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PDX模型，全稱為病人來源腫瘤異種移植（Patient-derived tumor xenograft, PDX）模型，是將來源于患者的腫瘤組織、原代細(xì)胞植入免疫缺陷鼠的體內(nèi)形成的移植瘤模型。PDX模型在組織病理學(xué)、分子生物學(xué)和基因水平上保留了大部分原代腫瘤的特點(diǎn)、具有較好的臨床療效預(yù)測性。因此，PDX模型在新藥研發(fā)的諸多關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（如藥物篩選，藥效驗(yàn)證，臨床試驗(yàn)病人篩選等）得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
PDX模式圖
1、PDX模型的歷史
人類使用動物模型研究疾病的歷史悠久，最早的文字記載可以追溯到古希臘的亞里士多德，近代的科學(xué)家們對于將人類腫瘤移植到動物體內(nèi)則做了更多的嘗試。
1775年，法國外科醫(yī)生Peyrilhe將人類乳腺癌的粗提物注射到一只狗體內(nèi)，實(shí)驗(yàn)最終失??；
1807年，Dupuytren嘗試了包括將腫瘤組織接種到動物腹部，注射腫瘤組織混合液到動物腹腔或者靜脈、接種潰瘍性癌癥患者的膿液等各種方法將人類腫瘤移植進(jìn)動物體內(nèi)；
1840年，Langenbeck向狗的靜脈中注射了人類肱骨髓樣癌組織液，在接種的2個月后，他在狗的肺中發(fā)現(xiàn)了幾個圓形結(jié)節(jié)；
1851年，Lebert和Follin將乳狀乳腺癌組織注射到一只狗的頸靜脈中，這只小狗在15天后死亡，但尸檢發(fā)現(xiàn)心臟周圍已經(jīng)有結(jié)節(jié)產(chǎn)生。
1938年，Greene成功的將人類子宮腺瘤移植到兔子體內(nèi)的皮下組織、肌肉、腹膜腔、睪丸和眼前房當(dāng)中，其中眼內(nèi)的腫瘤成功地通過連續(xù)轉(zhuǎn)移進(jìn)行了6代的生長[2]。
1951年，Toolan設(shè)計(jì)了在移植前對大鼠和小鼠進(jìn)行X射線照射而成功移植腫瘤的方案。動物在X射線照射后，皮下注射了100例人類腫瘤的細(xì)胞懸液，最終有33例移植瘤生長了兩代或更多[3]。
這些早期PDX模型建立的成功率極低，現(xiàn)在我們已經(jīng)明白這在很大程度上是由于宿主免疫系統(tǒng)對移植物質(zhì)排斥導(dǎo)致的。雖然使用X射線可以抑制宿主免疫系統(tǒng)，但X射線用在動物上的缺點(diǎn)和副作用都很多，隨后科學(xué)家們又嘗試了切除動物胸腺再移植腫瘤等方法，均沒有很好地解決PDX模型構(gòu)建的問題，PDX模型真正發(fā)展起來實(shí)際上是在1962年裸鼠橫空出世之后。1969年，丹麥學(xué)者Rygaard首次成功地將人類結(jié)腸癌腫瘤移植于3只裸鼠體內(nèi)，腫瘤移植的6天后，在移植部位發(fā)現(xiàn)了腫瘤組織，而對照組的正常小鼠的體內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)腫瘤生長的跡象[4]。此后，科學(xué)家們將各種腫瘤組織移植到裸鼠體內(nèi)，建立了許多PDX腫瘤模型。
裸鼠
