关于PDX模型


PDX模型,全称为病人来源肿瘤异种移植(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。PDX模型在组织病理学、分子生物学和基因水平上保留了大部分原代肿瘤的特点、具有较好的临床疗效预测性。因此,PDX模型在新药研发的诸多关键节点(如药物筛选,药效验证,临床试验病人筛选等)得到了越来越广泛的应用。

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PDX模式图


1、PDX模型的历史


人类使用动物模型研究疾病的历史悠久,最早的文字记载可以追溯到古希腊的亚里士多德,近代的科学家们对于将人类肿瘤移植到动物体内则做了更多的尝试。

  • 1775年,法国外科医生Peyrilhe将人类乳腺癌的粗提物注射到一只狗体内,实验最终失败;

  • 1807年,Dupuytren尝试了包括将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各种方法将人类肿瘤移植进动物体内;

  • 1840年,Langenbeck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;

  • 1851年,Lebert和Follin将乳状乳腺癌组织注射到一只狗的颈静脉中,这只小狗在15天后死亡,但尸检发现心脏周围已经有结节产生。

  • 1938年,Greene成功的将人类子宫腺瘤移植到兔子体内的皮下组织、肌肉、腹膜腔、睾丸和眼前房当中,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]

  • 1951年,Toolan设计了在移植前对大鼠和丝瓜视频苹果下载进行X射线照射而成功移植肿瘤的方案。动物在X射线照射后,皮下注射了100例人类肿瘤的细胞悬液,最终有33例移植瘤生长了两代或更多[3]。?

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这些早期PDX模型建立的成功率极低,现在我们已经明白这在很大程度上是由于宿主免疫系统对移植物质排斥导致的。虽然使用X射线可以抑制宿主免疫系统,但X射线用在动物上的缺点和副作用都很多,随后科学家们又尝试了切除动物胸腺再移植肿瘤等方法,均没有很好地解决PDX模型构建的问题,PDX模型真正发展起来实际上是在1962年裸鼠横空出世之后。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,而对照组的正常丝瓜视频苹果下载的体内并未发现肿瘤生长的迹象[4]。此后,科学家们将各种肿瘤组织移植到裸鼠体内,建立了许多PDX肿瘤模型。??

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裸鼠


不过当年PDX模型并未成为主流 ,同时代的CDX模型获得了更多的关注和使用。1972年第一例通过细胞系注射构建的丝瓜视频苹果下载CDX模型诞生,与稍早建立的直接来源于患者的PDX模型相比,细胞系容易获得,建模难度低,且有大量关于其细胞功能、药理药效等的文献数据可供参考,这些优势使得CDX模型取代PDX模型成为肿瘤筛选模型的首选,在随后的几十年里CDX模型都是风光无限。


但是一个问题始终困扰着大家,在临床前细胞模型或者动物模型上展现出很好疗效的药物,应用在人体上的疗效却大大降低甚至无效,临床前到最终临床试验转化成功率不到10%。比如,有研究发现,在一些抗癌化合物的试验当中,临床II期的结果和CDX模型的结果相关性非常差;其他研究还发现CDX模型可能会丢失肿瘤异质性以及原发肿瘤的各种基因组学特征。

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各类肿瘤模型文献发表情况[6]


而PDX模型,不仅可以保留肿瘤的异质性,关键基因的突变,还可以在传代过程中保持各个通路的相关活性。这使得PDX在过去的5年里重新得到了研究者的重视,各种科研机构和医药创新企业纷纷开始构建数百例甚至数千例PDX模型构成的模型库。


2.PDX模型的构建方法


一般来说,判断PDX模型建立成功需要符合以下几个条件:移植瘤传至第2或3代能够稳定生长;生长曲线一致性较高,潜伏期趋于稳定;成瘤时间一般不超过12周;复苏后重新移植于丝瓜视频苹果下载体内,能够稳定生长。此外,为了保证与原发肿瘤的一致性,PDX模型传代次数一般不超过10代[11]

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PDX模型传代过程中的变化(结直肠癌PDX的基质逐步向鼠源基质转变)


PDX模型的宿主一般选择免疫缺陷程度较高的丝瓜视频苹果下载,如M-NSG/NOD-SCID等,结直肠癌等部分容易成瘤的肿瘤也可以选择裸鼠。由于雌激素有一定的免疫保护作用,我们一般选择雄鼠造模,周龄选择上4-6周刚成年的丝瓜视频苹果下载。此外还要准备胎牛血清包裹肿瘤组织提高成瘤率,肿瘤可以大致分为实体瘤和血液瘤,我们分别以肝癌PDX模型和血液瘤PDX模型为例介绍一下PDX建模方法。

