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关于PDX模型,有一个很长的故事要讲...

2020年05月15日 浏览量: 评论(0) 来源:乐悠生物 作者: 责任编辑:admin
摘要:PDX模型,全称为人源肿瘤异种移植(Patient-derived tumor xenograft, PDX)模型,是将来源于患者的肿瘤组织、原代细胞植入免疫缺陷鼠的体内形成的移植瘤模型。

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PDX模型,全称为人源肿瘤异种移植(Patient-derived tumor xenograft, PDX)模型,是将来源于患者的肿瘤组织、原代细胞植入免疫缺陷鼠的体内形成的移植瘤模型。

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PDX模型

相较于传统的细胞系移植模型(cell-derived xenograft, CDX),PDX模型未经过体外培养,较好地保持了原发肿瘤的遗传特性和异质性,实验结果临床预见性更好,可以说是现阶段最优秀的肿瘤动物模型。


按照人类科学发展的一般规律,以上这段带有很多如“更好”、“最优秀”等比较级最高级形容词的简介似乎描述的应该是一项不久前才出现的医学突破性创新技术,但其实PDX模型背后的“异种移植”理念以及为了实现这个理念而做出的尝试已经持续了几个世纪,在动物模型中再现人类肿瘤一直是癌症研究的长期目标。


为了了解肿瘤的起源,早期科学家们通过“Cancer Genesis”法诱导形成自发性肿瘤[1] 。他们应用各种方法诱导正常细胞癌变,以期在健康组织中形成肿瘤,然而当时都以失败告终。 


接下来,科学家们试图通过直接将人类肿瘤移植到动物体内的方法再现人类肿瘤。


可以追溯到的第一个将人类肿瘤移植到动物体内的实验是由法国外科医生Peyrilhe在1775年进行的,他将人类乳腺癌的粗提物注射到一只狗体内。一开始科学家们进行这个实验主要是出于好奇心,为了确定肿瘤的遗传性,他们对把肿瘤移植到动物身上以观察这种未知疾病的病理很感兴趣[1] 。虽然这个实验以失败告终,但随着Peyrilhe的尝试,一个世纪过去了肿瘤学先驱们在人源肿瘤异种移植模型领域不断钻研探索。  


1807年,Dupuytren尝试了各种方法将人类肿瘤移植进动物体内,包括用肿瘤组织接种到动物腹部,注射肿瘤组织混合液到动物腹腔或者静脉、接种溃疡性癌症患者的脓液等[1] 。  


1840年,Langenbeck设计了另一种类似的实验,向狗的静脉中注射了人类肱骨髓样癌组织液,在接种的2个月后,他在狗的肺中发现了几个圆形结节[1] 。  


1851年,Lebert和Follin将乳状乳腺癌组织注射到一只狗的颈静脉中。虽然这只动物在15天后死亡,但尸检发现心脏周围已经有结节产生[1] 。  


但遗憾的是,在以上两种情况下,科学家们都无法确认所观察到的结节产生是肿瘤移植的直接结果还是肿瘤的自发形成。在Langenbeck的案例中,病理学家Virchow认为这里产生的结节更接近于狗的自发癌症,而非人源性的。


虽然在这一个世纪中,人源肿瘤异种模型的发展并没有形成建树性的突破,但历史证明这些科学家们的不断尝试为PDX模型的出现奠定了坚实的根基。


1938年,Greene报道了他成功将人类子宫腺瘤移植到了兔子体内的实验结果。1934年5月至1937年12月间,Greene将人类子宫腺瘤通过注射细胞悬液或移植肿瘤组织块的方法分别移植到了83只兔子的皮下组织、肌肉、腹膜腔、睾丸和眼前房当中,有61只荷瘤动物在肿瘤发展的不同阶段死亡,8只死于肿瘤转移的过程中,14只处在正常观察的状态。自发现肿瘤之日起计算,肿瘤存活时间为5至20个月,平均为12个月;如果从出现生殖障碍之日起计算,肿瘤存活时间为14至29个月,平均为19个月。在已知肿瘤持续时间超过1年的所有病例中肿瘤都发生了转移,其中眼内的肿瘤成功地通过连续转移进行了6代的生长[2] 。


