李克娟，黃 昊，高 苒

(北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院比較醫(yī)學(xué)中心，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所，北京 100021)

人源腫瘤異種移植模型在精準(zhǔn)腫瘤醫(yī)學(xué)中的研究進(jìn)展

李克娟，黃 昊，高 苒*

(北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院比較醫(yī)學(xué)中心，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所，北京 100021)

癌癥是由于物理、化學(xué)、病毒等致癌因子導(dǎo)致的原癌基因和抑癌基因突變從而引發(fā)的一系列異質(zhì)性疾病的統(tǒng)稱(chēng)。盡管近年來(lái)高通量測(cè)序技術(shù)與靶向治療取得了突破性的進(jìn)展，但是臨床轉(zhuǎn)化研究的高失敗率使得抗腫瘤藥物的創(chuàng)新發(fā)展十分有限。人源腫瘤異種移植模型(patient-derived xenograft model，PDX模型)是指直接將病人的新鮮腫瘤組織移植到免疫缺陷小鼠上，依靠小鼠提供的環(huán)境生長(zhǎng)的一種異種移植模型。這種模型保留了原代腫瘤的基質(zhì)異質(zhì)性、組織學(xué)特性、分子多樣性以及微環(huán)境，為臨床前藥效的個(gè)性化篩選評(píng)估以及生物標(biāo)志物的鑒定提供了有效的研發(fā)資源。PDX模型結(jié)合臨床數(shù)據(jù)，基因組圖譜以及藥效數(shù)據(jù)可以增加藥物特異性，應(yīng)用于腫瘤患者個(gè)體化治療，提高臨床治療成功率。本文就PDX模型研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，包括其在腫瘤新療法中的應(yīng)用、挑戰(zhàn)性與局限性、以及在精準(zhǔn)腫瘤醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景。

人源性腫瘤異種移植；PDX模型；個(gè)性化治療；精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)

癌癥是由于多種致癌因素激活原癌基因或(和)滅活腫瘤抑制因子，使細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)化并無(wú)限增殖，且與腫瘤基因信號(hào)通路相關(guān)的一類(lèi)基因組疾病的統(tǒng)稱(chēng)[1]。高通量測(cè)序技術(shù)的最新進(jìn)展已經(jīng)闡明了多種癌癥的突變過(guò)程并提供了一個(gè)全面的癌癥基因目錄[2-6]。此外，癌癥基因組分析也表明癌癥通常是一種高度異質(zhì)性的疾病，即使是基因突變水平以及腫瘤組織病理結(jié)果一致的同種類(lèi)型的癌癥也存在異質(zhì)性。這種普遍存在的異質(zhì)性可以在某種程度上解釋為什么同一種癌癥類(lèi)型的患者對(duì)某種特定的治療表現(xiàn)出不同的療效。隨著基因組測(cè)序技術(shù)以及生物信息與大數(shù)據(jù)科學(xué)的交叉應(yīng)用，新型醫(yī)學(xué)概念與醫(yī)療模式逐漸發(fā)展。美國(guó)醫(yī)學(xué)界在2011年首次提出精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的概念，2015年美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬又在國(guó)情咨文中提出“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計(jì)劃”，希望精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)可以引領(lǐng)一個(gè)醫(yī)學(xué)新時(shí)代。精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的本質(zhì)是通過(guò)精確基因組分析，將患者分為小亞群，通過(guò)個(gè)體或亞群的精確分類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)體化精準(zhǔn)治療。

大量的基因組分析已經(jīng)鑒定出了多種腫瘤相關(guān)基因，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了許多潛在的靶向治療位點(diǎn)，目前有很多臨床藥物就是根據(jù)這些潛在的靶向位點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，其中包括伊馬替尼(imatinib)，該藥物通過(guò)靶向BCR-ABL1融合蛋白治療慢性粒細(xì)胞白血病[7]；曲妥珠單抗(transtuzumab)是通過(guò)靶向HER2治療乳腺癌與胃癌[8]；吉非替尼(gifitinib)和厄洛替尼(erlotinib)是通過(guò)靶向EGFR突變治療肺癌[9]；克唑替尼(crizotinib)則是通過(guò)靶向EML4-ALK融合蛋白治療肺癌[10]。除了將這些藥物轉(zhuǎn)化到臨床，靶向治療的快速發(fā)展也促進(jìn)了人們對(duì)根據(jù)個(gè)體化腫瘤的分子分型而制定的個(gè)體化治療方案理念的認(rèn)同[11]。目前基因組分析和靶向治療的結(jié)合已經(jīng)應(yīng)用到幾乎所有類(lèi)型的腫瘤治療。

抗腫瘤藥物的創(chuàng)新發(fā)展常因?yàn)榕R床試驗(yàn)的高失敗率而受到制約。目前抗腫瘤藥物的臨床試驗(yàn)成功率低于15%，針對(duì)實(shí)體瘤的成功率則更低[12]。盡管靶向治療具有巨大的潛力，但是在實(shí)際操作過(guò)程中有相當(dāng)多的腫瘤都難以被靶向藥物識(shí)別。這是因?yàn)樵谝粋€(gè)特定的腫瘤中，基因組的不穩(wěn)定性導(dǎo)致了多種腫瘤相關(guān)的原癌基因或抑癌基因發(fā)生改變進(jìn)而增加了腫瘤細(xì)胞表型的復(fù)雜性。此外，腫瘤本身就是一個(gè)異質(zhì)細(xì)胞的集合體，其中包括腫瘤細(xì)胞，成纖維細(xì)胞，血管內(nèi)皮細(xì)胞以及免疫細(xì)胞，甚至來(lái)自同一患者的腫瘤細(xì)胞在基因組和轉(zhuǎn)錄組中均可表現(xiàn)出多樣化的特征，這些都可以體現(xiàn)腫瘤的異質(zhì)性。因此，在多數(shù)情況下，藥物療效預(yù)測(cè)并不能通過(guò)簡(jiǎn)單的基因組分析來(lái)進(jìn)行全面的預(yù)期評(píng)估。

