肺癌PDTX模型的研究進(jìn)展

秦保東 焦曉棟 原凌燕 柳珂 臧遠(yuǎn)勝

當(dāng)前隨著腫瘤分子生物學(xué)及基因組學(xué)的發(fā)展，人們已經(jīng)認(rèn)識到同一瘤種在不同個(gè)體間其生物學(xué)特征、分子分型以及對藥物干預(yù)的反應(yīng)性都存在巨大的異質(zhì)性，這種個(gè)體化差異是導(dǎo)致腫瘤治療過程中同病同治而不同效的重要原因，因此為了實(shí)現(xiàn)真正的腫瘤個(gè)體化精準(zhǔn)治療，腫瘤研究領(lǐng)域提出了一個(gè)新的概念，即人源腫瘤組織異種移植模型（patient derived tumor xenograft, PDTX），該模型可以真實(shí)地反映患者腫瘤組織的生物學(xué)特性以及藥物療效，是研究個(gè)體化治療、藥物耐藥以及新藥研發(fā)的重要手段，已被運(yùn)用包括肺癌在內(nèi)多個(gè)瘤種的臨床診治過程中。本文就當(dāng)前肺癌PDTX模型的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述如下。

1 PDTX模型簡介

1990年開始，腫瘤學(xué)界已用NCI-60系列腫瘤細(xì)胞篩選出了10萬余種化合物用于腫瘤發(fā)病分子機(jī)制的探討以及相關(guān)藥物研發(fā)，但由于該類細(xì)胞長期傳代逐漸適應(yīng)了與原生環(huán)境完全不同的培養(yǎng)皿環(huán)境，腫瘤細(xì)胞基因組學(xué)背景與生物學(xué)行為已與原代細(xì)胞大相徑庭，不能有效地、真實(shí)地反映腫瘤狀態(tài)，因此2016年美國癌癥研究所已下架NCI-60系列的60株腫瘤細(xì)胞，開始轉(zhuǎn)向腫瘤移植動(dòng)物模型[1]。由于基因編輯較易、傳代周期較短以及研究成本較低等優(yōu)點(diǎn)，小鼠模型一直以來是腫瘤研究中最被廣泛使用的系統(tǒng)之一[2]。傳統(tǒng)的人源腫瘤細(xì)胞異種移植是將人類腫瘤細(xì)胞在體外篩選，經(jīng)過傳代培養(yǎng)建立穩(wěn)定的細(xì)胞株，然后移植至裸鼠中構(gòu)建模型，半個(gè)世紀(jì)以來，這種模型的建立已被廣泛應(yīng)用于腫瘤的基礎(chǔ)研究與臨床探索中。但由于連續(xù)傳代的腫瘤細(xì)胞株適應(yīng)了培養(yǎng)皿的環(huán)境，缺乏腫瘤微環(huán)境如成纖維細(xì)胞、免疫細(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是同質(zhì)性的，丟失了原代腫瘤的特性，不能客觀地、真實(shí)地反映原代腫瘤的情況，因此人源腫瘤組織異種移植模型即PDTX模型應(yīng)運(yùn)而生。通過外科手術(shù)或活檢獲得腫瘤患者的腫瘤組織，通過皮下移植、腎包膜下移植或原位移植等方式移植于免疫缺陷小鼠中，隨后進(jìn)行小鼠數(shù)量擴(kuò)增，給予不同的藥物或藥物組合方案干預(yù)，進(jìn)行藥效學(xué)評價(jià)，再根據(jù)藥效學(xué)評估結(jié)果指導(dǎo)腫瘤病人臨床治療策略選擇，實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化[3]。

