小鼠模型虽然可以为人类肿瘤的研究提供有用工具，但有时并不理想，因为毕竟人和小鼠在遗传、生理 / 病理方面存在着巨大差异。对于 IO 研究，肿瘤和免疫系统都可能存在种属差异，生物标志物、抗肿瘤药物靶点、药物反应性、治疗有效性都有不同之处。
通过基因工程的方法，包括经典的转基因技术、基于胚胎干细胞基因打靶的基因敲出 / 敲入技术以及新兴的基因编辑技术将人源基因导入小鼠基因组，可以建立基因「人源化」小鼠。这种小鼠体内表达某种研究者感兴趣的人特有的蛋白，成为在分子水平上的人鼠嵌合体。这种人源化可以遗传给后代，使其成为有特殊用途的新品系小鼠。基因人源化小鼠在许多领域得到应用，包括肿瘤免疫治疗研究。
免疫检查点（immune checkpoint）是近年来发现的利用自身免疫功能抗肿瘤的重要药物靶点。针对 PD1/PDL1 这一对 「免疫刹车」信号分子的单抗药物已被证明具有强大的抗肿瘤效用。由于这些抗体药物都是针对人的靶点设计和筛选的，它可能只识别、结合人的 PD1、PDL1，就无法用动物做临床前体内评估实验。
为了解决这个问题，可以通过基因编辑技术将小鼠的 PD1、PDL1 基因替换为人的基因，这样小鼠的细胞上就表达人的 PD1、PDL1，可以用来试验抗人 PD1、PDL1 抗体药的作用。在做基因编辑的设计时，为了保证这些信号分子与小鼠细胞内信号转导分子之间的相互作用正常进行，一般只替换蛋白分子的胞外区基因片段，使其表达人的抗原靶位，而保持小鼠源的胞内区。
以人源化 PD1 小鼠的应用为例，评价抗 PD1 抗体药的抗肿瘤效果时，先在这种小鼠上接种一个表达 PDL-1(这个分子在人鼠之间同源性较高) 的同背景肿瘤细胞（如小鼠结肠癌细胞系 MC38），然后就可以用荷瘤模型给药来评估有无抑制肿瘤的效果。如果药物可以阻断 PD1/PDL1 之间的结合，解除免疫抑制，免疫系统活化，重新开始攻击肿瘤，就可以观察到小鼠肿瘤的生长抑制或消退。
基因人源化小鼠应用于肿瘤免疫治疗研究的另一个例子是在双特异性抗体（bispecific antibodies）的体内筛选、评估试验中。有一大类抗肿瘤双特异性抗体药的设计原理是它既可以结合一种人的肿瘤抗原，又可以结合人的 T 淋巴细胞上的 CD3 分子，这样双特异性抗体可以把 T 细胞连接到肿瘤细胞上，同时激活 T 细胞，从而来攻击杀伤肿瘤。由于肿瘤抗原、CD3 分子这两个靶点都是人的，在普通小鼠模型上无法评价这类双特异性抗体。一般 CD3 上的靶点在其ε亚基上，因此可以将 CD3E 基因人源化，然后在其 T 细胞上表达人 CD3E 的小鼠上接种表达有人的特定肿瘤抗原的小鼠肿瘤细胞，这个体系就可以用来测试评估双特异性抗体的抗肿瘤效果。
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