為了克服這些局限性，針對(duì)腫瘤的基因組改變，醫(yī)學(xué)研究者們迫切需求更加精準(zhǔn)更加全面的分析以及藥物療效預(yù)測(cè)評(píng)估的方法。人源腫瘤移植模型(patient derived xenograft model，PDX模型)是指將病人的新鮮腫瘤組織移植到免疫缺陷小鼠上，依靠小鼠提供的環(huán)境生長(zhǎng)的一種異種移植模型。這種模型為臨床前藥效篩選及評(píng)估提供了有效的研發(fā)資源。本文就PDX模型研究進(jìn)展以及在精準(zhǔn)腫瘤醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 人源腫瘤移植模型(PDX模型)

傳統(tǒng)的的體內(nèi)藥敏測(cè)試方法是將鼠源或人源細(xì)胞在體外篩選，經(jīng)過(guò)傳代培養(yǎng)，建立穩(wěn)定細(xì)胞株，然后移植到小鼠體內(nèi)建立腫瘤模型，這種模型的建立在腫瘤研究中的應(yīng)用已有半個(gè)世紀(jì)[13]，但是這種模型存在一定的缺陷，因?yàn)檫B續(xù)傳代的腫瘤細(xì)胞株適應(yīng)了外界培養(yǎng)皿的環(huán)境，丟失了腫瘤異質(zhì)性，因此不能客觀反應(yīng)原代腫瘤的情況。PDX模型是一種直接將病人的新鮮腫瘤細(xì)胞或組織通過(guò)原位或者是異位(多為皮下或腎包膜)等方式移植到免疫缺陷小鼠上，依靠小鼠提供的環(huán)境生長(zhǎng)的一種動(dòng)物模型。其最重要的優(yōu)勢(shì)就是可以高度保留患者腫瘤的組織學(xué)特性，遺傳學(xué)特征以及腫瘤特異性，同時(shí)也包含了原代腫瘤的微環(huán)境，包括細(xì)胞外基質(zhì)，免疫細(xì)胞以及腫瘤微環(huán)境因子[14]。PDX模型是目前為止最接近臨床研究的相關(guān)腫瘤模型，這種模擬人腫瘤特異性的模型對(duì)腫瘤臨床前期評(píng)估、治療和預(yù)后具有重要的轉(zhuǎn)化意義，有望為腫瘤患者個(gè)體化治療帶來(lái)新突破。

PDX模型的建立方法是將新鮮外科手術(shù)腫瘤組織或活檢組織通過(guò)皮下[15]或原位種植到免疫缺陷小鼠身上，也有將腫瘤種植到血供更為豐富的腎包膜下[16]。接種到小鼠身上的腫瘤需要被剪切成2～4 mm大的碎片然后重新種植到新的小鼠身上進(jìn)行傳代。用于建立PDX模型的小鼠根據(jù)免疫缺陷程度可以分為BALB/c Nude，SCID，NOD SCID，NSG 小鼠以及NOG小鼠。其中NSG小鼠(NOG小鼠)不但缺乏T細(xì)胞、B細(xì)胞和NK細(xì)胞，而且細(xì)胞因子信號(hào)傳遞能力缺失，對(duì)人源細(xì)胞和組織幾乎沒(méi)有排斥反應(yīng)，是目前國(guó)際公認(rèn)的免疫缺陷程度最高、最適合人源細(xì)胞或組織移植的工具小鼠。

一般來(lái)說(shuō)，PDX移植瘤的成瘤時(shí)間在2～4個(gè)月[15]，在藥物敏感性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，移植瘤小鼠應(yīng)在早期世代進(jìn)行傳代擴(kuò)增。PDX建模的成功率(以獲得可以傳代的PDX腫瘤為標(biāo)準(zhǔn))在23%～75%之間[17]，與腫瘤類(lèi)型密切相關(guān)(表1)。據(jù)報(bào)道，結(jié)直腸癌(64～89%)與胰腺癌(62%)具有較高的移植率，但是乳腺癌(13%～27%)的成功率則較低[18,19]。此外，腫瘤標(biāo)本的惡性程度以及分化程度對(duì)移植的成功率影響也較大，惡性程度高、分化程度低的腫瘤移植成功率較高[20]。移植位點(diǎn)也是影響移植瘤生長(zhǎng)的一個(gè)重要影響因素。皮下移植因其操作簡(jiǎn)單、容易觀察、方便定期測(cè)量和適合傳代等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，但成功率相對(duì)較低，約為40%～60%[21]。在皮下異種移植模型中，其腫瘤一般局限于皮下成團(tuán)生長(zhǎng)，很少出現(xiàn)轉(zhuǎn)移擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移瘤。腎包膜下移植因其血供比較豐富，成功率能達(dá)到95%以上[22]。但是腎包膜下移植也有它的局限性，包括腎包膜脆弱操作困難、對(duì)受體小鼠的損傷較大、且易導(dǎo)致感染等。與其他兩種移植位點(diǎn)相比，原位移植更加貼近腫瘤微環(huán)境，尤其是在研究癌癥轉(zhuǎn)移方面，原位移植模型最為理想[25]。但是由于原位移植對(duì)移植者的技術(shù)要求較高，建模比較困難，也阻止了其廣泛應(yīng)用。此外，移植成功率還被報(bào)道與激素補(bǔ)充劑有關(guān)，在乳腺癌中，給雌鼠補(bǔ)充雌二醇顆?？梢詫⒊晒β蕪?.6%提高到21.4%[26]，而在前列腺癌中，給NOD SCID雄鼠補(bǔ)充睪丸素可將成功率提高至38.9%[23]。因此，腫瘤類(lèi)型、腫瘤惡性程度、移植方式以及激素補(bǔ)充劑等是影響腫瘤異種移植成功率的重要因素。