2 影響肺癌PDTX建模的因素

以往研究報(bào)道不同瘤種PDTX模型的構(gòu)建成功率存在差異，結(jié)腸癌的建模成功率約為43%，急性淋巴細(xì)胞白血病的建模成功率最高達(dá)64%，乳腺癌的建模成功率較低僅為9%，肺癌的建模成功率約為18%-23%[4-7]。在肺癌PDTX模型構(gòu)建過程中，諸多因素影響著腫瘤模型成功與否，其中最重要的因素為腫瘤組織的質(zhì)量與活力，其他因素包括腫瘤組織大小、植入時(shí)間、輔助化療的間隔時(shí)間、裸鼠的免疫缺陷程度等，而除了這些宏觀因素之外，近來研究還發(fā)現(xiàn)肺癌PDTX建模成功與腫瘤的細(xì)胞類型、惡性程度等密切相關(guān)；如研究發(fā)現(xiàn)肺腺癌患者建模成功率要顯著低于鱗癌與神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤，中分化與低分化的患者成瘤率要顯著高于高分化[8,9]，同樣有研究表明年輕患者肺癌PDTX建模成功率高于年老患者[10]，PD-L1高表達(dá)患者成功率高于低表達(dá)患者[11]。Stewart等[10]對比分析建模成功與未成功的肺癌組織基因表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)了163個(gè)異常表達(dá)基因，且這些基因功能主要富集于細(xì)胞周期/有絲分裂、細(xì)胞增殖等信號通路。除此之外，腫瘤組織的提取方式同樣影響著建模成功率，有報(bào)道認(rèn)為在所有瘤種中，手術(shù)標(biāo)本建模成功率高達(dá)27.3%-70%，細(xì)針穿刺活檢成功率僅為0%-36.4%[12,13]。而在肺癌中，有研究表明通過支氣管鏡引導(dǎo)下經(jīng)支氣管針吸活檢術(shù)（endobronchial ultrasound-guided transbronchial needle aspiration, EBUS-TBNA）獲得肺癌轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)組織，PDTX建模成功率為42.1%[14]，而另一項(xiàng)針對小細(xì)胞肺癌（small cell lung cancer, SCLC）患者PDTX模型構(gòu)建的研究發(fā)現(xiàn)EBUS-TBNA獲取的腫瘤組織建模成功率高達(dá)83%，但由于樣本數(shù)量的有限性，這些數(shù)據(jù)仍需要進(jìn)一步證實(shí)[15]。

除了使用肺癌的原發(fā)灶構(gòu)建PDTX模型外，Lee等[16]探討了肺癌腦轉(zhuǎn)移灶構(gòu)建PDTX模型，發(fā)現(xiàn)非小細(xì)胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）患者腦轉(zhuǎn)移灶組織構(gòu)建PDTX模型成功率顯著高于腫瘤原發(fā)灶（74% vs 23%），且腫瘤組織原發(fā)灶PDTX成瘤率與組織特征、腫瘤臨床侵襲能力以及基因突變相關(guān)，而腦轉(zhuǎn)移灶PDTX成瘤率與患者臨床特征、分子分型均無關(guān)。

3 肺癌PDTX模型與原代腫瘤生物學(xué)特征的一致性

許多研究評估了PDTX移植腫瘤與原代腫瘤間生物學(xué)特征的一致性，研究結(jié)果顯示不同瘤種的PDTX移植腫瘤與原代腫瘤組織以及不同代數(shù)的PDTX移植腫瘤間在病理特征、基因表達(dá)以及驅(qū)動(dòng)基因突變等方面均高度一致[6,17]。在NSCLC中，Merk等[9]研究者證實(shí)PDTX移植腫瘤在組織病理類型、細(xì)胞表面分子表達(dá)如E-鈣粘蛋白、EpCAM以及Ki67等均與原代腫瘤組織一致，同樣在SCLC中，PDTX模型也被證實(shí)可以有效復(fù)制原代腫瘤組織的組織學(xué)類型、病理特征等[18]。

除了病理類型，研究還發(fā)現(xiàn)肺癌PDTX模型腫瘤與原代腫瘤間在基因突變方面也高度一致。Hao等對23例肺癌PDTX進(jìn)行了基因突變分析，發(fā)現(xiàn)在原代腫瘤組織315個(gè)基因突變中，有包括TP53、KRAS、PI3KCA、ALK、STK11、EGFR在內(nèi)的293個(gè)基因突變可在相應(yīng)的PDTX模型中發(fā)現(xiàn)，二者符合度達(dá)93%，且證實(shí)F1代腫瘤組織與F3代腫瘤組織間基因突變同樣呈高度一致，說明在小鼠傳代過程中腫瘤組織基因突變信息是高度保守[7,8]。隨后，Wang等[19]研究者對比分析了36例NSCLC患者的PDTX模型，發(fā)現(xiàn)與腫瘤細(xì)胞系相比，PDTX模型的體細(xì)胞突變、基因拷貝數(shù)、表達(dá)譜、DNA甲基化、蛋白組學(xué)特征與原代腫瘤細(xì)胞有著更高的相似度。此外，上述兩項(xiàng)研究均發(fā)現(xiàn)PDTX模型中存在原代腫瘤組織未檢出的基因突變或低頻突變頻率升高的現(xiàn)象，對于該現(xiàn)象當(dāng)前觀點(diǎn)認(rèn)為可能與PDTX模型中相應(yīng)的亞克隆腫瘤細(xì)胞選擇性生長所致。

