综述：从“模拟”到“真实模型”：基因编辑与人性化改造重新定义了下一代精准肿瘤学动物模型

《Gene》：From “Simulation” to “Mirror”: Gene editing and humanization redefines the next-generation precision oncology animal model

基于多组学整合与基因编辑技术优化肿瘤模型的构建与验证，提出Tumor Model 2.0框架，通过CRISPR-Cas9和Prime Editing实现患者特异性基因重排，结合器官oid-动物耦合系统模拟动态肿瘤微环境，显著提升免疫治疗预测精度与临床转化价值。

　　

王正毅|周亮|明兰

中国电子科技大学医学院四川省人民医院实验动物科学研究所，成都，中国

摘要

患者来源的异种移植（PDX）模型虽然在肿瘤学中得到广泛应用，但存在一些关键限制：它们常常会失去患者特有的基因突变，缺乏免疫识别所需的人类白细胞抗原（HLA）多样性，并且无法再现人体肿瘤微环境（TME）。这些缺陷导致临床转化中免疫疗法的预测失败率超过80%。为了解决这些问题，我们提出了Tumor Model 2.0框架。该框架将多组学数据（全基因组、转录组和蛋白质组）与精准基因编辑技术（CRISPR-Cas9和Prime Editing）相结合，以在多个生物学层面上重建患者特有的突变。通过使用器官类器官-动物耦合平台，并逐步构建免疫系统和重塑微环境——随后在大型动物中进行了验证——该框架能够创建可编程的患者特异性数字孪生体。这些高保真模型支持个性化的N-of-1临床试验，弥合了临床前研究和临床精准肿瘤学之间的差距。

引言

精准肿瘤学的潜力与其基础模型的局限性共同定义了这一领域。传统的细胞系和患者来源的异种移植（PDXs）虽然有助于研究，但无法可靠地预测免疫疗法的反应。这一局限性促使人们转向能够更准确复制肿瘤微环境并提供临床相关见解的实验系统。Tumor Model 2.0框架正是基于这一需求而开发的。它不是取代现有模型，而是通过整合多组学分析、利用基因编辑技术重建患者特异性突变、采用器官类器官-动物混合系统，并根据临床反馈改进模型，从而增强临床前研究。

这一范式解决了传统免疫疗法预测模型中固有的系统性不连续性问题。它建立了一个有序的过程：从多组学设计开始，跨物种重建基因回路，整合器官类器官-动物系统，最后进行临床反向验证。这一进展使我们对肿瘤演化和治疗反应有了更细致的理解。Tumor Model 2.0结合了基因编辑（包括CRISPR、Prime和CRISPR a/i技术）的创新进展以及人性化策略，为分析现有模型的不足提供了基础。这些进展使得从单个核苷酸到整个染色体的患者特异性突变都能被精确操控，并有助于逐步重建免疫、微环境和大型动物的环境。为了阐明本文的概念架构，我们引入了三个关键术语：首先，“镜像模型”指的是与特定患者的肿瘤在基因、免疫和微环境方面达到90%以上一致性的下一代肿瘤虚拟体，实际上起到了体内数字孪生的作用；其次，“双螺旋引擎”指的是精准基因编辑（“基因编写”）和免疫人性化（“免疫读取”）技术之间的双向协同作用，这是Tumor Model 2.0框架的技术核心；最后，“结构-尺度-免疫鸿沟”描述了原子级分子数据、毫米级器官类器官输出与生物体免疫动态之间的方法学不连续性，这目前阻碍了临床转化的连贯性。以下部分将详细分析现有模型中的这三个系统层面的问题（第2节），阐述双螺旋引擎（三个基因编辑工具包——平衡保真度、效率和递送的“权衡三角”），并提出器官类器官-动物耦合作为跨越这一鸿沟的桥梁（第5节）。该模型旨在接近人类生物的复杂性，为药物筛选、治疗优化和个性化临床试验设计提供一个强大的平台。

技术细节

概念转变：从人工模拟到生物镜像

在剖析具体的技术缺陷之前，我们首先概述了从传统PDX模型（仅在免疫缺陷背景下模拟肿瘤生长）到“镜像”范式的认识论转变，后者旨在以足够高的保真度复制患者的肿瘤生态系统，以支持N-of-1临床试验。这一转变需要克服三个嵌套的不连续性（基因漂变、HLA不匹配和TME的鼠源化），并逐步提升分辨率（图1，表1）。