表1 PDX模型成瘤率總結(jié)

大量的研究表明，PDX模型高度保真并保留了原代腫瘤的組織病理學(xué)、遺傳學(xué)特征以及腫瘤異質(zhì)性[27]。此外，全面的基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)分析表明PDX腫瘤在很大程度上保留了原代腫瘤中大多數(shù)的關(guān)鍵基因與信號(hào)通路活性[28,29]。在乳腺癌PDX模型中也會(huì)在臨床相關(guān)位點(diǎn)發(fā)生自發(fā)性轉(zhuǎn)移，包括胸腺、肺、骨及腹膜[30]。在一些傳代實(shí)驗(yàn)中，反復(fù)種植同一個(gè)腫瘤可以相對(duì)高度地保留基因組偏差，這在結(jié)直腸癌、乳腺癌以及胰腺癌中均有報(bào)道[28, 31,32]。但是也有些報(bào)道發(fā)現(xiàn)了PDX特有的核苷酸突變，這有可能是由腫瘤對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)性或在原代腫瘤中低于可檢測(cè)極限的亞克隆過(guò)度生長(zhǎng)所導(dǎo)致的[33,34]。

2 PDX模型應(yīng)用

PDX模型已被證實(shí)是一個(gè)很有意義的在多種腫瘤類(lèi)型臨床前藥物測(cè)試的研究工具。研究發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸癌、胰腺癌患者與相應(yīng)的PDX模型對(duì)西妥昔單抗和吉西他濱均表現(xiàn)出相同的反應(yīng)性[31, 36, 44]。貝伐單抗在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(GBM)患者與PDX模型中均沒(méi)有改善生存期，且使腫瘤變得更具侵略性和侵襲性[49]。白蛋白結(jié)合型紫杉醇和吉西他濱的聯(lián)合療法通過(guò)PDX實(shí)驗(yàn)證實(shí)對(duì)胰腺癌具有效果[51]，該療法隨后被報(bào)道在一個(gè)隨機(jī)III期臨床研究中成功地為晚期胰腺癌患者提供了生存獲益[52]。PDX模型在臨床前的靶向藥物研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)樵谠u(píng)估了PDX模型的基因組特性之后，一個(gè)具有相同基因組特征的PDX模型子集可以被用來(lái)評(píng)估靶向治療的效果。例如，pan-RAF和SRC家族激酶雙重抑制劑的作用就是先前已知的BRAF抑制劑敏感和耐受的黑素瘤PDX模型中評(píng)估的[53]。此外，靶向藥物和細(xì)胞毒性藥物組合治療，也可以在之前特定的PDX模型中得到測(cè)試，如Park團(tuán)隊(duì)[54]最近利用胃癌PDX模型驗(yàn)證了BCL2L1抑制劑和伊立替康聯(lián)合治療的功效。

將PDX模型更加系統(tǒng)地應(yīng)用到腫瘤藥物研發(fā)資源開(kāi)發(fā)上面，需要建立生物庫(kù)或PDX腫瘤生物樣本庫(kù)，尤其是基因組高度特異性的PDX庫(kù)是發(fā)展高級(jí)診斷和癌癥治療的寶貴資源[55]。最近國(guó)際上已經(jīng)有一些研究團(tuán)隊(duì)建立了PDX資源庫(kù)，并且現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始嘗試建立合作網(wǎng)絡(luò)化PDX生物銀行。比如，EurO PDX就是由16個(gè)歐洲機(jī)構(gòu)聯(lián)合組成的PDX模型庫(kù)，旨在發(fā)展建立臨床相關(guān)和標(biāo)注的PDX網(wǎng)絡(luò)庫(kù)，據(jù)稱(chēng)已經(jīng)擁有1500個(gè)PDX模型[35]；美國(guó)國(guó)家癌癥研究所(NCI)的初期目標(biāo)是建立1000個(gè)PDX模型，目前數(shù)量已經(jīng)完成約三分之一；美國(guó)的杰克遜實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)擁有超過(guò)450個(gè)PDX模型；以諾華公司為代表的制藥公司于2015年發(fā)布的藥物篩選工具便使用了1000多個(gè)PDX模型。這些模型將幫助醫(yī)學(xué)研究者們更好的研究癌癥的遺傳復(fù)雜性。