除此之外，當(dāng)前還有研究探討了肺癌PDTX模型是否能夠真實(shí)反映原代腫瘤組織的代謝特征，Valtorta構(gòu)建了9例肺癌PDTX模型，通過PET-CT技術(shù)檢測PDTX移植腫瘤的SUVmax，結(jié)果顯示與原代腫瘤一致，PDTX移植腫瘤在18F-FDG攝取率、代謝率等方面與原代腫瘤高度相似，從而說明PDTX模型同樣可以反映原代腫瘤的葡萄糖代謝功能[20]。

4 PDTX模型能夠預(yù)測肺癌患者的藥物療效

Stewart等[10]納入了33例EGFR突變的肺腺癌患者，通過外科手術(shù)標(biāo)本構(gòu)建了PDTX模型，并給予一代與二代TKI藥物治療，研究結(jié)果顯示6例患者PDTX模型構(gòu)建成功，而此6例患者對包括厄洛替尼在內(nèi)的一代TKI的治療有效率與PDTX模型的反應(yīng)率一致。同樣，Zhang等[21]構(gòu)建了EGFR突變的NSCLC患者的PDTX模型并證實(shí)吉非替尼在PDTX模型中的抗腫瘤效果與臨床患者相似；此外，Li等[22]比較了PDTX模型與分子信號圖間在預(yù)測EGFR靶向藥物在肺癌中的療效選擇靶向治療優(yōu)勢人群間的區(qū)別，結(jié)果顯示二者之間在預(yù)測西妥昔單抗療效的一致率為84%，預(yù)測厄洛替尼療效的一致性約為80%，因此認(rèn)為PDTX模型方法可用于臨床篩選靶向治療優(yōu)勢人群。除了EGFR突變外，研究者還使用PDTX模型成功構(gòu)建了FGFR1擴(kuò)增的NSCLC患者PDTX模型，并證實(shí)FGFR1抑制劑（AZD4547）在NSCLC鱗癌患者中可以有效的抑制腫瘤生長且其抗腫瘤效果與患者的FGFR1 FISH評分及蛋白表達(dá)水平呈正相關(guān)性[23,24]。而在SCLC患者中，研究者在一項(xiàng)二期臨床試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PDTX模型能夠真實(shí)反映三氧化二砷在復(fù)發(fā)型SCLC患者中的臨床治療結(jié)局[25]。

除了預(yù)測相關(guān)藥物療效外，研究還發(fā)現(xiàn)PDTX模型可以預(yù)測肺癌藥物耐藥情況。如Merk等[26]證實(shí)PDTX模型可用于臨床中治療相關(guān)標(biāo)志物的研究以及藥物耐藥動(dòng)態(tài)監(jiān)測，Nakagawa等[27]通過PDTX模型證實(shí)了ATP7B基因與鉑類藥物耐藥密切相關(guān)。

5 PDTX模型能夠預(yù)測肺癌患者臨床預(yù)后

除了在腫瘤患者治療方面的應(yīng)用，有研究還發(fā)現(xiàn)PDTX成瘤率可以有效預(yù)測腫瘤患者的預(yù)后情況。研究分析結(jié)直腸癌患者的PDTX成瘤性與腫瘤惡性程度、預(yù)后的相關(guān)性時(shí)發(fā)現(xiàn)TNM分期晚、腫瘤細(xì)胞分化差的患者中PDTX成瘤性率升高，成瘤率與腫瘤的惡性程度、差的預(yù)后密切相關(guān)，證實(shí)PDTX成瘤性可用于判斷結(jié)直腸癌臨床預(yù)后[28]。DeRose等[6]的研究也證實(shí)無法成瘤或瘤體不生長的PDTX模型對應(yīng)的乳腺癌患者具有更長的生存時(shí)間。在肺癌中，有研究報(bào)道顯示PDTX成瘤情況同樣可以有效預(yù)測肺癌患者的預(yù)后，PDTX成瘤陽性的EGFR突變肺腺癌患者的無病生存時(shí)間、總生存時(shí)間均短于成瘤陰性的患者，疾病進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)與死亡風(fēng)險(xiǎn)分別增加4.88倍與8.44倍[10]；Wang等[19]研究同樣證實(shí)NSCLC患者的PDTX成瘤性與患者的總生存時(shí)間密切相關(guān)，且PDTX成瘤陽性是NSCLC的一個(gè)獨(dú)立的預(yù)后不良因素。