不過當(dāng)年P(guān)DX模型并未成為主流 ，同時代的CDX模型獲得了更多的關(guān)注和使用。1972年第一例通過細(xì)胞系注射構(gòu)建的小鼠CDX模型誕生，與稍早建立的直接來源于患者的PDX模型相比，細(xì)胞系容易獲得，建模難度低，且有大量關(guān)于其細(xì)胞功能、藥理藥效等的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)可供參考，這些優(yōu)勢使得CDX模型取代PDX模型成為腫瘤篩選模型的首選，在隨后的幾十年里CDX模型都是風(fēng)光無限。
但是一個問題始終困擾著大家，在臨床前細(xì)胞模型或者動物模型上展現(xiàn)出很好療效的藥物，應(yīng)用在人體上的療效卻大大降低甚至無效，臨床前到最終臨床試驗(yàn)轉(zhuǎn)化成功率不到10%。比如，有研究發(fā)現(xiàn)，在一些抗癌化合物的試驗(yàn)當(dāng)中，臨床II期的結(jié)果和CDX模型的結(jié)果相關(guān)性非常差；其他研究還發(fā)現(xiàn)CDX模型可能會丟失腫瘤異質(zhì)性以及原發(fā)腫瘤的各種基因組學(xué)特征。
各類腫瘤模型文獻(xiàn)發(fā)表情況[6]
而PDX模型，不僅可以保留腫瘤的異質(zhì)性，關(guān)鍵基因的突變，還可以在傳代過程中保持各個通路的相關(guān)活性。這使得PDX在過去的5年里重新得到了研究者的重視，各種科研機(jī)構(gòu)和醫(yī)藥創(chuàng)新企業(yè)紛紛開始構(gòu)建數(shù)百例甚至數(shù)千例PDX模型構(gòu)成的模型庫。
2.PDX模型的構(gòu)建方法
一般來說，判斷PDX模型建立成功需要符合以下幾個條件：移植瘤傳至第2或3代能夠穩(wěn)定生長；生長曲線一致性較高，潛伏期趨于穩(wěn)定；成瘤時間一般不超過12周;復(fù)蘇后重新移植于小鼠體內(nèi)，能夠穩(wěn)定生長。此外，為了保證與原發(fā)腫瘤的一致性，PDX模型傳代次數(shù)一般不超過10代[11]。
PDX模型傳代過程中的變化（結(jié)直腸癌PDX的基質(zhì)逐步向鼠源基質(zhì)轉(zhuǎn)變）
PDX模型的宿主一般選擇免疫缺陷程度較高的小鼠，如M-NSG/NOD-SCID等，結(jié)直腸癌等部分容易成瘤的腫瘤也可以選擇裸鼠。由于雌激素有一定的免疫保護(hù)作用，我們一般選擇雄鼠造模，周齡選擇上4-6周剛成年的小鼠。此外還要準(zhǔn)備胎牛血清包裹腫瘤組織提高成瘤率，腫瘤可以大致分為實(shí)體瘤和血液瘤，我們分別以肝癌PDX模型和血液瘤PDX模型為例介紹一下PDX建模方法。
各類免疫缺陷小鼠構(gòu)建PDX模型的成功率
上表統(tǒng)計(jì)了當(dāng)前各類免疫缺陷小鼠用于構(gòu)建PDX模型時的成功率，可以看到免疫缺陷程度越高的小鼠在構(gòu)建PDX模型時成功率越高！南模生物自主研發(fā)的重度免疫缺陷小鼠M-NSG是當(dāng)前免疫缺陷程度最高的小鼠之一，缺失成熟T細(xì)胞、B細(xì)胞和NK細(xì)胞，非常適合作為各類PDX模型移植的宿主小鼠。有意向購買M-NSG小鼠的老師可以通過以下途徑聯(lián)系我們！
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2.1肝癌PDX造模 ?