隨著基因組高度明確的PDX模型收集以及藥物敏感性和耐藥性相關(guān)的生物標(biāo)志物逐漸被識(shí)別，癌癥的精準(zhǔn)醫(yī)療將變成可能?？茖W(xué)家們已經(jīng)利用PDX模型重現(xiàn)了多種已知的癌癥敏感性生物標(biāo)志物，如野生型KRAS的結(jié)直腸癌對(duì)西妥昔單抗敏感[31, 36]和野生型KRAS的肺癌對(duì)厄洛替尼敏感[56]。通過(guò)分別對(duì)藥物敏感和藥物耐受的大腸癌PDX模型進(jìn)行比較，HER2的擴(kuò)增被確定為西妥昔單抗治療的耐藥標(biāo)志物[36]。同時(shí)，通過(guò)對(duì)PDX模型反復(fù)給予某種特定藥物可以建立新型耐藥腫瘤模型。與體外腫瘤細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)相比，這些耐藥腫瘤更具有臨床相關(guān)性，可以用于耐藥機(jī)制的研究和耐藥標(biāo)志物的鑒定。例如，對(duì)BRAF陽(yáng)性的黑色素瘤PDX模型使用BRAF抑制劑vemurafenib的連續(xù)給藥，可以誘導(dǎo)伴有BRAF突變并且對(duì)vemurafenib耐受的黑色素瘤模型的產(chǎn)生，BRAF突變蛋白水平升高已經(jīng)被報(bào)道為連續(xù)vemurafenib藥物治療中的判斷耐藥性的一個(gè)關(guān)鍵因素[57]。

PDX模型的預(yù)測(cè)能力已被應(yīng)用到新型抗癌藥物開(kāi)發(fā)的聯(lián)合臨床試驗(yàn)中。一般來(lái)講，Ⅰ、Ⅱ期臨床試驗(yàn)至少需要5年才可以完成，在這些試驗(yàn)中，實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)整合、及對(duì)藥物呈現(xiàn)不同反應(yīng)的人群進(jìn)行分層十分有限。為了克服這一障礙，小鼠腫瘤模型的藥物治療實(shí)驗(yàn)與臨床試驗(yàn)共同進(jìn)行的聯(lián)合臨床試驗(yàn)可以被實(shí)施，這樣臨床前數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)可以同時(shí)得到整合[58]。聯(lián)合臨床試驗(yàn)的概念最初是為轉(zhuǎn)基因小鼠模型提出的，現(xiàn)在這一觀念也可以應(yīng)用于基因組明確的PDX模型[35]。使用PDX模型的聯(lián)合臨床試驗(yàn)方法將有利于將患者快速分層、藥物組合優(yōu)化、耐藥機(jī)制的研究及生物標(biāo)志物的鑒定[58]。

PDX模型還可以作為“替身”模型用于個(gè)體化抗癌藥物篩選?！疤嫔怼蹦Ｐ褪菍⑿∈笞鳛樘囟ǖ娜祟?lèi)患者的替代品來(lái)測(cè)試與篩選抗癌藥物。在一項(xiàng)前瞻性研究中，14名患者的替身小鼠模型被用來(lái)研究篩選含63種藥物的232個(gè)治療方案中的有效的治療方案，然后將針對(duì)移植瘤模型的最有效的治療方案中的17個(gè)方案對(duì)11名患者進(jìn)行了治療，其中的15個(gè)治療方案對(duì)患者成功地起到了持久性的部分緩解療效[18]。在另一項(xiàng)研究中，PDX臨床試驗(yàn)(PCT)被證實(shí)可通過(guò)靶向藥物在PDX模型上的反應(yīng)評(píng)估靶向藥物對(duì)患者的反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)67%的BRAF突變黑色素瘤PDX模型對(duì)encorafenib敏感，這與II期臨床試驗(yàn)中選擇性的BRAF抑制劑對(duì)患者的反應(yīng)率是一致的；而對(duì)encorafenib不敏感的BRAF突變黑色素瘤PDX模型對(duì)BRAF抑制劑與MEK抑制劑聯(lián)合治療顯示反應(yīng)，這也與I/II期臨床試驗(yàn)中聯(lián)合治療BRAF突變的黑色素瘤患者的結(jié)果相符[59]。因此，臨床醫(yī)生可以根據(jù)個(gè)體化的PDX模型對(duì)藥物的反應(yīng)，指導(dǎo)并確定最佳治療方案，并根據(jù)療效反應(yīng)及時(shí)對(duì)治療方案進(jìn)行優(yōu)化。

PDX模型也可以用于研究腫瘤免疫治療的效果。例如，同時(shí)移植了患者來(lái)源的胃癌組織以及外周血單核細(xì)胞的小鼠對(duì)anti-hcd137和anti-hpd1抗體的聯(lián)合療法表現(xiàn)出腫瘤生長(zhǎng)抑制[60]。然而，目前構(gòu)建PDX模型使用的小鼠皆為免疫缺陷小鼠，仍不能完全模擬人類(lèi)體內(nèi)腫瘤及免疫環(huán)境，因此具有患者來(lái)源的腫瘤及包含所有人類(lèi)免疫細(xì)胞的人源化的PDX模型則是適合研究腫瘤免疫最佳的臨床前模型。

