Ксенотрансплантаты, полученные от пациента ( PDX ), представляют собой модели рака, в которых ткань или клетки опухоли пациента имплантируются иммунодефицитной или гуманизированной мыши . [1] Это форма ксенотрансплантации . Модели PDX используются для создания среды, которая допускает непрерывный рост рака после его удаления у пациента. Таким образом, рост опухоли можно контролировать в лаборатории, в том числе в ответ на потенциальные терапевтические варианты. [1] Когорты моделей PDX можно использовать для определения терапевтической эффективности терапии против определенных типов рака, или модель PDX от конкретного пациента можно протестировать против ряда терапий в подходе «персонализированной онкологии».
Для создания моделей PDX можно использовать несколько типов иммунодефицитных мышей: бестимусные голые мыши , мыши с тяжелым иммунодефицитом (SCID) , мыши NOD-SCID и мыши с нокаутом гена 2, активирующего рекомбинацию (Rag2). [2] Используемые мыши должны иметь иммунодефицит, чтобы предотвратить отторжение трансплантата. Мышь NOD-SCID считается более иммунодефицитной, чем голая мышь, и поэтому ее чаще используют для моделей PDX, поскольку мышь NOD-SCID не вырабатывает естественные клетки-киллеры . [3]
При резекции опухолей человека некротические ткани удаляются, а опухоль может быть механически разделена на более мелкие фрагменты, химически переварена или физически преобразована в суспензию отдельных клеток. Использование как дискретных фрагментов опухоли, так и суспензий отдельных клеток имеет свои преимущества и недостатки. Фрагменты опухоли сохраняют межклеточные взаимодействия, а также некоторую тканевую архитектуру исходной опухоли, тем самым имитируя микросреду опухоли. В качестве альтернативы суспензия отдельных клеток позволяет ученым собирать беспристрастную выборку всей опухоли, устраняя пространственно разделенные субклоны, которые в противном случае непреднамеренно выбираются во время анализа или пассирования опухоли . [4] Однако суспензии отдельных клеток подвергают выжившие клетки воздействию грубых химических или механических сил, которые могут сенсибилизировать клетки к аноикису , что сказывается на жизнеспособности клеток и успешности приживления. [5]
В отличие от создания моделей ксенотрансплантатов на мышах с использованием существующих линий раковых клеток, нет промежуточных этапов обработки in vitro перед имплантацией фрагментов опухоли в мышиного хозяина для создания PDX. Фрагменты опухоли имплантируются либо гетеротопически, либо ортотопически в иммунодефицитную мышь. При гетеротопической имплантации ткань или клетки имплантируются в область мыши, не связанную с исходным местом опухоли, как правило, подкожно или в субренальные капсульные участки. [6] Преимуществами этого метода являются прямой доступ для имплантации и простота мониторинга роста опухоли. При ортотопической имплантации ученые трансплантируют опухолевую ткань или клетки пациента в соответствующее анатомическое положение у мыши. Подкожные модели PDX редко вызывают метастазы у мышей и не имитируют исходную микросреду опухоли с показателями приживления 40-60%. [6] Субренальный капсульный PDX сохраняет исходную строму опухоли, а также эквивалентную строму хозяина и имеет показатель приживления 95%. [7] В конечном итоге, для приживления опухоли требуется около 2–4 месяцев, в зависимости от типа опухоли, места имплантации и штамма используемых иммунодефицитных мышей; неудача приживления не должна быть объявлена ранее, чем через 6 месяцев. [2] Исследователи могут использовать гетеротопическую имплантацию для первоначального приживления от пациента к мыши, а затем использовать ортотопическую имплантацию для имплантации выращенной на мышах опухоли в последующие поколения мышей. [1]
Первое поколение мышей, получающих фрагменты опухоли пациента, обычно обозначается F0. Когда опухолевая нагрузка становится слишком большой для мыши F0, исследователи передают опухоль следующему поколению мышей. Каждое последующее поколение обозначается F1, F2, F3…Fn. Для исследований по разработке лекарств часто используется расширение мышей после поколения F3 после того, как будет установлено, что PDX генетически или гистологически не отличается от опухоли пациента. [8]
Линии раковых клеток изначально получены из опухолей пациентов, но приобретают способность размножаться в клеточных культурах in vitro . В результате манипуляций in vitro клеточные линии, которые традиционно использовались в исследованиях рака, подвергаются генетическим трансформациям, которые не восстанавливаются, когда клеткам позволяют расти in vivo . [9] Благодаря процессу культивирования клеток, который включает ферментативную среду и центрифугирование, отбираются клетки, которые лучше приспособлены к выживанию в культуре, клетки-резиденты опухоли и белки, которые взаимодействуют с раковыми клетками, устраняются, и культура становится фенотипически однородной. [4]
