人物专访

中国实验动物信息网专访师长宏教授:

PDX模型—“私人订制”的个体化肿瘤动物模型的应用

近年来,PDX模型成为业界研究热点,其可用于预测药物对肿瘤的治疗效果,为医师制定临床个体化治疗方案提供了重要的指导和依据,可以进一步实现肿瘤的“私人订制”的个体化治疗,有望成为肿瘤患者的福音。

【专访】师长宏:PDX模型—“私人订制”的个体化肿瘤动物模型的应用

2017年07月13日 浏览量: 来源: 中国实验动物信息网 发布者: 中国实验动物信息网

专访篇

那么当前我国PDX模型研究进展?它的优势以及还有待攻克的技术难点有哪些?其未来应用前景如何?为此,本期中国实验动物信息网特邀第四军医大学实验动物中心主任师长宏教授,针对这些问题为大家详细讲解。

中国实验动物信息网:首先非常感谢师教授接受我们中国实验动物信息网的专访。近年来,个体化的PDX模型成为肿瘤治疗中的一大助力并成为业界研究热点,那么PDX究竟是一种什么样的模型?它有哪些优势? 

师长宏教授:PDX(patient-derived xenograft)模型是指将病人新鲜的肿瘤组织移植于免疫缺陷小鼠建立的异种移植模型,该模型由于较好地保持了原发肿瘤的遗传特性和异质性,在肿瘤的个体化治疗研究中具有独特的优势。

PDX模型的优势在于:①移植所用标本直接来源于人体肿瘤组织,未经过体外培养,稳定地保留了原发瘤的遗传特性、组织学和表型特征;②较好地保留了肿瘤间质和干细胞成分,使得肿瘤的生长微环境更接近实际情况;③不同的PDX模型反映了不同肿瘤患者来源的样本之间的差异,更接近于患者的实际情况,适用于抗肿瘤药物的筛选和生物标志物的研究;④与细胞系移植模型相比,PDX模型试验结果临床预见性更好;⑤可为肿瘤样本的保存和传代提供大量标本。

中国实验动物信息网:请师教授您介绍一下国内外对PDX模型研究现状?应用PDX模型可以具体做些什么呢?

师长宏教授:目前国内外已有多个机构建立了自己的PDX模型资源库,依托众多模型开展新型肿瘤药物的筛选。NCI建立了超过300例PDX模型并计划初步实现1000例模型的数量;美国杰克逊实验室拥有400多例PDX模型;由16个欧洲研究机构组成的EurOPDX目前已经拥有了约1500多个PDX模型。国内诺华生物医学研究院建立了1000多种携带不同癌症驱动基因的PDX模型,利用这些模型开展了体内小分子化合物的筛选。上海立迪生物已经建立了全球领先的PDX临床用药药敏检测及临床前药物筛选平台,能够为医生和患者提供临床用药指导,为药企提供药物研发及相关服务。中美冠科生物技术股份有限公司成功开发了 HuScreenTM转化肿瘤学服务平台。该平台拥有世界上最大的经过详细分析和标注的 PDX 资料库,涉及近3000种模型和超过70种临床适应症,这样的模型规模基本能够代表大多数正在进行的临床实验中患者的病理以及基因多样性。我们预期,PDX模型将会在精准医疗时代得到更广泛的应用。

目前PDX模型主要应用于在以下三方面:①指导临床个性化用药  PDX模型由于来源于单个病人,最大限度保留了原发瘤的遗传和组织特征,最接近人体实际情况,可以针对该病人进行药物敏感性筛选,提供最佳用药指导方案。②药物有效性测试  目前抗肿瘤新药的临床通过率极低(5%左右),主要原因是因为前期研发过程中使用的CDX模型不符合临床实际情况。依托PDX模型开展预临床II期试验(P0临床实验)可以有效解决这一问题,提高新药的临床通过率,缩短研发周期,减少研发费用。③肿瘤生物标记物研究  由于PDX模型可以将临床样本快速扩大,从而进行多重组学检测,在积累足够数据以后通过生物信息学分析可以识别不同的肿瘤诊断标记物及对应的药物靶标,为新药研发提供帮助,从而可用于新药开发和预测针对病人个体化治疗的靶向制剂。

中国实验动物信息网: 当前,PDX模型在研究过程中存在哪些问题?PDX模型还应在哪些地方进行更大的改进?PDX技术和之前的肿瘤细胞系移植有什么不同?

