериментальных животных имеют свои плюсы и минусы. Например, у свиней схожее анатомическое строение с человеком, сопоставимые процессы канцерогенеза и метаболизма с таковыми у человека, но их высокая стоимость, низкая перевиваемость опухолевой ткани, сложность в проведении долгосрочных исследований лимитируют использование данной модели [11].

Исторически крысам как животным моделям уделялось меньше внимания, в связи с этим разнообразие иммунодефицитных крыс ниже, чем мышей, хотя крысиные модели обладают рядом преимуществ [11].

Одной из самых распространенных моделей является мышиная модель, которая имеет целый ряд преимуществ: низкая стоимость, малый размер, простота разведения и содержания [8].

Для проведения онкологических экспериментов применяются различные линии лабораторных мышей.

Чтобы достичь максимально достоверный результат и воспроизводимость эксперимента, необходимо минимизировать переменные, которые могут влиять на лабораторных животных. Для этой цели были выведены СПФ-мыши — животные, свободные от патогенной и условно-патогенной микрофлоры [12].

Еще одной проблемой при проведении экспериментов на животных стало влияние генетической разнообразности последних. Это стало отправной точкой для начала разведения лабораторных животных, что впервые было выполнено в США в 1906 г. [13]. В связи с этим требовалось выведение определенных генетических линий животных. К основным линиям лабораторных животных, в том числе мышей, относят аутбредных, инбредных, трансгенных, нокаутных, коизогенных, рандомбредных и стандартных животных [14].

В России наиболее часто для экспериментов используют иммунодефицитных мышей линии BALB/C NUDE (NU/J), у которых наблюдается два основных дефекта: ненормальный рост волосяного покрова и почти полное отсутствие его во взрослом возрасте, а также нарушения в развитии эпителия тимуса. Мыши Nu/J атимичны; гомозиготные голые мыши не имеют T-клеток и проявляют недостаточность клеточно-опосредованного иммунитета. У гомозиготных голых мышей выявлено также частичное нарушение развития B-клеток. Иммунодефицитные мыши NOD-Prkdcscid Il2rgem1/Smoc (NOD/SCID) характеризуются дефицитом B- и T-клеток. Особенность данных аллелей мышей заключается в отсутствии имплантационного иммунитета, что позволяет подкожно перевивать им опухолевые клетки [15, 16].

Исходя из задач онкологического исследования, выбирают ту или иную мышиную аллель для моделирования эксперимента.

Опухолевые модели можно разделить на 3 большие группы: перевиваемые, автохтонные спонтанные и индуцированные канцерогенами [17].

Перевиваемые опухолевые модели

Одной из таких моделей является асцитная опухоль. Так, в 1932 г. Ловенталь получил асцитную опухоль Эрлиха, а позднее Кляйн исследовал рост опухолей в перитонеальной полости, доказав, что асцитная опухолевая модель может применяться для различных опухолей. Эта модель реализуется просто, но за счет введения опухолевых клеток в брюшную полость не позволяет полноценно изучать метастатический процесс [18].

Существуют солидные метастазирующие модели, зависящие от пути распространения. Первый путь — метастазирование моделируется с помощью введения опухолевых клеток непосредственно в кровеносное русло. В этом случае мы моделируем непосредственно метастатическое поражение без развития первичной опухоли. При втором пути первично перевивается или индуцируется опухоль, которая в последующем метастазирует. Это позволяет оценить закономерности метастазирования различных опухолей [19].

Ксеногенные модели с использованием иммунодефицитных мышей

Экспериментальная модель, при которой опухолевые клетки перевиваются непосредственно от человека. Первично для перевивки из опухолевых клеток создаются ксенографты (patient-derived xenograft, PDX), которые в дальнейшем перевиваются иммунодефицитным мышам. К плюсам данной модели относится то, что исследование проводится на конкретном фенотипе опухолевой ткани, а также воссоздается опухолевое микроокружение, но далеко не все человеческие опухоли способны приживаться у мышей и использоваться в качестве мышиной модели. Ксеногенные модели подразделяются на два типа в зависимости от области перевивки: гетеротопические и ортотопические. При гетеротопической перевивке опухолевые клетки вводятся в зону, изначально не связанную с исходной локализацией, при ортотопической перевивке опухоль переносится в соответствующий анатомический орган [20, 21].