接收到新鮮肝癌腫瘤組織后，要4℃保存運(yùn)輸，并盡量在2h內(nèi)開始造模。造模時，要先清理掉壞死的腫瘤組織，將腫瘤切成3*3*3毫米的小塊，每塊腫瘤沾上matrigel和培養(yǎng)基混合物。一般選擇小鼠腹側(cè)部位接種，接種后，每天觀察動物成瘤情況，在動物體表瘤生長至5mm*5mm開始對成瘤小鼠進(jìn)行測量與稱重并且記錄電子表，對無可見成瘤動物觀察4~6個月，如還未見成瘤，可視為不能成瘤。成瘤的腫瘤組織稱為F1 PDX，F(xiàn)1 PDX生長至800~1000mm3后處死小鼠，取腫瘤組織，重復(fù)上述操作，獲得F2 PDX，繼續(xù)重復(fù)上述操作，獲得F3 PDX。每一代PDX都可以固定和凍存一部分組織，以備實(shí)驗(yàn)需要。
實(shí)體瘤PDX建模大致流程[7]
南模生物成功構(gòu)建了60多種肝癌PDX模型，下圖展示的是肝癌PDX注射不同藥物配伍治療后腫瘤的生長曲線。
肝癌PDX不同藥物配伍治療后腫瘤生長曲線
2.2血液瘤PDX造模 ?
血液瘤造模前一般需要對小鼠進(jìn)行全身輻照處理，進(jìn)一步抑制小鼠免疫系統(tǒng)。血液瘤PDX造模首選尾靜脈注射，將患者骨髓或外周血分離的單個核細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞經(jīng)尾靜脈或骨內(nèi)注射至小鼠體內(nèi)，腫瘤可通過小鼠血液循環(huán)擴(kuò)散至全身并局部浸潤靶器官，更準(zhǔn)確地模擬臨床 患者體內(nèi)腫瘤生長特點(diǎn)，但是這種造模方法必須借助流式等檢測手段來判斷成瘤情況；也可以選擇肝內(nèi)注射及腎包膜下移植，這些地方血管豐富，不僅能顯著提高模型的成瘤率，還可以縮短成瘤周期。但是手術(shù)技術(shù)要求高，對小鼠的損傷大，也會增加小鼠感染的概率。
部分腫瘤PDX模型的平均成瘤率[10]
考慮到病人腫瘤樣本的珍貴性，PDX模型成瘤率60-70%才是比較可以接受的，但是當(dāng)前部分癌種還是難以做到這一點(diǎn)的，例如肝癌、ALL、AML等。此外，病人的腫瘤組織能成功構(gòu)建出PDX模型，往往意味著病人的腫瘤已經(jīng)具備了更強(qiáng)的侵襲性，這些病人的預(yù)后一般更差，這一點(diǎn)在乳腺癌和腎癌患者上非常明顯[8,9]。
南模生物除可以提供PDX模型的完美宿主M-NSG重度免疫缺陷小鼠外，還有豐富的PDX模型構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)，只要您能提供有倫理證明的臨床組織，我們都可以為您構(gòu)建PDX模型，您也可以加入我們的PDX模型庫，共享PDX項(xiàng)目成果。
3.PDX模型的應(yīng)用
3.1藥物篩選 ?
本世紀(jì)初德國科學(xué)家率先使用PDX模型進(jìn)行藥物篩選，經(jīng)過十余年的驗(yàn)證，大家發(fā)現(xiàn)利用PDX模型進(jìn)行藥物篩選的結(jié)果跟臨床的相關(guān)性高達(dá)89%~90%，相較于CDX模型不到10%的臨床相關(guān)性是一個質(zhì)的飛躍，所以全球的藥廠現(xiàn)在都逐步采用PDX模型進(jìn)行腫瘤藥物的篩選，美國國家癌癥研究所（NCI）、16個歐洲機(jī)構(gòu)聯(lián)合組成的EurOPDX、諾華等醫(yī)藥巨頭紛紛組建了自己的PDX模型庫，規(guī)模均已達(dá)到數(shù)千種。
PDX模型保留了原始腫瘤的組織病理學(xué)和遺傳特征[5]
目前已有不少利用PDX模型篩選出的抗腫瘤新藥走上了臨床，例如貝伐單抗（針對VEGF的一種單克隆抗體）就是使用PDX模型篩選出的，其在針對結(jié)直腸癌和腎癌的臨床試驗(yàn)中取得了較好的效果并取得了FDA的批準(zhǔn)。除了實(shí)體瘤以外，各類血液瘤的PDX模型也相繼得到建立，來自PDX模型的候選藥物已經(jīng)成功應(yīng)用于多發(fā)性骨髓瘤的臨床試驗(yàn)當(dāng)中。
3.2腫瘤生物學(xué) ?