师长宏教授:目前PDX模型研究中存在的主要问题包括:①成功率低  这是制约PDX模型广泛应用的关键因素,人与鼠始终是两种不同的物种,无法完全消除物种间的差异,在小鼠体内移植的人组织难免遭到排斥。②人源化问题  人体肿瘤组织在小鼠体内传代过程中,小鼠基质会逐渐替代原代肿瘤基质,可能导致个别基因的改变而无法准确的反应病人的病情,最终导致肿瘤研究的局限性;由于使用免疫缺陷小鼠,利用PDX模型无法筛选免疫调节药物或通过免疫功能激活的药物。③转移发生的比例低  PDX模型主要采用小鼠皮下移植,很难发生与临床相近的转移特征。④缺乏影像学检测方法  PDX模型由于采用瘤组织移植,无法进行特异性标记,缺乏敏感、特异的检测方法,只能凭肉眼观察确定肿瘤发生。⑤一定的淋巴瘤发生比率 在不同类型肿瘤的PDX模型中,均有个别病例形成B细胞淋巴瘤,在胃癌PDX模型中发生比例较高,分析原因可能使EVB感染的B细胞在人体内处于潜伏状态,但当移植到重度免疫缺陷小鼠后,由于缺乏功能性免疫细胞,易被活化形成淋巴瘤。

PDX模型应在以下几个方面进行改进:①联合多种方法提高移植成功率  包括筛选肿瘤标本,提高单位组织中肿瘤细胞的数量;减少标本离体的时间;使用促进成瘤的基质胶;选择免疫缺陷程度较高的重度联合免疫缺陷小鼠。②免疫重建人源化小鼠模型  免疫重建的方法包括将人的骨髓、肝脏、胸腺组织共移植于小鼠体内;采用 CD34+脐带血干细胞对小鼠进行免疫系统重建;将人的外周血 CD34+造血干细胞移植于小鼠体内,重建免疫系统。③采用原位移植提高转移发生率 将肿瘤组织移植到与原发部位相应的动物器官 (patient-derived orthotopic xenograft, PDOX),由于移植部位血供丰富,可准确、客观地模拟人体肿瘤的体内演进过程,易形成与临床肿瘤相似的转移特征。一般可采用皮下移植形成实体瘤后再行原位移植,提高成瘤率和转移率。④肿瘤靶向性近红外荧光活体成像  基于七甲川菁(Heptamethine cyanine)近红外荧光(NIRF)染料具有荧光成像和肿瘤靶向的双重功能,能够被肿瘤细胞自发吸收特异性聚集于肿瘤部位,从而实现肿瘤特异性靶分子成像。⑤移植宿主可选择裸鼠或在PDX模型中注射抗B-cells的单抗Rituximab,阻止淋巴瘤的发生。

PDX技术和肿瘤细胞系(CDX)移植的主要区别:异质性是肿瘤的基本特征,CDX模型使用的是传代肿瘤细胞系,细胞系为了适应体外培养环境逐步丧失了原发肿瘤的异质性,造成某些基因和表型的缺失,无法真实模拟肿瘤生物学行为和特征。同时,CDX模型趋于同质化,无法反映不同肿瘤病人的个体化特征,临床相关性差。

中国实验动物信息网:您可以介绍一下PDX 模型建模对操作技术有哪些要求吗?与实验动物模型比较,PDX模型的建模成本、建模周期是否有优势? 

师长宏教授:PDX 模型建模过程中,肿瘤标本从手术室获得后需要外科医生、组织学家和研究者密切配合,才有可能成为PDX模型。其涉及的技术因素包括 ①标本的处理  如标本的新鲜度,标本离体后到移植之间的时间,标本筛选后提高单位组织中肿瘤细胞的数量。②每个样本需要移植大量的受体鼠,且每个标本需观察3个月以上才能决定模型是否成功。③皮下移植是PDX模型最常用的移植方法,易观察,但成瘤率低;肾包膜由于血供丰富,组织相容性好,成瘤率高,也是较常采用的移植的方法,但成瘤后不易观察;原位移植影响因素较多,成功率低,建模难度大。④传代的样本需进行组织病理学检测,确定与原始样本的一致性,才能成为可靠的PDX模型。 

