人源性腫瘤組織異種移植模型的研究進(jìn)展

劉 情，鄭 琳，張 灝

·轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)動態(tài)·

人源性腫瘤組織異種移植模型的研究進(jìn)展

劉 情，鄭 琳，張 灝

人源性腫瘤組織異種移植（patient-derived tumor xenografts，PDTX）是指將患者的新鮮腫瘤組織處理后移植到免疫缺陷鼠上，依靠小鼠提供的微環(huán)境進(jìn)行生長，其特點和價值不同于人源性腫瘤細(xì)胞系異種移植模型。PDTX模型保持了腫瘤細(xì)胞的分化程度、形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特點以及分子特性。這種小鼠模型腫瘤的血運特點、基質(zhì)特征、壞死狀況等與人本身的腫瘤特點更為接近，這為腫瘤的生物學(xué)研究、診斷標(biāo)志物的尋找和藥物篩選提供了一個重要的體內(nèi)模型。此外，根據(jù)移植部位的不同，PDTX模型能夠體現(xiàn)標(biāo)本來源患者腫瘤的各自特點，包括對藥物反應(yīng)的特異性等。因此，這種模擬人腫瘤特異性的模型對腫瘤臨床前期評估、治療和預(yù)后具有重要的轉(zhuǎn)化意義，特別是對于腫瘤的個體化診斷和治療具有不可代替的價值。

人源性腫瘤組織異種移植；原發(fā)腫瘤；個體化治療

癌癥一直以來都是危害人類健康的重大困擾，許多癌癥（如胰腺癌）早期，患者無明顯癥狀，直到晚期或者轉(zhuǎn)移時才能被發(fā)現(xiàn)，治療結(jié)果往往令人失望。盡管腫瘤的基礎(chǔ)研究、臨床研究及轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)取得了不少的成績，但新治療方法并未給患者帶來理想的治療方案和預(yù)后效果。為了更深入地研究腫瘤發(fā)展以及尋找更好的藥物治療方法，研究腫瘤的模型特別是動物模型將具有非常重要的價值。傳統(tǒng)的異種移植腫瘤模型是將人類腫瘤細(xì)胞在體外篩選，經(jīng)過傳代培養(yǎng)，建立穩(wěn)定細(xì)胞株，然后注射到免疫缺陷小鼠皮下、腎包膜下或原位移植而建立的模型，這種模型的建立以及在腫瘤研究中的應(yīng)用已有半個世紀(jì)［1］。然而，這種異種移植模型存在一定的缺陷，因為連續(xù)傳代的腫瘤細(xì)胞株適應(yīng)了外界培養(yǎng)皿的環(huán)境，缺乏腫瘤微環(huán)境，如非腫瘤基質(zhì)細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)、腫瘤微環(huán)境因子等，這些細(xì)胞株種植到免疫缺陷小鼠后形成的腫瘤與小鼠具有同質(zhì)性，丟失了原代腫瘤的特性，因此不能客觀地反應(yīng)原代腫瘤的情況。

近年來關(guān)于患者來源的腫瘤組織移植到免疫缺陷小鼠的模型（patient derived tumor xenograft，PDTX）備受關(guān)注。PDTX模型是指將患者的新鮮腫瘤組織處理后移植到免疫缺陷鼠上，依靠小鼠提供的微環(huán)境進(jìn)行生長，這種模型保留了原代腫瘤的微環(huán)境和細(xì)胞的基本特性，為研究腫瘤提供了一個很好的體內(nèi)模型。PDTX模型的建立在腫瘤研究中被廣泛應(yīng)用和證實，并逐漸成為研究小鼠腫瘤的金標(biāo)準(zhǔn)。

1 PDTX模型的分類和特點

根據(jù)移植部位的不同，PDTX主要分為皮下移植、腎包膜下移植和原位移植3類，3類模型均存在各自的優(yōu)缺點。

1.1 皮下移植 這是最為常用的一種移植方法。患者腫瘤新鮮標(biāo)本經(jīng)過處理后移植于免疫缺陷小鼠皮下，移植部位一般位于雙側(cè)腹股溝、后側(cè)面，也有種植于前腋窩處。這些部位血供豐富，容易觀察和方便定期測量腫瘤大小，特別是研究腫瘤的藥物實驗過程中能直觀觀察到腫瘤體積變化情況。皮下移植的成功率相對較低，為40%～60%［2］。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，很少出現(xiàn)轉(zhuǎn)移擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移瘤。