3 PDX模型研究面臨的挑戰(zhàn)

雖然PDX模型保留了原代腫瘤的組織病理學(xué)、基因組結(jié)構(gòu)以及藥敏反應(yīng)，但在腫瘤移植到免疫缺陷小鼠身上的同時(shí)，PDX腫瘤的克隆型分布與患者原始腫瘤相比依然不同。在PDX腫瘤中的連續(xù)傳代過(guò)程中，全基因組等位基因變異頻率表明克隆選擇在初期的移植步驟中比在傳代擴(kuò)增步驟中發(fā)生的更加頻繁，而具體的克隆選擇在同一類(lèi)型腫瘤不同腫瘤樣本中表現(xiàn)不同[61]。PDX模型的克隆動(dòng)力學(xué)可能是由預(yù)先存在的克隆而非新生成的克隆選擇行為而產(chǎn)生的[62]。作為克隆選擇的結(jié)果，PDX腫瘤中更具侵略性的腫瘤克隆很可能成為主導(dǎo)，并且在某些情況下，根據(jù)基因組和轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果表明PDX模型的確顯示了更具轉(zhuǎn)移性和復(fù)發(fā)性的跡象[63]。這些更具侵略性的克隆就很可能成為腫瘤治療極為重要的目標(biāo)。

在使用PDX模型進(jìn)行臨床前藥物篩選過(guò)程中，植入失敗以及PDX建立花費(fèi)的時(shí)間(約4～8個(gè)月)也是腫瘤治療所面臨的限制因素。此外，人體基質(zhì)和免疫細(xì)胞在移植腫瘤傳代過(guò)程中的損耗對(duì)后期世代腫瘤微環(huán)境和轉(zhuǎn)移的研究是PDX模型的一個(gè)主要限制。腫瘤相關(guān)細(xì)胞，如血管內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、炎癥細(xì)胞及腫瘤細(xì)胞之間的的相互作用在腫瘤生物學(xué)中起到一個(gè)重要的作用。近期研究表明，腫瘤微環(huán)境也與藥物反應(yīng)有關(guān)[64]。此外，免疫調(diào)節(jié)劑如anti-PD1抗體應(yīng)用到PDX模型具有局限性，因?yàn)橛糜诮DX模型的免疫缺陷小鼠缺乏免疫系統(tǒng)的重要組成部分[35]。將免疫功能低下小鼠體內(nèi)移植人類(lèi)造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞，即建立人源化的小鼠，則有望克服這一障礙。一些研究表明，通過(guò)輸入人類(lèi)造血干細(xì)胞可以在移植瘤中分化出不同譜系的人源功能性免疫細(xì)胞，包括人類(lèi)的免疫細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞[65,66]。

PDX模型的另一個(gè)主要問(wèn)題是小鼠體內(nèi)的人源腫瘤淋巴瘤，這種現(xiàn)象已在多種組織來(lái)源的PDX模型中被報(bào)道，其中包括非小細(xì)胞肺癌、肝癌、前列腺癌和胃癌[67-70]。這些淋巴瘤大多數(shù)是表達(dá)CD45標(biāo)記的人源淋巴瘤，與B細(xì)胞淋巴瘤相一致[67，70]。患者腫瘤組織的炎癥增加了罹患人源性淋巴瘤PDX模型的風(fēng)險(xiǎn)，與結(jié)直腸癌相比，胃癌PDX模型具有更高比例的淋巴瘤，部分可能是由于基線(xiàn)炎癥率較高導(dǎo)致的[70]。關(guān)于淋巴瘤的形成機(jī)理有一種說(shuō)法是，免疫缺陷小鼠體內(nèi)缺乏免疫監(jiān)視，EBV感染使B淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)換成增殖狀態(tài)，導(dǎo)致B細(xì)胞淋巴瘤的產(chǎn)生[70]。因此，在PDX模型構(gòu)建過(guò)程中需要運(yùn)用組織病理學(xué)及CD34等標(biāo)記物排除淋巴瘤的形成[70]。

4 結(jié)論

癌癥治療的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)需要來(lái)自基因組分析和藥物反應(yīng)的大數(shù)據(jù)整合，高通量測(cè)序技術(shù)的最新進(jìn)展使患者個(gè)人的癌癥基因組分析變成可能。PDX模型保留了原代腫瘤的組織病理、基因組特性、及藥物敏感性，并且可以作為患者“替身”來(lái)研究藥物反應(yīng)。這些PDX模型為多樣化的藥物開(kāi)發(fā)、生物標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn)、臨床前的藥物測(cè)試、聯(lián)合臨床實(shí)驗(yàn)以及個(gè)體化藥物篩選提供了一個(gè)較為理想的平臺(tái)，此外，結(jié)合基因組序列及PDX模型藥物篩選，可以指導(dǎo)臨床用藥及提高療效，為精準(zhǔn)癌癥醫(yī)學(xué)提供新的機(jī)會(huì)。最后，結(jié)合測(cè)序數(shù)據(jù)以及替身實(shí)驗(yàn)的定向突變PDX模型將會(huì)給優(yōu)化治療，提高臨床療效，以及精準(zhǔn)癌癥醫(yī)學(xué)提供新的機(jī)會(huì)。

[1] Garraway LA, Verweij J, Ballman KV. Precision oncology: an overview [J]. J Clin Oncol, 2013, 31(15):1803-1805.

[2] Bell D, Berchuck A, Birrer M,etal. Integrated genomic analyses of ovarian carcinoma [J]. Nature, 2011, 474(7353):609-615.

[3] Koboldt DC, Fulton RS, McLellan MD,etal. Comprehensive molecular portraits of human breast tumours [J]. Nature, 2012, 490:61-70.

[4] Muzny DM, Bainbridge MN, Chang K,etal. Comprehensive molecular characterization of human colon and rectal cancer [J]. Nature, 2012, 487(7407):330-337.