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不同的肿瘤移植方法

在不断探索移植人类肿瘤可行方法的同时,科学家们也曾将肿瘤植入大鼠、仓鼠的颊囊、犬和鸡胚中进行了许多实验以检验不同宿主的移植效率。


1951年,Toolan设计了在移植前对大鼠和小鼠的进行预处理而成功移植肿瘤的方案。在使用X射线照射对大鼠和小鼠处理的方案中,大鼠每隔一日接受3次200r全身X射线照射,小鼠每隔一日接受4次150r全身X射线照射,接着Toolan将包括表皮样瘤、黑色素瘤、乳腺瘤、平滑肌瘤等在内的100例人类肿瘤的细胞悬液植入预先被X射线照射的大鼠和小鼠的皮下组织当中,其中有33例在第一代结束时(8天)没有有丝分裂细胞,34例在第一代结束时显示出细胞增殖代,但未能成功转移到第二代,有33例被移植了两代或更多,并具有活跃生长和血管形成的迹象。其中,表皮样瘤的扩散最为显著[3]。  


Toolan有效地证明了宿主免疫在移植成功中的重要作用。尽管使用预处理过的动物宿主进行人类肿瘤移植取得了成功,但这些方法仍存在一些缺点,使得它并没有得到长久广泛的使用。在很大程度上,这是由于人类肿瘤模型的应用预期发生了变化。随着社会对癌症的认识和理解的进步,科学家们开始考虑利用人类肿瘤模型作为药筛平台的可能性,而对动物宿主的预处理并没有提供理想的实验条件。


早期建立PDX模型的成功率极低,这在很大程度上是由于宿主免疫系统会对移植物质产生排斥。虽然X射线照射和胸腺切除术等方法已经被用来抑制宿主的免疫系统,但PDX模型的发展在很大程度上得益于免疫缺陷宿主小鼠的产生。


第一个突破是裸鼠的发展。1962年,苏格兰医生Issacso等首次在非近交系白化种群小鼠中发现有个别无毛小鼠,但并未对其做深入分析。1966年,来自爱丁堡动物遗传研究所的Flanagan证实这种无毛小鼠是由于染色体上等位基因突变引起的,认为这是一种新的自发突变种,并命名为“裸体”(Nude)小鼠。Flanagan还发现雌性裸鼠的生育能力极其低下且因乳腺发育不良而不能将子代养大,但可惜的是他并未发现裸鼠无胸腺这一最重要的特征。1968年,来自苏格兰斯特拉斯克莱德大学的Pantelouris在解剖从爱丁堡动物遗传研究所得到的裸鼠时发现这些小鼠无胸腺,这引起了世界各国医学生物学工作者的极大兴趣。裸鼠先天无毛、无胸腺、T淋巴细胞功能完全缺乏,对异种移植不产生排斥反应,因此特别适用于异种动物组织的移植和人类肿瘤异种移植,有望代替胸腺切除小鼠。


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裸鼠

1969年,丹麦学者Rygaard首次成功地将人类结肠癌肿瘤移植于3只裸鼠体内,肿瘤移植的6天后,在移植部位发现了肿瘤组织。肿瘤移植的第40天,原2×2×2mm大小的肿瘤组织在其中两只裸鼠体内已长至10×20×25mm,在另一只裸鼠长至5×5×20mm,而在作为对照组正常小鼠的体内并未发现肿瘤生长的迹象[4] 。由此,学者们通过将各种类型的肿瘤组织移植到裸鼠体内,建立了许多PDX肿瘤模型。  


1983年,Bosma, G.C.等人发现了一种重度联合免疫缺陷的CB17-SCID鼠,它缺乏成熟的T细胞和B细胞,但其体内保留的先天免疫系统如功能正常的NK细胞,不利于人源细胞的长期定植[5] 。  