1.2 腎包膜下異種移植 最早是由Wang實驗室建立的。將人體新鮮腫瘤移植于免疫缺陷鼠腎包膜下，為研究腫瘤的機(jī)制及臨床前藥物實驗開辟了另外一個重要的途徑。據(jù)報道，腎包膜下移植人來源腫瘤的成功率基本能達(dá)到95%以上［3］。但腎包膜下移植對移植者的技術(shù)要求較高，對受體小鼠的手術(shù)損傷較大，需要進(jìn)入腹腔，在腎表面操作，小鼠腎臟較小，腎包膜脆弱，操作容易失敗。另外，由于受體小鼠免疫缺陷，容易導(dǎo)致感染，雖然報道的成功率較高，但不排除有未成文發(fā)表的較低移植率的可能性。最后，腎包膜下移植不能直觀觀察腫瘤的大小，也局限了其應(yīng)用范圍。

1.3 原位移植 這是PDTX最理想且更加貼近腫瘤微環(huán)境的移植方式。這種方法在肝癌、胰腺癌、前列腺癌、乳腺癌和神經(jīng)膠質(zhì)瘤［4～8］的研究中均有報道。在理想狀態(tài)下，這種移植位點是最理想的。但這種腫瘤移植模型的建立是比較困難的，特別是一些腫瘤，例如消化道腫瘤，因其原位處于消化道腔內(nèi)，其移植的成活率和成功率都是很低的，因此阻礙了其廣泛應(yīng)用，只限制于某些特殊腫瘤。

2 PDTX模型成功的影響因素

腫瘤的移植成功率受多種因素的影響，移植受體的不同對腫瘤移植成功率的影響不大，然而移植腫瘤標(biāo)本自身的特性及處理過程卻對移植的成功率影響較大。腫瘤標(biāo)本自身特性包括腫瘤的惡性程度、腫瘤的類型、分化程度及腫瘤分級等。惡性程度高分化程度低的腫瘤移植成功率較高［9］。另外，腫瘤標(biāo)本的處理也是影響移植瘤生長的一個重要影響因素。標(biāo)本的新鮮度及標(biāo)本離體后到移植之間的時間跨度是影響細(xì)胞活性的一個重要因素。除此之外，移植位點也是影響移植成功率的一個重要因素［10］。

3 PDTX模型對腫瘤研究與治療的價值和轉(zhuǎn)化意義

3.1 PDTX腫瘤的生物學(xué)特性與原代腫瘤之間的關(guān)系 PDTX是研究人類腫瘤的重要動物模型，但是這種模型能不能代表人類腫瘤而用作研究一直是人們關(guān)注的重點。研究人員在將人乳腺癌移植于裸鼠身上并通過蘇木素和伊紅染色、免疫組化、分子遺傳學(xué)、基因表達(dá)譜等來評價移植腫瘤和原代腫瘤之間的關(guān)系，結(jié)果顯示移植瘤保留了原代腫瘤的生物學(xué)特性［11］。因此，PDTX模型是一個穩(wěn)定、可靠的腫瘤研究模型。不僅如此，在肝癌、結(jié)直腸癌、黑色素瘤、食管癌、交界癌中均有對移植腫瘤進(jìn)行各項生物學(xué)檢測，也同樣證實了PDTX移植瘤保持了原代腫瘤的生物學(xué)特性，為研究腫瘤學(xué)提供準(zhǔn)確的動物模型［11～13］。

3.2 PDTX為尋找腫瘤血管特異表達(dá)的基因或分子提供可靠的依據(jù) 實體瘤新生血管和正常組織血管內(nèi)皮細(xì)胞在分子水平有所不同［14］，新生血管所表達(dá)的各種蛋白分子在靜止血管中很少表達(dá)或基本不表達(dá)。尋找腫瘤血管特異表達(dá)的基因或分子，從而進(jìn)行靶向治療是近幾年來認(rèn)為最合理也是最具有前景的治療方法。但是腫瘤血管內(nèi)皮標(biāo)志物的研究進(jìn)展一直很慢，主要原因是有2個方面，一是很難從組織中分離血管內(nèi)皮細(xì)胞，二是體外培養(yǎng)會使細(xì)胞丟失組織特異性［15］。PDTX模型的建立使內(nèi)皮細(xì)胞處于體內(nèi)天然環(huán)境為腫瘤血管異質(zhì)性的研究尋找一種對異種移植物有良好組織相容性而又價格低廉的動物模型。

