PDX模型在肿瘤转化医学中的应用与发展

转化医学是旨在进一步加强基础研究与临床研究紧密联系，促进基础研究成果能够更好更快地服务于临床医疗实践的研究领域^[1]。化疗药物的研发是肿瘤转化医学研究的重要组成部分，而建立与应用临床前动物模型则是研发新型化疗药物的关键与核心。近40年来，传统人源肿瘤细胞移植瘤模型在药物研发过程中已获广泛应用，然而经此模型鉴定筛选的药物仅约1/3在二期临床试验中验证有效^[2]。而绝大部分鉴定筛选的新型药物在三期临床试验中均以失败告终，其原因在于，常用作优化筛选药物或鉴定药物靶向疗效的动物模型，对临床药物疗效预测能力较差^[2,3]。人源肿瘤细胞系经长期体外培养后，其肿瘤细胞生物学行为及基因谱表达水平、肿瘤异质性都与原始肿瘤组织存在较大的差异，不能准确地反映原始肿瘤异质性和肿瘤微环境等特点，从而使临床药物干预结果差强人意。因此，传统的人源肿瘤细胞模型并不适宜作为可靠的工具或平台，用于研发或筛选优化临床新型化疗药物、以及对肿瘤患者进行个体化治疗等。

人源肿瘤组织来源移植瘤模型（patient-derived tumor xenograft model，PDX模型）逐渐成为药物研发过程中的临床前药物筛选首选工具^[4,5,6]。由于PDX模型能够保留原始肿瘤组织绝大部分生物学特性及重要的遗传信息，较高程度地表达原始肿瘤复杂的肿瘤异质性与肿瘤分子多样性，因而在临床肿瘤转化研究中具有更大优势。近年来，许多不同类型肿瘤的PDX模型逐渐被构建用于肿瘤转化医学研究。随着PDX模型的建立与发展，越来越多的临床化疗方案得到特异性优化，帮助临床发现肿瘤化疗敏感或耐药生物分子标志物，以逐步实现肿瘤的个体化治疗。本文将就PDX模型在肿瘤转化医学中的应用和发展现状作一综述。

一、PDX模型构建模式及影响因素

（一）构建模式

PDX模型构建常规流程包括：（1）采用外科手术、活检或过滤恶性胸腹水等方法，获取部分原发或转移肿瘤组织，将剩余肿瘤组织分别置于液氮及福尔巴林溶液中，待用分析；（2）将获取的肿瘤组织行去除坏死组织等预处理后，切成若干1~3 mm³小块，或将组织制备成单细胞悬液；（3）将处理好的肿瘤组织移植到免疫缺陷小鼠中，不同类型肿瘤组织移植位置要求不同，通常将肿瘤组织移植于小鼠背部皮下；（4）饲养荷瘤小鼠4~6月，待移植瘤体积增长至1~2 cm³，将本代移植瘤小鼠标记为F0，并处死取瘤。（5）重复上述步骤，将F0代肿瘤移植于其他免疫缺陷小鼠体内，构建F1代移植瘤小鼠，逐渐传代移植；（6）以此为模型，进行相关药物筛选鉴定等肿瘤转化医学研究^[7,8]。

（二）影响因素

1．接种裸鼠品系：

在此方面，构建PDX模型比传统移植瘤模型更具有挑战性。通常免疫缺陷程度越严重的小鼠品系，移植瘤成活率越高。由于严重联合免疫缺陷（severe combined immune deficiency，SCID）小鼠存在着先天性免疫系统缺失，因而比普通裸鼠更具严重的免疫缺陷，使得移植于SCID小鼠的肿瘤组织更容易增殖成活^[9,10]。然而，SCID小鼠品系并非适用于所有PDX模型。有研究发现，选择SCID小鼠为宿主的胃癌PDX模型常常伴随淋巴瘤的产生，但在普通BALB/c裸鼠中并未观察到该现象^[11]。这可能由于一方面，胃癌患者肿瘤组织隐匿的EB病毒在无免疫监视或联合免疫缺陷小鼠体内逐渐被激活扩增，促使B淋巴细胞恶性增殖引起淋巴瘤^[11,12]；另一方面，与其他类型肿瘤相比，胃癌通常伴有幽门螺旋杆菌感染，处在高度炎性环境中，故更容易导致炎性细胞恶性增殖^[11,13]。这提示，SCID小鼠可能不适宜作为胃癌PDX模型接种对象^[11]。另外，宿主裸鼠特性对构建PDX模型成功率也起到关键作用^[14]。