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各类免疫缺陷丝瓜视频苹果下载构建PDX模型的成功率


上表统计了当前各类免疫缺陷丝瓜视频苹果下载用于构建PDX模型时的成功率,可以看到免疫缺陷程度越高的丝瓜视频苹果下载在构建PDX模型时成功率越高!丝瓜视频你懂的自主研发的重度免疫缺陷丝瓜视频苹果下载M-NSG是当前免疫缺陷程度最高的丝瓜视频苹果下载之一,缺失成熟T细胞、B细胞和NK细胞,非常适合作为各类PDX模型移植的宿主丝瓜视频苹果下载。有意向购买M-NSG丝瓜视频苹果下载的老师可以通过以下途径联系我们!


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?2.1肝癌PDX造模????


接收到新鲜肝癌肿瘤组织后,要4℃保存运输,并尽量在2h内开始造模。造模时,要先清理掉坏死的肿瘤组织,将肿瘤切成3*3*3毫米的小块,每块肿瘤沾上matrigel和培养基混合物。一般选择丝瓜视频苹果下载腹侧部位接种,接种后,每天观察动物成瘤情况,在动物体表瘤生长至5mm*5mm开始对成瘤丝瓜视频苹果下载进行测量与称重并且记录电子表,对无可见成瘤动物观察4~6个月,如还未见成瘤,可视为不能成瘤。成瘤的肿瘤组织称为F1 PDX,F1 PDX生长至800~1000mm3后处死丝瓜视频苹果下载,取肿瘤组织,重复上述操作,获得F2 PDX,继续重复上述操作,获得F3 PDX。每一代PDX都可以固定和冻存一部分组织,以备实验需要。

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实体瘤PDX建模大致流程[7]


丝瓜视频你懂的成功构建了60多种肝癌PDX模型,下图展示的是肝癌PDX注射不同药物配伍治疗后肿瘤的生长曲线。

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肝癌PDX不同药物配伍治疗后肿瘤生长曲线


?2.2血液瘤PDX造模????


血液瘤造模前一般需要对丝瓜视频苹果下载进行全身辐照处理,进一步抑制丝瓜视频苹果下载免疫系统。血液瘤PDX造模首选尾静脉注射,将患者骨髓或外周血分离的单个核细胞、肿瘤细胞经尾静脉或骨内注射至丝瓜视频苹果下载体内,肿瘤可通过丝瓜视频苹果下载血液循环扩散至全身并局部浸润靶器官,更准确地模拟临床 患者体内肿瘤生长特点,但是这种造模方法必须借助流式等检测手段来判断成瘤情况;也可以选择肝内注射及肾包膜下移植,这些地方血管丰富,不仅能显著提高模型的成瘤率,还可以缩短成瘤周期。但是手术技术要求高,对丝瓜视频苹果下载的损伤大,也会增加丝瓜视频苹果下载感染的概率。

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部分肿瘤PDX模型的平均成瘤率[10]


考虑到病人肿瘤样本的珍贵性,PDX模型成瘤率60-70%才是比较可以接受的,但是当前部分癌种还是难以做到这一点的,例如肝癌、ALL、AML等。此外,病人的肿瘤组织能成功构建出PDX模型,往往意味着病人的肿瘤已经具备了更强的侵袭性,这些病人的预后一般更差,这一点在乳腺癌和肾癌患者上非常明显[8,9]


丝瓜视频你懂的除可以提供PDX模型的完美宿主M-NSG重度免疫缺陷丝瓜视频苹果下载外,还有丰富的PDX模型构建经验,只要您能提供有伦理证明的临床组织,我们都可以为您构建PDX模型,您也可以加入我们的PDX模型库,共享PDX项目成果


3.PDX模型的应用


?3.1药物筛选????


本世纪初德国科学家率先使用PDX模型进行药物筛选,经过十余年的验证,大家发现利用PDX模型进行药物筛选的结果跟临床的相关性高达89%~90%,相较于CDX模型不到10%的临床相关性是一个质的飞跃,所以全球的药厂现在都逐步采用PDX模型进行肿瘤药物的筛选,美国国家癌症研究所(NCI)、16个欧洲机构联合组成的EurOPDX、诺华等医药巨头纷纷组建了自己的PDX模型库,规模均已达到数千种。

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PDX模型保留了原始肿瘤的组织病理学和遗传特征[5]


目前已有不少利用PDX模型筛选出的抗肿瘤新药走上了临床,例如贝伐单抗(针对VEGF的一种单克隆抗体)就是使用PDX模型筛选出的,其在针对结直肠癌和肾癌的临床试验中取得了较好的效果并取得了FDA的批准。除了实体瘤以外,各类血液瘤的PDX模型也相继得到建立,来自PDX模型的候选药物已经成功应用于多发性骨髓瘤的临床试验当中。


?3.2肿瘤生物学????