基因编辑工具包——平衡保真度、效率和递送的“权衡三角”

治疗性基因编辑中的一个基本挑战是保真度（靶向特异性）、效率（编辑产量）和递送（体内定位）之间的固有“权衡三角”，同时在这三个领域实现最佳性能一直是个难题（Li, 2020; Addissouky, 2024）。在保真度、效率和递送方面达到临床意义水平的提升仍是该领域的核心瓶颈，需要取得实质性进展。

“基因编写”螺旋：技术实现

如第2.3节所述，双螺旋引擎需要解决保真度-效率-递送之间的权衡问题。本节详细介绍了“基因编写”组件，重点介绍了下一代编辑技术（PE4/5、sPE、CRISPR a/i）和递送矩阵，这些技术能够精确重建患者特有的突变（分辨率金字塔的第①-③层），从而构建镜像模型。

人性化2.0时代：免疫-微环境-大型动物的“三重飞跃

“免疫读取”螺旋和微环境扩展。作为第3节中基因编写工具的补充，本节详细阐述了双螺旋引擎的“免疫读取”部分。我们介绍了免疫系统（Immune 2.0）、肿瘤微环境（TME 3.0）和大型动物宿主的逐步人性化过程，这些共同解决了分辨率金字塔的第④层（免疫组）和第⑤层（动态相互作用），将免疫缺陷宿主转化为具有免疫能力的“患者替代体”。

器官类器官-动物整合：跨越“结构-尺度-免疫”鸿沟的耦合技术

“结构-尺度-免疫”不连续性是当代生物医学研究中的一个核心瓶颈，它割裂了分子机制与生物体功能之间的联系。当依赖单一平台模型时，会导致数据集的碎片化和矛盾。所谓“结构鸿沟”指的是原子级分子复合体（如通过冷冻电镜或AlphaFold解析的复合体）无法直接映射到天然组织结构中的挑战。

器官类器官-动物整合的瓶颈与解决方案

虽然第5节概述了将器官类器官与宿主动物耦合的战略架构（mv-PDOs、动态共移植和同步基因编辑），但本节探讨了限制这些技术临床转化的具体工程障碍。每个小节都对应上述耦合策略中隐含的具体技术难题。

未来展望：迈向“可编程肿瘤”

“可编程肿瘤”模型的实现将主要依赖于下一代基因编辑技术所提供的精确性、灵活性和可调性。条件性基因开关（如光或小分子诱导的CRISPR a/i模块）能够实现对肿瘤相关基因表达的时空控制，使研究人员能够以前所未有的时间分辨率模拟肿瘤发生和疾病进展。这种可编程性不仅明确了分子机制

结论

基因组工程、免疫学和计算建模的结合为下一代肿瘤建模平台的创建指明了方向。得益于基因编辑、人性化策略和器官类器官-动物整合的进步，该领域正迅速朝着“可编程肿瘤虚拟体”的概念发展。尽管肿瘤类器官的功能不成熟和宿主整合的不稳定性等挑战仍然存在，但每项技术都在

出版同意

我们是以下论文的唯一作者：“从‘模拟’到‘镜像’：基因编辑×人性化重新定义下一代精准肿瘤动物模型”。我们郑重声明并同意以下条款：本手稿是我们的原创作品。所有数据、观点和结论都是真实可靠的，没有学术不端行为（如抄袭），也未在其他公共平台或出版物上发表。

作者贡献

所有作者都做出了同等贡献。所有作者都对手稿的完成起到了重要作用，并批准了最终版本。各位作者的贡献如下：Z.W.负责构思研究、收集和分析数据，撰写主要手稿文本和图表；L.Z.撰写了手稿初稿，同时协助收集数据和整理文献，并完善了图表的框架。

CRediT作者贡献声明

王正毅：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，监督，方法学，资金获取，数据管理，概念化。周亮：撰写——初稿，监督，资源管理，项目管理，资金获取，形式分析。明兰：可视化，验证，监督，资源管理，方法学，调查，数据管理。

伦理审批和参与同意

本研究未涉及人类受试者或动物实验，因此不需要伦理审查。

资助

四川省省级科研机构的基本科学研究经费（项目编号：2024JDKY0025）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或可能影响本文研究的个人关系。

致谢

特别感谢四川省医学科学院和四川省人民医院图书馆提供了大量历史文献供我们借用，以及电子资料供参考。