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shRNA表达克隆

人源肿瘤小鼠移植模型

Aug 14, 2018 No Comments

虽然肿瘤研究人员曾对人源肿瘤异种移植(patient-derived xenograft, PDX)寄予厚望,但是他们很快就发现,PDX的实验室数据与临床真实情况相去甚远。

Lindsey Abel从塑料容器中取出一只已被麻醉的小鼠,然后把它放在实验台上。她用注射器在动物右侧皮肤下注入一团粉红色的癌细胞。这些细胞曾经属于一名舌癌患者,该患者是一名前吸烟者,在接受了放化疗之后,癌症还是复发了。将来自患者的肿瘤接种到小鼠身上,Abel创造了一种被称为PDX的癌症模型。接种到小鼠的肿瘤可以长出更多的肿瘤细胞,然后再被移植到其它小鼠身上。

自从加入威斯康星大学(University of Wisconsin–Madison)麦迪逊分校Randall Kimple的实验室以来,Abel已经给成百上千只小鼠接种过患者来源的肿瘤。放射肿瘤学家Kimple使用PDX小鼠来开展一些在人体上无法实现的试验,例如测试新药和预测对治疗有良好反应的因素。自2011年以来,他的实验室已经创造了50多只PDX小鼠。

事实上,这样的实验室非常多。PDX小鼠在过去十年中迅速普及,并开始取代其它技术,成为主流的癌症研究和药物开发的癌症模型。因为模型使用新鲜的人类肿瘤碎片而不是培养皿中培养的肿瘤细胞株,研究人员一直希望PDX能更准确地模拟肿瘤行为,甚至帮忙指导患者的治疗决策。同时,PDX能帮助研究各种各样的肿瘤。PDXFinder是今年早些时候推出的目录,里面列出了1900多种PDX小鼠。但欧洲生物信息学研究所(European Bioinformatics Institute)的生物信息学家、PDXFinder的负责人Nathalie Conte表示,事实上学术和工业实验室中的PDX模型远不止这么多——已创建的PDX就多达一万个。

然而,PDX模型并不完美——科学家开始认识到它们的缺点和复杂性。例如,肿瘤和原始样本有显著的差异,以致于不能用于测试免疫疗法。现在,生物学家正在仔细研究PDX小鼠,并寻找创造性的方法来应对挑战。马里兰州贝塞斯达国家癌症研究所(National Cancer Institute)研究药物分部负责人Jeffrey Moscow指出,每种模型都在某种程度上是人造的,真正的问题在于,这些模型的可预测性有多大。

 

PDX的兴衰

50多年来,科学家一直在将人类癌症移植到小鼠体内。例如,在20世纪60年代,研究人员从患有结肠癌的74岁女性身上取下肿瘤,将其切碎,并将碎片注射到没有免疫系统的小鼠皮下。待小鼠身上的肿瘤生长后,研究人员再将其切割成碎片,并移植到更多的小鼠体内。然而,这种方法没有获得太大的关注。相反,许多研究人员更依赖往小鼠体内植入人类癌症的细胞株,因为这比使用活检组织中的新鲜肿瘤碎片更便宜,操作也更容易。

但在21世纪初,研究人员开始担心细胞系异种移植模型无法真实模拟人类癌症。他们意识到在这些小鼠身上起作用的药物很少在人体中发挥作用,部分原因是细胞随着时间的推移而发生改变。因此研究人员再次将目光转向PDX模型。

其中一位PDX模型的早期采用者是马萨诸塞州哈佛医学院(Harvard Medical School)的癌症研究员Manuel Hidalgo。2002年,他开始使用来源于一名胆管癌女性患者的肿瘤组织构建模型。Hidalgo建议将患者的肿瘤细胞直接注射到小鼠体内,看看哪种药物效果最好。4年后,Hidalgo联合创立了一家公司,旨在为更多患者生成这些小鼠PDX模型。该公司——已经被新泽西州哈肯萨克的Champions Oncology公司收购——现已开始向肿瘤学家和患者提供这些模型,作为筛选最有可能有效的治疗方法的工具。有些人预测个性化小鼠模型将成为癌症治疗的标准做法。

但这种方法并没有像预期那样被广泛使用,Hidalgo指出,去年,他和他的同事发表了一项研究,其中包括1163名向Champions Oncology公司求助的患者。因为不是所有的肿瘤都能在小鼠身上生长,所以该公司成功为其中一半的患者生成了PDX模型。

对于这些人中的许多人来说,PDX模型来得太晚了,或者医生没有跟进PDX筛药测试。尽管如此,这些模型确实具有预测性:研究人员确定了92名接受基于PDX模型筛药测试的治疗的患者,并发现PDX预测准确率达到了87%。