与其它动物模型相比,PDX模型的建模成本较高、建模周期较长。正常情况下一例肿瘤标本的PDX模型从移植成瘤,到鉴定可靠后使用,至少需要三个月的时间,涉及费用不低于一万元,这还不包括药物筛选的周期和费用。因此,建议开展相关研究的实验人员可从公司购买商品化的PDX模型,而不必从临床标本建模开始。

中国实验动物信息网: 据了解,当前应用重度免疫缺陷小鼠模型进行肿瘤疾病研究也非常广泛,请您谈谈PDX 模型的发展与免疫缺陷动物的研究进展的密切相关性?在科研工作者实际研究过程中,怎样从中选择这两者模型开展实验?

师长宏教授:PDX 模型的快速发展得益于免疫缺陷动物研究取得的成果,敲除一些免疫相关基因获得的重度联合免疫缺陷小鼠,适合人体肿瘤组织移植,是良好的移植宿主,可缩短PDX模型成瘤时间,减低NK细胞对移植瘤的作用,有效提高PDX模型的成功率,最大限度保持肿瘤的异质性。如,敲除人IL-2受体γ链的IL2-/--KO小鼠,其机体免疫功能严重降低,尤其是NK细胞生物活性几乎丧失;Rag2 -/-小鼠缺乏成熟T,B细胞,也没有NK和NKT,经常被用来做肿瘤移植模型;将NOD/SCID小鼠的IL-2受体γ链敲除获得NOG小鼠是目前免疫缺失程度最高的小鼠,最适合做人体肿瘤标本的移植,目前国内也有人采用NPG小鼠和B-NDG小鼠均取得良好的实验结果。

我们建议在移植初期可同时选择裸鼠和重度联合免疫缺陷小鼠同步移植,一旦成功建立稳定可靠的PDX模型后,可选择裸鼠进行药物筛选和分组实验。

中国实验动物信息网:您预期未来PDX模型在肿瘤临床、药物研发等领域上的应用前景如何?

师长宏教授:大部分PDX模型的制备过程较长(3个月以上),很多进程快速的恶性癌症病人无法从中受益,只是对一些癌症进程较慢的病人或者手术切除肿瘤组织病人的预后有一定的指导意义。如何提高现有模型的转化应用效能应该是PDX模型未来重点关注的方向。PDX模型较好的保持了原发性瘤中大多数的关键基因和信号通路活性更能模拟肿瘤患者亲本基因学特征,这些特征应用于靶向药物筛选试验具有独特优势。不同肿瘤患者来源的PDX模型其性质可能会略有不同,甚至体现在基因的表达上,但可能拥有相同的药物靶点。人们可以对建立的PDX模型瘤组织进行基因测序和分型,分析肿瘤遗传改变情况,在基因水平上进行分组研究;针对PDX模型不同的基因型分组,采取相应的靶向药物进行试验,而不考虑肿瘤类型,目的是从个性研究中,整合出共性的结论。因此,随着PDX模型数据库的不断扩大,代表的人员特征越来越广泛,人们可能会通过靶点的检测较为准确预测药物的敏感性,指导临床用药,未来PDX模型会在肿瘤临床、药物研发等领域得到更加广泛的应用。

中国实验动物信息网:非常感谢师教授接受中国实验动物信息网的特邀专访。

师长宏 教授

第四军医大学实验动物中心主任,教授,博士生导师。

研究方向:主要从事肿瘤动物模型的制备与评价研究。

任中国实验动物学会常务理事,全军实验动物专业委员会副主委,陕西省实验动物学会副理事长。

2012年—2014年赴美国UCLA从事肿瘤分子影像研究。先后建成了第四军医大学小动物分子影像中心,基因修饰动物制备、保种平台。近五年先后主持国家“863”专项课题、国家重大新药创制课题、国家自然科学基金和军队实验动物专项课题10项;以第一或通讯作者分别在Biomaterials, Oncotarget, Toxicology等杂志发表论文10余篇;授权发明专利3项;获陕西省教学成果一等奖和科技进步二等奖各1项;获军队育才银奖、军队优秀人才岗位津贴和第四军医大学青年英才。2016年获全国优秀科技工作者称号。