При имплантации иммунодефицитным мышам клеточные линии нелегко развивают опухоли, и результатом любой успешно выращенной опухоли является генетически дивергентная опухоль, в отличие от гетерогенной опухоли пациента. [4] Исследователи начинают приписывать причину того, что только 5% противораковых агентов одобрены Управлением по контролю за продуктами и лекарствами после доклинических испытаний, отсутствию гетерогенности опухоли и отсутствию микросреды стромы человека. [10] В частности, клеточные линии-ксенотрансплантаты часто не позволяют предсказать реакцию на лекарство в первичных опухолях, поскольку клеточные линии не следуют путям лекарственной устойчивости или влиянию микросреды на реакцию на лекарство, обнаруженным в первичных опухолях человека. [10]
Многие модели PDX были успешно созданы для рака груди, простаты, толстой кишки, легких и многих других видов рака, поскольку существуют особые преимущества при использовании PDX по сравнению с клеточными линиями для исследований безопасности и эффективности лекарств, а также для прогнозирования реакции опухоли пациента на определенные противораковые агенты. [11] Поскольку PDX можно пассировать без этапов обработки in vitro , модели PDX позволяют размножать и расширять опухоли пациента без значительной генетической трансформации опухолевых клеток в течение нескольких поколений мышей. [12] В моделях PDX образцы опухолей пациента растут в физиологически релевантных опухолевых микросредах, которые имитируют уровни кислорода, питательных веществ и гормонов, которые находятся в первичном месте опухоли пациента. [8] Кроме того, имплантированная опухолевая ткань сохраняет генетические и эпигенетические аномалии, обнаруженные у пациента, а ксенотрансплантатная ткань может быть удалена у пациента, чтобы включить окружающую человеческую строму. [13] В результате многочисленные исследования показали, что модели PDX демонстрируют схожие реакции на противораковые агенты, которые наблюдаются у реального пациента, предоставившего образец опухоли. [14]
Одним из существенных недостатков моделей PDX является то, что для предотвращения иммунных атак против ксенотрансплантированной опухоли необходимо использовать иммунодефицитных мышей. При недееспособности иммунной системы критический компонент известного взаимодействия микроокружения опухоли исключается, что не позволяет изучать иммунотерапию и противораковые агенты, нацеленные на компоненты иммунной системы, в моделях PDX. Исследователи начинают изучать использование моделей гуманизированных ксенотрансплантатов для проведения иммунных исследований. Модели гуманизированных ксенотрансплантатов создаются путем совместной трансплантации фрагмента опухоли пациента и клеток периферической крови или костного мозга в мышь NOD/SCID. [3] Совместная трансплантация позволяет восстановить иммунную систему мышей, что дает представление о взаимодействии между ксеногенной человеческой стромой и опухолевой средой при прогрессировании рака и метастазах. [15] Однако эти стратегии еще не проверены для большинства типов опухолей, и остаются вопросы о том, будет ли восстановленная иммунная система вести себя так же, как у пациента. Например, иммунная система может быть «гиперактивирована» из-за воздействия тканей мыши аналогично реакции «трансплантат против хозяина». [16] Были созданы гуманизированные модели ксенотрансплантатов для острого лимфобластного лейкоза и острого миелоидного лейкоза. [17]
Классификация генетических подтипов рака молочной железы , включая трижды негативные и HER2-положительные подтипы, [8] позволила онкологам использовать подтип рака молочной железы пациента для персонализации графиков терапии рака. Используя модели трижды негативного рака молочной железы PDX , ученые обнаружили, что ингибиторы киназы aurora замедляют скорость роста опухоли и подавляют рецидивирование в подтипе рака молочной железы, который имеет высокую частоту рецидивов и низкую выживаемость. [18] Ученые также обнаружили, что модели PDX рака молочной железы способны предсказывать прогноз для недавно диагностированных женщин, наблюдая за скоростью приживления опухоли, чтобы определить, является ли опухоль пациента агрессивной. [19] Метастазы рака молочной железы в мозг непропорционально поражают молодых женщин, особенно тех, у кого отсутствуют рецепторы эстрогена (ER), рецепторы прогестерона и HER2 (известный как трижды негативный рак молочной железы, TNBC). Contreras-Zarate MJ et al. разработали и охарактеризовали новые гетерогенные и клинически значимые PDXs метастаз рака молочной железы в головном мозге человека (BM-PDXs) для изучения механизмов метастатической колонизации головного мозга, с дополнительным преимуществом более медленной скорости прогрессирования, что делает их пригодными для доклинического тестирования лекарственных препаратов в терапевтических условиях. [20]