3.3 PDTX模型在藥物篩選及個體化治療中的應(yīng)用 PDTX模型主要有3個作用：一是為腫瘤治療篩選新型藥物提供一個較可靠的體內(nèi)實驗動物模型；其次，是用來檢測腫瘤指標(biāo)是否能作為評估腫瘤藥物治療療效關(guān)鍵指標(biāo)；最后，該模型的建立還可以用于臨床前期研究腫瘤的個體化化療療效［2］。這對于腫瘤臨床前期評估、治療和預(yù)后有著相當(dāng)重要的轉(zhuǎn)化意義。

在PDTX模型的應(yīng)用中，最關(guān)鍵也是應(yīng)用最多的就是藥物體內(nèi)實驗。抗腫瘤藥物的篩選可分為細(xì)胞水平、動物水平和分子水平。很多在進(jìn)行體外腫瘤細(xì)胞敏感性實驗有效的藥物，在體內(nèi)卻不一定具有抗腫瘤的作用。而荷瘤動物模型對抗腫瘤藥物的反應(yīng)與臨床反應(yīng)基本平行，比體外實驗有更高的可靠性［16］。PDTX模型不僅具有動物模型這一特點，還有著更重要的特點，那就是PDTX模型能更精確地涵蓋人體原始腫瘤的特征，如保持了腫瘤細(xì)胞的分化程度、形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特點以及分子特性等［17］。利用PDTX特有的特點，Keysar等［18］研究分析了磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidyl inositol 3-kinase，PI3K）通路在鱗狀細(xì)胞癌中的表達(dá)情況，并通過藥物實驗證實了PI3K抑制劑可以作為一個候選的治療結(jié)合位點。因此，PDTX的這一獨特的特點能更好地反映藥物的體外實驗的準(zhǔn)確性，它的建立對于新藥的臨床前期篩選和試用，減少腫瘤患者痛苦，實現(xiàn)個體化治療都發(fā)揮著舉足輕重的作用。

3.4 PDTX模型在腫瘤臨床研究中對藥物療效的評價作用 抗腫瘤藥物藥效學(xué)研究包括體外抗腫瘤實驗和體內(nèi)抗腫瘤實驗。評價藥物的抗癌活性時，以體內(nèi)實驗結(jié)果為主，同時參考體外實驗結(jié)果以作出正確的結(jié)論［19］。傳統(tǒng)的體內(nèi)實驗是將相應(yīng)的細(xì)胞系移植小鼠體內(nèi)建立模型，由于細(xì)胞系無法與原發(fā)腫瘤保持一致性，因此所得出的劑量范圍、藥物療效將有較大出入。PDTX模型則避免了這一缺陷，使得藥物抗癌活性的評價更具有可靠性。PDTX模型對體內(nèi)抗腫瘤耐藥活性實驗和抗腫瘤轉(zhuǎn)移藥物實驗也同樣具有重要的作用。

3.5 PDTX為腫瘤研究提供了豐富的資源庫 每一種腫瘤的發(fā)展結(jié)果都有所不同，而同一腫瘤也有許多類型，如肺癌有小細(xì)胞肺癌、非小細(xì)胞癌、磷狀細(xì)胞肺癌等；同一腫瘤于不同患者往往也有不同的結(jié)果，治療方法也不盡相同。由于PDTX模型保留了原代患者腫瘤的生物學(xué)特性，因此可以為腫瘤的保存和傳代提供非常寶貴的研究標(biāo)本。特別是移植腫瘤的傳代，可以為腫瘤研究過程中提供更多可靠的模型。Watahiki等［20］利用腎包膜下的PDTX模型，研究分析前列腺癌相關(guān)的已知和未知的miRNA，并分析這些miRNA和前列腺癌之間的作用；他們還利用傳代將已建立的同一個患者來源腫瘤移植成瘤小鼠分為兩組，一組是出現(xiàn)轉(zhuǎn)移的，另外一組是沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)移的，并分析兩者之間miRNA的表達(dá)情況，為前列腺癌的治療尋找新的生物學(xué)標(biāo)記物。利用PDTX所建立起來的豐富資源庫，人們可以更加深入地了解各類癌癥的發(fā)展情況，尋找更適合的治療方法。