[5] Verhaak RGW, Hoadley KA, Purdom E,etal. Integrated genomic analysis identifies clinically relevant subtypes of glioblastoma characterized by abnormalities in PDGFRA, IDH1, EGFR, and NF1 [J]. Cancer Cell, 2010, 17(1):98-110.

[6] Weinstein JN, Collisson EA, Mills GB,etal. The cancer genome atlas pan-cancer analysis project [J]. Nat Genet, 2013, 45(10):1113-1120.

[7] Quintas-Cardama A, Cortes J. Molecular biology of bcr-abl1-positive chronic myeloid leukemia [J]. Blood, 2009, 113(8):1619-1630.

[8] Slamon D, Eiermann W, Robert N,etal. Adjuvant trastuzumab in HER2-positive breast cancer [J]. N Engl J Med, 2011, 365:1273-1283.

[9] Pao W, Miller V, Zakowski M,etal. EGF receptor gene mutations are common in lung cancers from “never smokers” and are associated with sensitivity of tumors to gefitinib and erlotinib [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 101(36):13306-13311.

[10] Shaw AT, Yeap BY, Solomon BJ,etal. Effect of crizotinib on overall survival in patients with advanced non-small-cell lung cancer harbouring ALK gene rearrangement: a retrospective analysis [J]. Lancet Oncol, 2011, 12(11):1004-1012.

[11] Macconaill LE, Garraway LA. Clinical implications of the cancer genome [J]. J Clin Oncol, 2010, 28, 28(35):5219-5228.

[12] DiMasi JA, Reichert JM, Feldman L,etal. Clinical approval success rates for investigational cancer drugs [J]. Clin Pharmacol Ther, 2013, 94(3):329-335.

[13] Dulbecco R. Production of Plaques in Monolayer Tissue Cultures by Single Particles of an Animal Virus [J].Proc Natl Acad USA, 1952, 38(8):747-752.

[14] Kopetz S, Lemos R, Powis G. The promise of patient- derived xenografts: the best laid plans of mice and men [J]. Clin Cancer Res, 2012, 18(19):5160-5162.

[15] Morton CL, Houghton PJ. Establishment of human tumor xenografts in immunodeficient mice [J]. Nat Protoc, 2007, 2(2):247-250.

[16] Wang Y, Sudilovsky D, Zhang B,etal. A human prostatic prostatic epithelial model of hormonal carcinogenesis [J]. Cancer Res, 2001, 61(16): 6064-6072.

[17] Siolas D, Hannon, GJ. Patient-derived tumor xenografts: transforming clinical samples into mouse models [J]. Cancer Res, 2013, 73(17):5315-5319.

[18] Hidalgo M, Bruckheimer E, Rajeshkumar NV,etal. A pilot clinical study of treatment guided by personalized tumorgrafts in patients with advanced cancer [J]. Mol Cancer Ther, 2011, 10(8):1311-1316.

[19] Williams SA, Anderson WC, Santaguida MT,etal. Patient-derived xenografts, the cancer stem cell paradigm, and cancer pathobiology in the 21st century [J]. Lab Invest, 2013, 93(3):970-982.

[20] van Kempen LC, Ruiter DJ, van Muijen GN,etal. The tumor microenvironment: a critical determinant of neoplastic evolution [J]. Eur J Cell Bio, 2003, 82(11):539-548.

[21] Jin K, Teng L, Shen Y,etal. Patient-derived human tumour tissue xenografts in immunodeficient mice: asystematic review [J]. Clin Transl Oncol, 2010, 12(7):473-480.

[22] Lee CH, Xue H, Sutcliffe M,etal. Establishment of subrenal capsule xenografts of primary human ovarian tumors in SCID mice: potential models [J]. Gynecol Oncol, 2005, 96(1):48-55.

[23] Lin D, Wyatt AW, Xue H,etal. High Fidelity Patient-Derived Xenografts for Accelerating Prostate Cancer Discovery and Drug Development [J]. Cancer Res, 2014, 74(4):1272-83.

[24] Scott CL, Becker MA, Haluska P,etal. Patient- derived xenograft models to improve targeted therapy in epithelial ovarian cancer treatment [J]. Front Oncol, 2013, 3:295.

[25] Hoffman RM. Patient-derived orthotopic xenografts: better mimic of metastasis than subcutaneous xenografts [J]. Nat Rev Cancer, 2015, 15(8):451-452.

[26] Zhang XM, Claerhout S, Prat A,etal. A Renewable tissue resource of phenotypically stable, biologically and ethnically diverse, patient-derived human breast cancer xenograft models [J]. Cancer Res, 2013, 73(15):4885-4897.

[27] Marangoni E, Vincent-Salomon A, Auger N,etal. A new model of patient tumor derived breast cancer xenografts for preclinical assays [J]. Clin Cancer Res, 2007, 13(13):3989-3998.

[28] Reyal F, Guyader C, Decraene C,etal. Molecular profiling of patient-derived breast cancer xenografts [J]. Breast Cancer Res, 2012, 14(1):R11.

[29] Tentler JJ, Tan AC, Weekes CD,etal. Patient-derived tumour xenografts as models for oncology drug development [J]. Nat Rev Clin Oncol, 2012, 9(6):338-350.

[30] DeRose YS, Wang GY, Lin YC,etal. Tumor grafts derived from women with breast cancer authentically reflect tumor pathology, growth, metastasis and disease outcomes [J]. Nat Med, 2011, 17(11):1514-1520.

