癌症的治疗一直是医药发展中非常重要的领域。虽然目前不断有非动物方法用于癌症研究，然而在实际应用中，对于新疗法的开发、研究全身转移机制的探索、高强度治疗方案的副作用或耐药性研究，以及肿瘤与其微环境之间的相互作用等问题，动物模型在临床前研究中仍然不可或缺。


在癌症动物模型中，啮齿类模型最为常见，应用也最为广泛。然而，这些实验动物在试验过程中其福利应该如何保障？仅仅靠设定肿瘤模型等人道终点是否足够？


本文聚焦于3Rs原则中的“优化（Refinement）”环节，介绍从肿瘤植入到监测及安乐死终点（humane endpoints， HEPs）的设定，提出全流程的优化建议。本文首先围绕肿瘤植入方法展开，从模型选择、细胞/组织准备、操作技术以及部位选择四大维度提出优化建议：

常用鼠肿瘤模型

1. 致癌模型（Carcinogenic model）

• 原理：通过物理或化学致癌物（如放射性物质、化学致癌分子）诱导实验动物体内产生肿瘤。

• 用途：模拟环境或化学因素致癌的致癌过程，多被用于肿瘤起始机制研究。


2. 基因工程模型（Genetically engineered model）

• 原理：通过基因操作（如敲除抑癌基因、过表达癌基因、构建可诱导的基因调控系统或基因编辑）改造小鼠的基因组，使其自发形成肿瘤。

• 用途：用于研究特定基因在肿瘤发生与进展中的作用，并可实现肿瘤形成的时空特异性调控。


3. 同系/同种异体模型（Syn/allogeneic model）

•原理：将来源于啮齿类的肿瘤细胞系（体外可扩增）经皮下（subcutaneous ）或原位（orthotopic）注射接种到同品系或同种属动物体内。

• 用途：用于研究肿瘤生长、转移及免疫应答等基础机制，也可用于药物筛选与初步评估。


4. 异种移植模型（Xenograft model，CLX/PDX）

• 原理：将人源肿瘤细胞系或人源原发肿瘤组织/类器官通过注射或植入的方式接种到免疫缺陷小鼠体内（皮下或原位）。

• 分类：

a.CLX：人源肿瘤细胞系异种移植模型；

b.PDX：人源肿瘤组织异种移植模型，可更真实反映临床肿瘤的异质性。

• 用途：广泛用于肿瘤生物学研究与药物疗效评估，尤其在人类肿瘤药物研发中具有重要意义。


5. 人源化模型（Humanized model，CLX/PDX）

• 原理：在异种移植模型基础上，向免疫缺陷小鼠体内注入人源免疫细胞或造血干细胞，并同时接种人源肿瘤细胞系或人源原发肿瘤组织/类器官（皮下或原位）。

• 用途：用于研究肿瘤与人类免疫系统的相互作用，尤其适用于免疫治疗药物的研发与评价。


此外，患者来源异种移植（PDX）、基于细胞系或类器官的异种移植模型、人源化小鼠模型，以及自发性、化学诱导或基因工程（GEM）原位模型，均可根据研究目的灵活选择与优化。

肿瘤植入方法的优化

1.      模型与动物选择优化

• 优先参考已建立模型的文献和同行经验，了解肿瘤生长模式、转移概率及副肿瘤综合征（paraneoplastic syndromes)。例如，应评估是否存在恶病质等并发风险，以避免盲目选用模型。

• 若为新模型，需先开展预实验，分析模型特异性特征（如肿瘤生长速度、对动物福利的影响），以确定是否适宜进行大样本动物实验。

• 精准匹配小鼠品系：根据肿瘤类型选择遗传背景和免疫状态适配的品系（如免疫缺陷小鼠用于异种移植，免疫健全小鼠用于同系移植），以减少宿主排斥或免疫干扰对实验结果的影响。