4 PDTX的不足與展望

4.1 PDTX的不足之處 PDTX模型在新型藥物的篩選、個體化治療的評估研究上已取得了一定的成效，移植腫瘤保留了原代腫瘤的基本特性和腫瘤微環(huán)境，是目前較理想的腫瘤模型。但是，這種模型也有它的缺陷之處，PDTX模型雖然模擬了原代腫瘤的生物學(xué)特性，能為腫瘤的研究提供體內(nèi)模擬環(huán)境，但是這種模型的建立畢竟不是完全與原代腫瘤相同，而且種植的腫瘤出現(xiàn)轉(zhuǎn)移的情況比較少。如何提高移植腫瘤的微環(huán)境相似性和提高原代腫瘤成功率是以后建立惡性腫瘤模型的一個重要的方向。

與細(xì)胞異種移植相比，PDTX目前仍無法廣泛應(yīng)用的原因還有成本和技術(shù)問題。相較于簡單的細(xì)胞培養(yǎng)，PDTX是將腫瘤組織移植在小鼠皮下、腎包膜下等，并且需要維持腫瘤組織的成長，這就需要一個相當(dāng)水平的技術(shù)支持［21］。不僅如此，一個完整的具有個體化的腫瘤異種移植模型的建立需要2個月，甚至更長時間，這就使PDTX的應(yīng)用受到了限制［22］。

4.2 PDTX的展望 近年來一些罕見的癌癥，如印戒細(xì)胞癌，惡性程度高，預(yù)后差，且對放化療不敏感，一直困擾著患者和醫(yī)生，成為醫(yī)學(xué)界的一大難題。如何更有效地針對不同的腫瘤進(jìn)行個體化治療至今仍未找到答案［23］。長久以來，人們對腫瘤的研究大多集中在癌細(xì)胞本身基本結(jié)構(gòu)及功能上的變異，在治療策略上則主要是針對破壞癌細(xì)胞。近年來，人們才逐漸開始重視間質(zhì)在腫瘤的形成、分化、侵襲與轉(zhuǎn)移中的調(diào)節(jié)作用，例如研究腫瘤血管的生成和免疫細(xì)胞及其產(chǎn)生的細(xì)胞因子、旁分泌生長因子、細(xì)胞外基質(zhì)及蛋白酶等，并期望尋找到治療腫瘤的靶標(biāo)。PDTX模型的建立使這一切成為可能，它更直接、客觀地將腫瘤本身、腫瘤生長環(huán)境以及發(fā)展情況展現(xiàn)出來，為尋找最有效的藥物以及個體化治療方案提供更好的依據(jù)。

隨著相關(guān)知識的不斷完善和技術(shù)的進(jìn)步，PDTX模型能更大地發(fā)揮其在藥物篩選、個體化治療等各個方面的作用以及在新領(lǐng)域的潛能。

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The research progress of patient-derived tumor xenografts

LIU Qing，ZHENG Lin，ZHANG Hao
（Cancer Research Center，Shantou University Medical College，Shantou Guangdong 515041，China）

Patient-derived tumor xenografts（PDTX）which graft human tumor material into immunocompetent or immunodeficient mouse overcome the disadvantages of cell line-derived xenografts.Patient-derived tumor xenografts maintain the cell differentiation and morphology，the architecture，and molecular signatures of the original patient tumors.Vasculature，stroma，central necrosis，and peripheral growth occur in tumor bearingmice in away that is similar to that of the patient′s tumor，then there will be a higher correlation between drug response of tumor xenografts with the corresponding original tumors.But beyond that，patient-derived tumor xenograft models that are clinically representative of each major human cancer type would largely increase the success in identifying new active agents for targeting particular tumours.Therefore，these individualised models of human cancers would have an important significance for preclinical tumor assessment，treatment and prognosis and greatly facilitate selecting the best therapy for each individual patient.

Patient-derived tumor xenografts（PDTX）；Primary tumor；Individual treatment

R73.35＋2

A

2095-3097（2014）02-0065-04

10.3969／j.issn.2095-3097.2014.02.001

2014-01-25 本文編輯：馮 博）

國家自然科學(xué)資金資助項目（81071736）

515041廣東汕頭，汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院腫瘤研究中心（劉 情，鄭 琳，張 灝）

張 灝，E-mail：haozhang＠stu.edu.cn