[31] Julien S, Merino-Trigo A, Lacroix L,etal. Characterization of a large panel of patient-derived tumor xenografts representing the clinical heterogeneity of human colorectal cancer [J]. Clin Cancer Res, 2012, 18(19):5314-5328.

[32] Mattie M, Christensen A, Chang MS,etal. Molecular characterization of patient-derived human pancreatic tumor xenograft models for preclinical and translational development of cancer therapeutics [J]. Neoplasia, 2013, 15(10):1124-1136.

[33] Ding L, Ellis MJ, Li SQ,etal. Genome remodelling in a basal-like breast cancer metastasis and xenograft [J]. Nature, 2010, 464(7291):999-1005.

[34] Li S, Shen D, Shao JY,etal. Endocrine-therapy resistant ESR1 variants revealed by genomic characterization of breast-cancer-derived xenografts [J]. Cell Rep, 2013, 4(1):1116-1130.

[35] Hidalgo M, Amant F, Biankin AV,etal. Patient-derived xenograft models: an emerging platform for translational cancer research [J]. Cancer Discov, 2014, 4(9):998-1013.

[36] Bertotti A, Migliardi G, Galimi F,etal. A molecularly annotated platform of patient-derived xenografts (“xenopatients”) identifies HER2 as an effective therapeutic target in cetuximab-resistant colorectal cancer [J]. Cancer Discov, 2011, 1(6):508-523.

[37] Aytes A, Molleví DG, Martinez-Iniesta M,etal. Stromal interaction molecule 2 (STIM2) is frequently overexpressed in colorectal tumors and confers a tumor cell growth suppressor phenotype [J]. Mol Carcinog, 2012, 51(9):746-753.

[38] Kimple RJ, Harari PM, Torres AD,etal. Development and characterization of HPV-positive and HPV-negative head and neck squamous cell carcinoma tumorgrafts [J]. Clin Cancer Res, 2013, 19(4):855-864.

[39] Keysar SB, Astling DP, Anderson RT,etal. A patient tumor transplant model of squamous cell cancer identifies PI3K inhibitors as candidate therapeutics in defined molecular bins [J]. Mol Oncol, 2013, 7(4):776-790.

[40] Zhao XM, Liu ZG, Yu LT,etal. Global gene expression profiling confirms the molecular fidelity of primary tumor-based orthotopic xenograft mouse models of medulloblastoma [J]. Neuro Oncol, 2012, 14(5):574-583.

[41] Fichtner I, Rolff J, Soong R,etal. Establishment of patient derived non-small cell lung cancer xenografts as models for the identification of predictive biomarkers [J]. Clin Cancer Res, 2008, 14(20):6456-6468.

[42] Zhang XC, Zhang J, Li M,etal. Establishment of patient-derived non-small cell lung cancer xenograft models with genetic aberrations within EGFR, KRAS and FGFR1: useful tools for preclinical studies of targeted therapies [J]. J Transl Med, 2013, 11:168.

[43] Dong X, Guan J, English JC,etal. Patient derived first generation xenografts of non-small cell lung cancers: promising tools for predicting drug responses for personalized chemotherapy [J]. Clin Cancer Res, 2010, 16(5):1442-1451.

[44] Garrido-Laguna I, Uson M, Rajeshkumar NV,etal. Tumor engraftment in nude mice and enrichment in stroma-related gene pathways predict poor survival and resistance to gemcitabine in patients with pancreatic cancer [J]. Clin Cancer Res, 2011, 17(17):5793-5800.

[45] Reyes G, Villanueva A, García C,etal. Orthotopic xenografts of human pancreatic carcinomas acquire genetic aberrations during dissemination in nude mice [J]. Cancer Res, 1996, 56(24):5713-5719.

[46] Xue A, Julovi SM, Hugh TJ,etal. A patient-derived subrenal capsule xenograft model can predict response to adjuvant therapy for cancers in the head of the pancreas [J]. Pancreatology, 2015, 15(4):397-404.

[47] Némati F, Sastre-Garau X, Laurent C,etal. Establishment and characterization of a panel of human uveal melanoma xenografts derived from primary and/or metastatic tumors [J]. Clin Cancer Res, 2010, 16(8):2352-2362.

[48] Dodbiba L, Teichman J, Fleet A,etal. Primary esophageal and gastro-esophageal junction cancer xenograft models: clinicopathological features and engraftment [J]. Lab Invest, 2013, 93(4):397-407.

[49] Huynh H, Ong R, Soo KC. Foretinib demonstrates anti-tumor activity and improves overall survival in preclinical models of hepatocellular carcinoma [J]. Angiogenesis, 2012, 15(1):59-70.

[50] Joo KM, Kim J, Jin J,etal. Patient-specific orthotopic glioblastoma xenograft models recapitulate the histopathology and biology of human glioblastomas in situ [J]. Cell Rep, 2013, 3(1):260-273.

[51] Von Hoff DD, Ramanathan RK, Borad MJ,etal. Gemcitabine plus nab-paclitaxel is an active regimen in patients with advanced pancreatic cancer: a phase I/II trial [J]. J Clin Oncol, 2011, 29(34):4548-4554.

[52] Von Hoff DD, Ervin T, Arena FP,etal. Increased survival in pancreatic cancer with nab-paclitaxel plus gemcitabine [J]. N Engl J Med, 2013, 369(18):1691-1703.