Модели с использованием гуманизированных мышей

Особенностью этой модели является то, что мышам с иммунодефицитом перевивают человеческие стволовые клетки, воссоздавая микроокружение человеческих тканей. Такие манипуляции позволяют оценить влияние лекарственной терапии на опухолевые клетки в среде, приближенной к человеческому организму. Однако сложность создания такой модели препятствует распространению данного метода [22].

Автохтонные спонтанные модели

Наиболее простой моделью, относящейся к этму виду, является селекция аллелей мышей, склонных к опухолевым заболеваниям. Они делятся на низкораковые и высокораковые линии мышей. Особенность таких животных заключается в том, что аллели мышей имеют одинаковые признаки, а это — главный фактор воспроизводимости эксперимента. При этом нельзя забывать, что это мышиные опухоли и, несмотря на сходство, человеческими не являются [23].

Генно-инженерные модели (GEM)

В этой модели в геном мышей вносятся изменения, что позволяет индуцировать развитие опухолевой ткани, а также моделировать различные этапы опухолевого процесса. Ввиду внесения запланированных изменений опухолевая модель имеет более сходную структуру с человеческой, но ряд спонтанных мутаций может нарушать гистологическую структуру опухоли. Опухоли у данных мышей реже метастазируют, что ухудшает прогностический анализ. Также нельзя забывать про сложность создания таких моделей мышей и их высокую стоимость. На данном этапе эта модель имеет ограничения [10].

Виды генно-инженерных моделей

Germline GEM. Такая мышиная модель создается путем введения ДНК в ядро зиготы. Эта манипуляция изменяет экспрессию различных генов-мишеней в клетках, что приводит к появлению опухолей [24].

GEM без использования зародышевых клеток. Такая модель основана на использовании специальной системы Cre/loxP, что позволяет вводить мутации в конкретные клетки организма [25].

Классические трансгенные модели. Данные модели основаны на том, что после получения зигот от мышей изучаются их гены с последующим выделением участков, регулирующих необходимый процесс. В дальнейшим проводится инъекция нужной последовательности необходимому количеству эмбрионов, что приводит к получению целого ряда мышей с необходимой характеристикой [26].

Битрансгенные тетрациклин-индуцируемые модели мышей. В этой модели экспрессия генов связана с индуктором. Введение специфического индуктора позволяет вызывать необходимые проявления, что является регулятором экспрессии [24].

Классические нокаут-модели. Данные модели основаны на замене обычной ДНК на рекомбинантную, в ходе которой инактивируется ген-супрессор опухоли, что позволяет моделировать необходимую опухоль [27].

Канцероген-индуцированные модели

Название этой модели говорит само за себя. В ней появление и рост опухолевых клеток вызывают канцерогены — вещества, имеющие различную химическую природу, в зависимости от которой возникает тот или иной вид опухолевого роста. Учитывая, что механизм развития опухоли в данной модели у мышей схож с таковым у человека, такая модель позволяет изучить механизмы канцерогенеза, а также выявлять новые канцерогены [28].

Наиболее частыми канцероген-индуцированными опухолевыми моделями являются: уретан-индуцированная модель — развитие новообразований легких с их мутацией, характерных для человека [28]; гетероциклические амины применяются для моделирования опухолей желудочно-кишечного тракта [25], бенз(а)пирен — для индукции опухолей легких [29].

Несмотря на высокие достижения и обнадеживающие результаты лечения опухолевых заболеваний, необходимость разработки новых противоопухолевых препаратов остается актуальной. Для этого используют все созданное многообразие опухолевых моделей, что обусловлено различием целей и задач лабораторных исследований. Однако в процессе углубленного изучения канцерогенеза, генетических мутаций и механизмов противоопухолевого действия существует потребность в дальнейшей разработке и создании перспективных моделей, отвечающих современным требованиям. В настоящее время проводятся исследования в этом направлении. Появляются новые линии лабораторных животных: носители различных мутаций, в том числе спонтанных или целевых; с измененной областью кодирования семейства различных генов с помощью специального сконструированного целевого вектора, полученных посредством геномной интеграции трансгена и др.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.