臨床前模型通常很難反映患者的腫瘤異質(zhì)性，包括腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性（不同腫瘤細(xì)胞的基因組和表觀遺傳發(fā)生改變）或者非腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性（如基質(zhì)的異質(zhì)性）等，而PDX模型就可以捕捉到腫瘤的瘤間異質(zhì)性與瘤內(nèi)異質(zhì)性，相對于傳統(tǒng)的其他模型就有了很明顯的優(yōu)勢。
PDX模型的應(yīng)用場景
此外，PDX模型還是研究腫瘤起始細(xì)胞（tumor initiating cells，TIC）以及腫瘤干細(xì)胞的重要工具。實(shí)體腫瘤或者血液瘤都可能攜帶一個獨(dú)特的TIC亞群，這個亞群可以自我更新和分化，TIC在腫瘤細(xì)胞中僅占一小部分，并且缺少特異性標(biāo)記物，所以很難從原發(fā)腫瘤中分選出足夠的TIC用于后續(xù)的研究和分析。不過在PDX模型的加持下，獲得足夠的TIC不再像過去那樣困難，PDX可以幫助研究TIC在原發(fā)腫瘤生長或者轉(zhuǎn)移的過程中起到的作用。
3.3指導(dǎo)臨床用藥 ?
在當(dāng)前的治療中，手術(shù)以后化療和靶向藥物治療存在著很多的隨機(jī)性與盲目性，而使用病人腫瘤組織構(gòu)建的PDX模型，可替代腫瘤患者對不同的治療藥物或方案進(jìn)行體內(nèi)藥效學(xué)檢測，更是試藥的完美替身。例如，在最近的一項(xiàng)研究中，22名患者成功構(gòu)建了PDX模型，并在3-6個月的時間當(dāng)中進(jìn)行化療藥物的篩選。6名患者在產(chǎn)生實(shí)際治療數(shù)據(jù)前死亡，其余的81%的患者當(dāng)中觀察到了PDX結(jié)果與臨床結(jié)果之間的高度相關(guān)性。
替身模型指導(dǎo)用藥
此外，PDX模型還可以用來判斷耐藥性。例如，結(jié)直腸癌的PDX模型結(jié)果顯示KRAS突變腫瘤對EGFR抗體西妥昔單抗沒有反應(yīng)，因此基因測序結(jié)果顯示KRAS突變的結(jié)直腸癌病人就得選擇其它更合適的治療方案。
4.PDX模型展望
雖然PDX模型具有保留腫瘤異質(zhì)性，具有良好的臨床療效預(yù)測性等優(yōu)點(diǎn)，但也是存在一些缺陷的，例如建模難度高周期長成功率低，建模和維持成本高，不能完全模擬體原始腫瘤，存在淋巴瘤的自發(fā)形成現(xiàn)象等。但這些缺點(diǎn)對于PDX模型來講都是可以克服的，建模成本高周期長成功率低這些隨著PDX的規(guī)?；瘧?yīng)用必將逐步改善；使用人源化動物模型作為PDX的宿主也可以克服免疫缺陷小鼠的主要缺點(diǎn)。未來，在抗腫瘤藥物篩選和評估、臨床用藥指導(dǎo)、腫瘤患者個性化治療等方面，PDX模型的需求和利用必將日益擴(kuò)大。
參考文獻(xiàn)
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