[53] Girotti MR, Lopes F, Preece N,etal. Paradox-breaking RAF inhibitors that also target SRC are effective in drug-resistant BRAF mutant melanoma [J]. Cancer Cell, 2015, 27(1):85-96.

[54] Park H, Cho SY, Kim H,etal. Genomic alterations in BCL2L1 and DLC1 contribute to drug sensitivity in gastric cancer [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2015, 112(40):12492-12497.

[55] Dowst H, Pew B, Watkins C,etal. Acquire: an open-source comprehensive cancer biobanking system [J]. Bioinformatics, 2015, 31(10):1655-1662.

[56] Fichtner I, Rolff J, Soong R,etal. Establishment of patient derived non-small cell lung cancer xenografts as models for the identification of predictive biomarkers [J]. Clin Cancer Res, 2008, 14(20):6456-6468.

[57] Das Thakur M, Salangsang F, Landman AS,etal. Modelling vemurafenib resistance in melanoma reveals a strategy to forestall drug resistance [J]. Nature, 2013, 494(7436):251-255.

[58] Nardella C, Lunardi A, Patnaik A,etal. The APL paradigm and the "co-clinical trial" project [J]. Cancer Discov, 2011, 1(2):108-116.

[59] Gao H, Korn JM, Ferretti S,etal. High-throughput screening using patient-derived tumor xenografts to predict clinical trial drug response [J]. Nat Med, 2015, 21(11):1318-1325.

[60] Fernandez de Sanmamamed M, Lopez Rodriguez I, Schalper KA,etal. Nivolumab and urelumab enhance antitumor activity of human T lymphocytes engrafted in Rag2-/-IL2Rγnull immunodeficient mice [J]. Cancer Res, 2015, 75(17):3466-3478.

[61] Eirew P, Steif A, Khattra J, Ha G,etal. Dynamics of genomic clones in breast cancer patient xenografts at single-cell resolution [J]. Nature, 2015, 518(7539):422-426.

[62] Aparicio S, Hidalgo M, Kung AL. Examining the utility of patient-derived xenograft mouse models [J]. Nat Rev Cancer, 2015, 15(5):311-316.

[63] Rosfjord E, Lucas J, Li G,etal. Advances in patient-derived tumor xenografts: From target identification to predicting clinical response rates in oncology [J]. Biochem Pharmacol, 2014, 91(2):135-143.

[64] Ostman A. The tumor microenvironment controls drug sensitivity [J]. Nat Med, 2012, 18(9):1332-1334.

[65] Morton JJ, Bird G, Keysar SB,etal. Xact Mice: humanizing mouse bone marrow enables microenvironment reconstitution in a patient-derived xenograft model of head and neck cancer [J]. Oncogene, 2016, 35(3):290-300.

[66] Rongvaux A, Willinger T, Martinek J,etal. Development and function of human innate immune cells in a humanized mouse model [J]. Nat Biotechnol, 2014, 32(4):364-372.

[67] Chen K, Ahmed S, Adeyi O,etal. Human solid tumor xenografts in immunodeficient mice are vulnerable to lymphomagenesis associated with Epstein-Barr virus [J]. PLoS One, 2012, 7(6):e39294.

[68] John T, Yanagawa N, Kohler D,etal. Characterization of lymphomas developing in immunodeficient mice implanted with primary human non-small cell lung cancer [J]. J Thorac Oncol, 2012, 7(7):1101-1108.

[69] Wetterauer C, Vlajnic T, Schuler J,etal. Early development of human lymphomas in a prostate cancer xenograft program using triple knock-out immunocompromised mice [J]. Prostate, 2015, 75(6):585-592.

[70] Zhang LH, Liu YQ, Wang XH,etal. The extent of inflammatory infiltration in primary cancer tissues is associated with lymphomagenesis in immunodeficient mice [J]. Sci Rep, 2015, 5:9447.

Research progress of patient-derived xenografts in precision cancer medicine

LI Ke-juan, HUANG Hao, GAO Ran*

(Institute of laboratory animal sciences, CAMS & PUMC, Beijing 100021, China)

Cancer is a group of heterogeneous disease caused by diverse genomic alterations in oncogenes and tumor suppressor genes. Despite recent advances in high-throughput sequencing technologies and development of targeted therapies, novel cancer drug development is limited due to the high attrition rate from clinical studies. Patient-derived xenografts (PDX) models are generated by implanting sectioned patient tumor fragments into immunodeficient mice. PDX models retain many of the key characteristics of patients’ tumors including histology, genomic signature, cellular heterogeneity, and drug responsiveness. These models cannot only serve as a platform for co-clinical trials by enabling the integration of clinical data, genomic profiles, and drug responsiveness data to determine precisely targeted therapies, but also be applied to the development of biomarkers for drug responsiveness and personalized drug selection. This review summarizes our current knowledge of this field, including methodologic aspects, applications in drug development, challenges and limitations, and utilization for precision cancer medicine.

Patient-derived xenografts; PDX models; Individual treatment; Precision medicine

北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目(2015000020124G073)。

李克娟(1987-)，女，博士，研究方向：腫瘤模型建立。E-mail：likejuan@cnilas.org

高苒(1980-)，女，副研究員，研究方向：腫瘤模型建立。E-mail：gaoran26@hotmail.com

研究進(jìn)展

R-332

A

1671-7856(2017) 01-0091-08

10.3969.j.issn.1671-7856.2017.01.018

2016-06-29