2. 肿瘤细胞/组织准备优化

• PDX肿瘤移植：需选用未发生溃疡、出血或坏死的肿瘤组织中活跃分裂区域，确保移植成功率。

• 细胞系移植：移植前需保证细胞存活且增殖状态良好，融合度低于80%，防止因细胞状态不佳导致成瘤率下降。

• 病原体筛查：必须检测细胞/组织是否感染支原体或其他病原体（PDX需额外筛查人类病原体），防止实验结果偏差或引发动物群体感染。


3. 植入操作技术优化

• 人员与无菌要求：由经过专业培训的人员操作，全程采用无菌技术，防止感染。肿瘤组织操作需使用专用手术器械，并与非肿瘤组织器械严格分开，以防止交叉污染或肿瘤细胞外泄。

• 麻醉与镇痛：采用多模式镇痛方案（如局部麻醉+全身镇痛），术前预防性阵痛，术后阵痛至少持续48-72小时（如剖腹术等疼痛操作），同时应控制麻醉深度，避免过深或过浅影响动物生理状态。

• 操作细节把控：尽量缩小手术切口（如需开刀）以减轻术后疼痛；根据动物种类和目标器官选择合适的针头规格与注射体积，避免组织损伤。肿瘤组织采集后应尽快完成移植以保证细胞活性。

4. 植入部位选择优化

• 皮下（SC）移植：优先选择背部或侧部，避开头部、足垫、大腿内侧等影响动物活动的部位；单只动物最多植入2个部位，并保持足够间距，防止肿瘤融合或运动受限。

• 乳腺移植：小鼠推荐选择第3或第4对乳腺，避开第1对及靠后的第5对（小鼠）或第6对（大鼠）乳腺，以减少运动影响。注射体积控制在20-30μl，组织块不超过3×3mm。可通过<3mm微小切口暴露脂肪垫进行注射，以降低创伤。导管内注射无需剪开乳头，应在立体显微镜下使用30-34 G细针，注射前去除乳头开口处死皮。

• 颅内移植：使用立体定位仪并配合不穿透鼓膜的耳杆；采用颅内专用细针，注射体积不超过5μl，速度控制在1μl/min。注射结束后停留1-2分钟再缓慢拔针，并用生理盐水冲洗颅骨，避免异位成瘤。

• 肺部移植：优先选择非手术性气管滴注法（替代经皮穿刺），减少胸腔出血或气胸风险。操作中可使用光纤灯或手术显微镜辅助定位声带，选用塑料套管替代金属针以降低气道损伤。注射体积小鼠控制在30-50μl，成年大鼠100μl，避免过量导致呼吸异常。

• 腹腔内移植：如需剖腹，应尽量缩小切口，轻柔操作内脏（用棉签辅助，避免挤压），脏器外露时用温生理盐水保持湿润，术后分层缝合（腹膜/肌肉+皮肤）。推荐优先采用超声引导等微创方式替代传统剖腹术，以显著降低死亡率（例如直肠内注射模型的死亡率远低于剖腹产）。

• 其他特殊部位移植

a. 静脉注射：首选侧尾静脉，使用最小规格针头（根据细胞大小调整），注射前将尾部预热至37℃以促进血管扩张。可选眶后静脉窦注射作为替代方案，成功率高且动物不适较轻。

b. 骨内注射：优先选择股骨注射（术后损伤小于胫骨注射）。胫骨注射应使用30G针头（替代传统26G），避开髌腱，每只动物仅注射一侧，减少跛行风险。

c.肌肉注射：尽量避免该途径，若必须进行，选择股四头肌或尾侧大腿肌肉，注射体积≤50μl，并使用27G或更细针头，以减少肌肉胀痛和运动干扰。


综上所述，癌症动物模型动物的“优化”是一项覆盖全流程的系统性理念。它需要在模型建立、操作与监测的各个环节中，最大限度减少动物不适与痛苦，提升其生活质量。这一原则不仅有助于保障动物福利，也能提高实验数据的可靠性、重复性与再现性。