临床前模型通常很难反映患者的肿瘤异质性,包括肿瘤细胞的异质性(不同肿瘤细胞的基因组和表观遗传发生改变)或者非肿瘤细胞的异质性(如基质的异质性)等,而PDX模型就可以捕捉到肿瘤的瘤间异质性与瘤内异质性,相对于传统的其他模型就有了很明显的优势。

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PDX模型的应用场景


此外,PDX模型还是研究肿瘤起始细胞(tumor initiating cells,TIC)以及肿瘤干细胞的重要工具。实体肿瘤或者血液瘤都可能携带一个独特的TIC亚群,这个亚群可以自我更新和分化,TIC在肿瘤细胞中仅占一小部分,并且缺少特异性标记物,所以很难从原发肿瘤中分选出足够的TIC用于后续的研究和分析。不过在PDX模型的加持下,获得足够的TIC不再像过去那样困难,PDX可以帮助研究TIC在原发肿瘤生长或者转移的过程中起到的作用。


?3.3指导临床用药????


在当前的治疗中,手术以后化疗和靶向药物治疗存在着很多的随机性与盲目性,而使用病人肿瘤组织构建的PDX模型,可替代肿瘤患者对不同的治疗药物或方案进行体内药效学检测,更是试药的完美替身。例如,在最近的一项研究中,22名患者成功构建了PDX模型,并在3-6个月的时间当中进行化疗药物的筛选。6名患者在产生实际治疗数据前死亡,其余的81%的患者当中观察到了PDX结果与临床结果之间的高度相关性。

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替身模型指导用药


此外,PDX模型还可以用来判断耐药性。例如,结直肠癌的PDX模型结果显示KRAS突变肿瘤对EGFR抗体西妥昔单抗没有反应,因此基因测序结果显示KRAS突变的结直肠癌病人就得选择其它更合适的治疗方案。


4.PDX模型展望


虽然PDX模型具有保留肿瘤异质性,具有良好的临床疗效预测性等优点,但也是存在一些缺陷的,例如建模难度高周期长成功率低,建模和维持成本高,不能完全模拟体原始肿瘤,存在淋巴瘤的自发形成现象等。但这些缺点对于PDX模型来讲都是可以克服的,建模成本高周期长成功率低这些随着PDX的规模化应用必将逐步改善;使用人源化动物模型作为PDX的宿主也可以克服免疫缺陷丝瓜视频苹果下载的主要缺点。未来,在抗肿瘤药物筛选和评估、临床用药指导、肿瘤患者个性化治疗等方面,PDX模型的需求和利用必将日益扩大。


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]Ann Oncol . 2017 Oct 1;28(10):2595-2605. doi: 10.1093/annonc/mdx416. Patient-derived xenografts effectively capture responses to oncology therapy in a heterogeneous cohort of patients with solid tumors

[6]Abdolahi?et?al. Journal of Translational Medicine (2022) 20:206

[7]Cells 2019, 8, 889; doi:10.3390/cells8080889

[8]?DeRose YS, Wang G, Lin YC, Bernard PS, Buys SS, Ebbert MT, Factor R,Matsen C, Milash BA, Nelson E, et al. Tumor grafts derived from women with breast cancer authentically reflect tumor pathology, growth, metastasis and disease outcomes. Nat Med. 2011;17(11):1514–20.、

[9]Li S, Shen D, Shao J, Crowder R, Liu W, Prat A, He X, Liu S, Hoog J, Lu C,et al. Endocrine-therapy-resistant ESR1 variants revealed by genomic characterization of breast-cancer-derived xenografts. Cell Rep. 2013;4(6):1116–30.

[10]Collins and Lang (2018), PeerJ, DOI 10.7717/peerj.5981

[11]J Toxicol Pathol 2020; 33: 153–160 Patient-derived xenograft (PDX) models: characteristics and points to consider for the process of establishment. Etsuko Fujii1, Atsuhiko Kato1, and Masami Suzuki1





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