1995年,Jackson Lab 用非肥胖糖尿病小鼠NOD/Lt与SCID小鼠杂交,NOD-SCID小鼠由此产生[6],这种杂交品种抑制了NK细胞的活性,并且还伴随有固有免疫系统的缺陷,因而是一种免疫缺陷更严重、更易于异种移植成功并可稳定应用的动物模型。但是NOD-SCID平均8.5个月发生胸腺瘤,不宜做长期模型。  


2002年,日本实验动物研究所(CIEA)培育出了NOG小鼠,他们通过杂交NOD/scid小鼠和γ-链IL-2受体敲除(IL2rγKO)小鼠成功建立了一个免疫功能严重不全的小鼠品系[7],与NOD-scid小鼠相比,NOG小鼠的人体细胞和组织移植存活率显著提高,同时能够植入更高比例的正常或癌变人类细胞和组织。  


2005年,美国Jackson Lab研发出了NOD-scid gamma(NSG)小鼠[8],这种小鼠由于基因突变,T、B淋巴细胞都缺陷且具有重要免疫调节功能的IL2受体的gamma链基因被敲除,NK细胞也失去功能,可用于移植人体细胞和组织而不引起传统免疫反应,是目前人源化组织移植最理想的受体小鼠。  


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小鼠图谱

随后,有学者将人类造血干细胞(HSC)移植入这些小鼠中形成人源化造血和免疫系统重建小鼠,被证明是非常有效的人源小鼠。除此之外,还有将人的外周血单核细胞直接注射到重度免疫缺陷小鼠里进行免疫重建的PBMC模型;将人的胚胎肝脏和胸腺共同移植到免疫缺陷鼠的肾被膜下,同时将同一胚胎来源的肝脏造血干细胞注射到小鼠体内而建立的BLT模型,这些模型也被广泛运用于PDX模型的研究与构建当中,是研究人类疾病的有效的工具。


近几十年来,随着免疫缺陷小鼠的广泛应用,大量PDX肿瘤模型得以成功建立。这些模型保留了其亲代肿瘤的组织病理学、分子特征和药物反应,可以再现细胞系系统未能捕获的肿瘤异质性,并在人群水平上显示出潜在的临床试验反应预测能力。鉴于此,PDX模型提供了一个强大的工具,并已广泛用于研究癌症生物学,协助个性化癌症治疗和药物筛选的临床前设置。


参考文献:

[1]Woglom WH. The study of experimental cancer, a review, vol. 1. New York: Columbia University Press; 1913.


[2]Greene HS, Saxton JA. UTERINE ADENOMATA IN THE RABBIT : I. CLINICAL HISTORY, PATHOLOGY AND PRELIMINARY TRANSPLANTATION EXPERIMENTS. The Journal of Experimental Medicine. 1938 Apr;67(5):691-708. DOI: 10.1084/jem.67.5.691.


[3]Toolan, H. W. (1951). Successful Subcutaneous Growth and Transplantation of Human Tumors in X-Irradiated Laboratory Animals. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine, 77(3), 572–578.


[4]Rygaard, J. and Poulsen, C.O. (1969), HETEROTRANSPLANTATION OF A HUMAN MALIGNANT TUMOUR TO “NUDE” MICE. Acta Pathologica Microbiologica Scandinavica, 77: 758-760. doi:10.1111/j.1699-0463.1969.tb04520.x


[5]Bosma GC, Custer RP, Bosma MJ. A severe combined immunodeficiency mutation in the mouse. Nature. 1983;301(5900):527–30.


[6]Shultz LD, Schweitzer PA, Christianson SW, Gott B, Schweitzer IB, Tennent B, et al. Multiple defects in innate and adaptive immunologic function in NOD/LtSz-scid mice. J Immunol. 1995;154(1):180–91


[7]Ito, Mamoru, et al. "NOD/SCID/γ c null mouse: an excellent recipient mouse model for engraftment of human cells." Blood, The Journal of the American Society of Hematology 100.9 (2002): 3175-3182.


[8]Shultz, Leonard D., et al. "Human lymphoid and myeloid cell development in NOD/LtSz-scid IL2Rγnull mice engrafted with mobilized human hemopoietic stem cells." The Journal of Immunology 174.10 (2005): 6477-6489.

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