6 PDTX模型的不足之處

與傳統(tǒng)的人源性腫瘤細(xì)胞異種移植相比，PDTX模型具有更高的腫瘤空間異質(zhì)性、更多樣的分子亞型、更豐富的腫瘤微環(huán)境，能夠真實(shí)反映腫瘤的生物學(xué)特征。但是在看到優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，我們應(yīng)該注意到PDTX同樣存在些許不足之處：①腫瘤異質(zhì)性問題，PDTX模型僅僅需要2 mm3-3 mm3的腫瘤組織，由于肺癌腫瘤患者體內(nèi)腫瘤組織存在顯著的空間異質(zhì)性，顯然2 mm3-3 mm3的腫瘤組織無法完全代表原代腫瘤的所有生物學(xué)特性[29]；②盡管PDTX模型腫瘤組織中富含腫瘤微環(huán)境，但是在成瘤過程中人源細(xì)胞如成纖維細(xì)胞、免疫細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞等將被相應(yīng)的鼠源細(xì)胞所替代，這樣的腫瘤微環(huán)境能否還原原代腫瘤微環(huán)境的特征同樣值得進(jìn)一步研究證實(shí)；③在PDTX模型中我們無法完全做到原位移植，因此小鼠中移植部位的不同可能會影響PDTX模型的真實(shí)性，肺癌患者腫瘤組織移植于小鼠皮下，無法真實(shí)還原腫瘤的組織環(huán)境特征、血供水平等；④由于PDTX模型所用載體為免疫缺陷小鼠，無法驗(yàn)證免疫治療如PD-1/L1抗體的有效性等；此外，PDTX模型的構(gòu)建周期較長、費(fèi)用較高以及技術(shù)難度等均限制了其在臨床應(yīng)用與開展范圍。

7 展望

綜上所述，以往的研究說明PDTX模型在腫瘤藥效學(xué)評價(jià)以及腫瘤臨床預(yù)后判斷等方面都有著重要的作用，已成為腫瘤研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。在Clinicaltrail數(shù)據(jù)庫（https://www.clinicaltrials.gov）中檢索當(dāng)前共有20余項(xiàng)應(yīng)用PDTX模型的臨床試驗(yàn)得以注冊，涉及到肺癌、頭頸部腫瘤、乳腺癌、軟組織肉瘤、胃腸道腫瘤等，主要的研究目的包括驗(yàn)證PDTX模型腫瘤與原代腫瘤組織病理學(xué)特征、基因特征的一致性，探討某些新藥或藥物組合的療效以及探尋藥物療效或藥物耐藥的相關(guān)生物學(xué)標(biāo)志物等。我們可以看到這些研究緊扣當(dāng)前腫瘤研究熱點(diǎn)，集中于腫瘤領(lǐng)域有待解決的熱點(diǎn)問題，隨著這些研究項(xiàng)目的實(shí)施、研究結(jié)果的呈現(xiàn)以及PDTX模型技術(shù)的完善與提升，不久將來，PDTX模型將使腫瘤患者進(jìn)入真正的私人定制時(shí)代。而為了解決腫瘤異質(zhì)性問題，如上所述有研究者采用EBUS-TBNA技術(shù)能夠在超聲引導(dǎo)下穿刺提取高純度的肺癌腫瘤組織，提高PDTX模型成功概率并最大限度降低腫瘤異質(zhì)性對PDTX模型的影響，但這類研究僅限于小樣本臨床探索中，將來仍需要大樣本研究進(jìn)一步證實(shí)。同時(shí)，對于PDTX模型的原位移植研究當(dāng)前僅限于肝癌、胰腺癌、前列腺癌及乳腺癌等瘤種中個(gè)案報(bào)道，對于肺癌PDTX模型的原位移植當(dāng)前少有研究涉及，考慮肺癌原位移植為體內(nèi)深部組織，結(jié)合基礎(chǔ)研究中腫瘤細(xì)胞成瘤模型經(jīng)驗(yàn)，支氣管內(nèi)注射或胸腔內(nèi)原位注射法是否可成為肺癌PDTX模型構(gòu)建的重要方法值得進(jìn)一步研究證實(shí)。