Модели колоректального PDX сравнительно легко установить, и модели сохраняют генетическое сходство первичной опухоли пациента в течение примерно 14 поколений. [21] В 2012 году исследование установило 27 моделей колоректального PDX, которые не расходились с соответствующими человеческими опухолями по гистологии, экспрессии генов или статусу мутации KRAS/BRAF. [22] Благодаря своей стабильности 27 моделей колоректального PDX могут служить доклиническими моделями в будущих исследованиях лекарственных препаратов. Исследования лекарственной устойчивости проводились с использованием моделей колоректального PDX. В одном исследовании исследователи обнаружили, что модели предсказывали реакцию пациента на цетуксимаб с точностью 90%. [23] Другое исследование определило амплификацию ERBB2 как еще один механизм резистентности и предполагаемую новую целевую цель в лечении. [24]
Первоначально исследователи сосредоточились на использовании моделей PDX поджелудочной железы для изучения лекарственных препаратов, чтобы улучшить процесс разработки прогностических и фармакодинамических конечных точек для нескольких молекулярно-таргетных методов лечения. [8] Другие исследования были проведены для изучения того, можно ли использовать модели PDX поджелудочной железы для руководства текущим лечением пациентов с прогрессирующим раком поджелудочной железы путем скрининга нескольких препаратов для выбора препарата с наибольшей активностью в качестве следующей линии лечения. [25] [26] Модели PDX поджелудочной железы показали, что антимезотилиновые CAR-T-клетки ( T-клетки, модифицированные химерным антигенным рецептором ) подавляют рост рака. [27]
Исследователи создали PDX нейробластомы путем ортотопической имплантации эксплантатов опухоли пациента иммунодефицитным мышам. PDX сохранили генотип и фенотип опухолей пациента и продемонстрировали существенный инфильтративный рост и метастазы в отдаленные органы, включая костный мозг. Исследователи культивировали клетки нейробластомы, полученные из PDX, in vitro , и клетки сохранили опухолеобразующую и метастатическую способность in vivo . [28]
Модели PDX глиобластомы (GBM) были необходимы для улучшения нашего понимания заболевания как в доклинических, так и в трансляционных исследованиях. [29] Модели культуры клеток in vitro глиобластомы, хотя и ценны, не могут полностью воспроизвести сложность заболевания, поскольку наблюдается явный недостаток микросреды мозга и клонального отбора. [30] Ортотопические PDX GBM могут быть созданы посредством внутричерепных инъекций опухолевых клеток с использованием стереотаксической рамки. [31] Было показано, что модели PDX GBM могут воспроизводить гистопатологию, фенотипические свойства и генетику опухоли родительского пациента, что подчеркивает актуальность таких моделей для исследования GBM. [31] [32] [33]
Существует несколько проблем, с которыми сталкиваются ученые при разработке или использовании моделей PDX в исследованиях. Например, не все образцы опухолей успешно приживутся у иммунодефицитной мыши. Когда приживление происходит, протоколы клинических исследований трудно стандартизировать, если скорость приживления варьируется. [11] Существует также вероятность того, что генетическая сложность опухоли пациента снижается во время инициации моделей PDX посредством процесса, известного как геномное бутылочное горлышко. [34] [35] Кроме того, дорого содержать мышей, поддерживать гистопатологические сердечники для частого тестирования, [11] и проводить ex vivo пассирование опухолей у мышей с высокой опухолевой нагрузкой. [3] Научное сообщество пытается решить эти проблемы, объединяя усилия и обмениваясь моделями и опытом, чтобы избежать дублирования: академические сети возникли в Европе [36] и США [37] , а программа Horizon 2020 финансирует новую исследовательскую инфраструктуру [38], предоставляющую стандартизированные услуги и ресурсы, с целью улучшения воспроизводимости и открытого доступа к ресурсам и услугам. [39]
Что касается использования PDX в персонализированной медицине , существуют финансовые проблемы. В США стоимость разработки моделей PDX может потенциально обойтись пациенту в тысячи долларов за лечение. [40] Создание моделей PDX также может занять значительное время, что может представлять проблему для пациентов с поздними стадиями рака. [1] Несмотря на эти неудачи, ожидается, что рынок PDX вырастет с рыночной капитализации в 77,4 млн долларов в 2017 году до 167,6 млн долларов в 2022 году из-за растущего спроса на персонализированную медицину. [41]