2．肿瘤组织移植方式及移植部位：

可以采取原位或异位移植肿瘤组织^[10,15]。（1）异位移植肿瘤模型：常用方法为将肿瘤组织种植于小鼠背部皮下，此种方法操作简单、对肿瘤形成的位置与体积观测方便直观。肾包膜下移植也是异位移植经常选用的方式，不仅能显著提高成瘤率，还可缩短成瘤时间^[16]。（2）原位移植：因移植部位与原始肿瘤所处微环境相似，原位移植被认为更具有移植优势。但是此种移植方式对操作技巧、经费支出和观测肿瘤手段均有更高的要求^[8]。原位移植能够更好地模拟人类肿瘤微环境，故也能更好地反映人类肿瘤病理组织结构以及基因表达谱^[5,17,18]。研究发现，结肠癌组织移植于裸鼠不同解剖位置，其对化疗药物的敏感性存在较明显的差异^[19]。另外，原位移植的PDX肿瘤模型较之异位移植肿瘤模型更容易发生肿瘤转移，这可能与各肿瘤组织固有的生物学特性，或者是不同移植部位对于肿瘤转移敏感性不同所致^[20,21]。

二、PDX模型特性

大量研究表明，PDX肿瘤模型无论在病理组织结构、基因谱表达水平还是基因拷贝数突变等方面，均与原移植肿瘤保持较高一致性^{[20,22,23,24]}。在生物学水平，PDX模型可以保留患者肿瘤组织的主要生物学特征，包括肿瘤组织结构以及微观构造（腺体形成、黏蛋白的分泌以及囊泡的形成）；在基因表达谱水平，PDX模型可以保留原始肿瘤组织大部分的遗传信息、关键的肿瘤相关基因和涉及肿瘤进展的相关信号通路^[25]。研究显示，运用全基因组测序技术检测患者原位肿瘤、淋巴结及PDX肿瘤模型发现，PDX模型具有相对稳定的基因组，DNA结构未发生显著改变，只存在一些少量PDX特有的单个核酸碱基突变，这主要是由于肿瘤组织适应小鼠体内环境所做出的适应性变化^[26]。另外，微小分子RNA（miRNA）在PDX肿瘤模型和原始肿瘤模型中仅有约17%变化，在不同传代荷瘤小鼠间miRNA变化也没有显著改变^[27]。而且，PDX模型建立后，小鼠与小鼠之间传代肿瘤移植并不影响肿瘤的生物学特性。有研究显示，运用药物检测同源不同传代小鼠PDX模型对药物反应程度，结果发现，不同传代小鼠表现相似稳定的药物反应率^[28,29]。但值得注意的是，PDX肿瘤模型与原始肿瘤仍存在一些基因表达差异^[30]。研究发现，分化程度越低的肿瘤越容易发生基因突变；为避免这种突变引起的差异变化，需要将原始肿瘤组织移植于多个裸鼠体内，从而使得原始肿瘤异质性保存及延续^[31]。另外，随着移植肿瘤传代次数增多，移植肿瘤中人类细胞外基质肿瘤微环境逐渐被小鼠细胞外基质所替代，不同传代小鼠间也可能存在不同基因表达差异的改变。因此，通常只在传代次数较少的PDX肿瘤模型中进行较大数量的研究，以确保PDX模型可以保存及延续原始肿瘤完整的遗传信息^[29]。

为比较PDX模型与原始肿瘤基因信息的一致性，还可以通过比较总体肿瘤PDX模型与总体肿瘤患者在常规致癌基因突变方面的差异来判断^[28,29,32]。研究发现，结肠癌与胰腺癌PDX模型中TP53及RAS的突变频率，可以近似反映患者样本突变频率^[29,32]。

三、PDX模型应用

1．稳定且准确地预测药物的有效性：

研究表明，无论是特异性靶向药物抑或常规化疗药物，在PDX肿瘤模型取得的治疗效果与临床实际治疗效果大多能保持一致，Bertotti等^[32]研究发现，47例结肠癌PDX模型中使用表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）抑制剂西妥昔单抗，PDX模型肿瘤有效反应率为10.6%，与结肠癌患者用药有效率近似；MEK、PI3K/mTOR抑制剂在KRAS突变的结肠癌患者中有效率较低，结肠癌PDX模型对此类抑制剂同样表现出较差反应率^[33]。PDX模型可以有效预测化疗药物在多种肿瘤临床治疗中的效果，从而可以作为临床前期药物筛选验证有效工具^[34]。