根据Champions Oncology首席执行官Ronnie Morris的说法,虽然该公司仍然还在为患者提供PDX模型,但大约在三年前公司就将工作重心从个性化治疗上转移开来。PDX筛药测试时间太长、花费太高。Morris指出,这对他们来说是一件坏事。

 

逐渐被接受

同时,PDX小鼠模型在研究领域日益受欢迎。科学家已经接受了这些模型,以提高他们对肿瘤生物学的理解,并寻找新的药物。然而,问题仍然是PDX是否比以前的模型更好,更能代表人类肿瘤。

博德研究所(Broad Institute)癌症项目负责人Todd Golub等人分析了代表数十种癌症类型的数百种PDX模型的基因组。他们正在研究基因组中的重复序列,以及当肿瘤细胞通过几只小鼠的传代后,基因组会发生什么变化。他们发现肿瘤进化迅速:到第四代,88%的PDX模型至少有一个比较明显的染色体畸变,中位数为12%的基因组受到影响。

剑桥Novartis公司肿瘤学药理学主任Juliet Williams表示,有一段时间人们已经清楚地发现了遗传变化。她指出,问题是,这些观察到的少量基因变化在功能上是否会产生重要影响?2015年,Williams等人组建了一个由250个PDX模型组成的小组,并用它们测试了60多种药物和药物组合,其中包括一批已被批准的药物和药物组合。他们发现,PDX对已批准的药物作出的反应和预测在人类患者上发生的一样。Williams等人从那时起收集的所有数据都表明PDX中的肿瘤对药物的反应与患者相同。

但当Golub等人重新分析这些数据时,发现了基因组上发生的三种变化可能会改变测试结果。Golub认为PDX小鼠并不比接种癌症细胞株的小鼠模型有效。他完全没有看出PDX的神奇之处。

Golub和一位同事努力发起了一项国际行动,计划收集超过10,000种癌细胞系。哈佛医学院(Harvard Medical School)的肿瘤学家David Weinstock指出,这将是一个福音,并且可能无需PDX小鼠。但目前可用的细胞系不到2,000种,构建新的细胞系很困难。虽然来自这些细胞系的异种移植小鼠可能很有价值,但研究人员在跳过细胞系步骤以直接制造PDX小鼠方面取得了更大的成功。Weinstock表示,虽然他们可以在一个实验室中制造350个白血病和淋巴瘤PDX模型,但没有足够的资金和足够的专业人才的情况下,他们却无法制造350种细胞系。 

 

更人性化的小鼠模型

然而,PDX小鼠真正的致命弱点是,为了让肿瘤生长,研究人员必须使用缺乏免疫系统的小鼠。这使得无法使用PDX来测试免疫疗法。目前有几个团队正在努力改变这种状况。

位于缅因州巴尔港的杰克逊实验室(Jackson Laboratory)从人类脐带取出干细胞,并将它们注射到几周龄的小鼠体内。这些干细胞分化,并形成人免疫系统的某些部分,主要是T细胞。然后研究人员将人类肿瘤转移到这些小鼠身上。实验室癌症研究员James Keck猜测没有人认为这会起作用,因为脐带供体与肿瘤供体不匹配,所以T细胞应该攻击肿瘤。但是,肿瘤具有阻止免疫系统的防御机制,所以“10只小鼠中有9只的肿瘤仍在增长。这使得科学家可以在携带人类免疫细胞的小鼠模型中测试免疫疗法。

就像人类患者一样,这些疗法并不总是有效的。例如,Keck等人发现,pembrolizumab可以增强接受患者A的干细胞的小鼠中T细胞的反应,并抑制膀胱癌生长;但对接受来自患者B干细胞的小鼠则无效,即便这两种小鼠携带的是同种肿瘤。Keck指出,我们实际上已经很接近大家一直在追求的东西:一种能模仿临床反应的小鼠模型。

理想情况下,研究人员希望用来自同一个人的肿瘤和免疫细胞去改造小鼠。费城Wistar研究所(Wistar Institute)研究黑色素瘤的Meenhard Herlyn等人正试图利用患者的皮肤或血细胞来产生诱导性多潜能干细胞,然后可以用来制造免疫细胞。Herlyn表示,模型即将完成。

但即使这些下一代PDX也存在缺陷。例如,当肿瘤移植物在小鼠之间传代时,肿瘤移植物中的人类结缔组织和血管组织会逐渐被小鼠的等同物取代。

不过,Keck对这些可能性感到兴奋。他指出,这不再是多少年前创建的细胞株的异种移植物。这些模型更复杂。我们现在已经进入了一个全新的、水平更高的肿瘤研究的领域。

 

 

原文检索:
Cassandra Willyard. (2018) The mice with human tumours: Growing pains for a popular cancer model. Nature, 560: 156-157. 
张洁/编译

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