2．筛选化疗药物敏感或耐药标记物：

KRAS突变的结肠癌PDX模型对西妥昔单抗反应较差，从而反向验证，KRAS野生型状态是使用西妥昔单抗治疗结肠癌的有效生物标记^[32,35]。另外，将临床化疗方案应用于PDX模型，可研究长期应用同种化疗方案所引发的耐药机制，并可借此模型研发新型药物。研究表明，在对铂类化疗药物敏感的PDX模型中，长期使用顺铂会导致PDX模型对顺铂产生耐药性，这与临床长期应用顺铂药物结果相似^[36]。在胃癌PDX模型西妥昔单抗试验中，约30%的PDX模型肿瘤出现部分或全部的消退。从分子生物学、RNA转录水平、组织学水平及检测EGFR通路相关基因突变等研究，探究胃癌PDX模型经西妥昔单抗处理后EGFR表达水平及突变情况，发现对药物有反应的PDX模型EGFR表达水平较高^[37]。PDX模型在药物筛选研究中扮演重要角色，即可以筛选对新型化疗药物敏感的有效患者，又可有助于优化药敏分子标志物的研发^[38]。

3．为个体化治疗提供了新方法：

对于一些罕见、缺乏有效治疗药物的肿瘤患者，比如每年新发患者约500人的腺囊癌，缺乏常规有效的治疗方法^[39,40,41]。尽管此类肿瘤患者被纳入临床试验予以常规经验性抗肿瘤治疗，但疗效无法保证。现有研究发现，构建囊腺癌PDX肿瘤模型，并予以相关化疗药物处理，观察肿瘤对药物的敏感性及治疗效果，筛选出最佳的化疗方案指导临床治疗，从而使肿瘤患者获得部分缓解^[42]。另外，还有研究发现，利用胰腺癌PDX肿瘤模型对11位进展期胰腺癌患者进行个体化治疗，根据PDX肿瘤模型化疗结果制定了17种治疗方案其中15种方案可以使肿瘤患者获得长久部分缓解^[43]。

四、PDX模型的局限性

1．手术切除为主要来源：

评估胃癌相关新型化疗药物或方案的最佳对象，应为进展期胃癌患者群体。能够获取进展期胃癌最大样本量的方法是经内镜活检取样，特别是获取同一患者化疗前、后的活检标本^[44]。而目前PDX模型原始肿瘤的主要来源为手术切除，不能反复获取以观察个体化治疗的效果^[45]。

2．构建时间过长：

PDX模型通常需要4~8个月的构建，才能进入临床前研究，不能与肿瘤患者化疗同步，难以开展针对患者个体化治疗的实时观察比较^[46]。

3．构建成功率不稳定：

在不同肿瘤类型中，构建PDX模型成功率存在较大差异，通常失败率较高。针对个体化治疗肿瘤模型构建，一般成瘤率应在60%~70%，某些肿瘤的移植成功率远远低于此，急需改进^[47]。

4．不能用于筛选免疫相关类药物：

由于负荷肿瘤的小鼠均为免疫缺陷的小鼠，因而PDX模型不能用于筛选免疫相关药物如疫苗、免疫调节药物^[48]。

五、小结

近年，PDX肿瘤模型得到越来越多的重视及发展，已成为抗肿瘤药物研发过程中不可缺少的一部分，包括药物筛选及药物标记物的研发。PDX肿瘤模型有望用于优化临床试验设计与肿瘤患者个体化治疗。尽管PDX模型研究逐渐成为肿瘤转化医学领域的热点，但PDX模型仍有诸多不足，需要进一步加以解决。目前，尚未见将同一肿瘤患者的原发病灶、术后或化疗后复发病灶构建相关PDX模型的报道，若通过构建此种模型分析，进一步了解原始病灶与复发病灶的区别，分析肿瘤复发的分子机制，可为预防肿瘤复发提供理论依据。随着对PDX肿瘤模型研究的不断深入，将会为临床开展肿瘤个体化治疗提供可靠的支持手段。