PDX模型与肿瘤个体化用药指导

临床医药文献杂志Journal of Clinical Medical

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PDX模型与肿瘤个体化用药指导

胡瑞娟1，谢…鹏2，胡…策2，谭秦东2，吴兆红1

（1 广州医科大学附属第三医院心胸外科，广东 广州 5101502； 2 广州吉妮欧生物科技有限公司 生命科学研究部，广东 广州 510150）

【摘要】人源肿瘤异种移植瘤（PDX）模型保留了原始肿瘤的组织形态、异质性以及基因异常等特征。研究显示PDX模型和对应的肿瘤病人在药效反应上高度一致，提示其可以应用于为病人提供个体化用药指导。在这篇短综述中，我们回顾了PDX模型的发展历史、分析了它相对于由肿瘤细胞系构建的移植瘤模型的优势，并讨论了它用于临床药敏筛查的可行性及缺陷。

【关键词】人源肿瘤异种移植；肿瘤个体化治疗…

【中图分类号】R73……【文献标识码】A……【文章编号】ISSN.2095-8242.2018.37.5.03

PDX model and individualized medication guidance for cancer

Hu ruijuan, Xie Peng, Hu ce tan, Qin dong, Wu zhaohong

(Department of cardiothoracic surgery, the third affiliated hospital of Guangzhou medical university；

Life science research department of Guangzhou jinio biotechnology co.,

ltd.GuangDongGuangZHou ，China)

【Abstract】 Patient-derived xenograft (PDX) models established directly from patients’ primary tumors recapitulate the histomorphologic features, heterogeneity, and genetic aberrations of the original tumors. Studies reveal a high degree of correlation in the response to chemotherapy between the patients and the corresponding PDX models, opening up avenues for tailoring chemotherapeutic regimens for individual patients. In this mini review, we give an overview of the resurgence of PDX models and their advantages over xenografts derived from well-established cell lines. The feasibility and limitations of PDX models used as personalized models to guide therapy selection are discussed.

【Key words】PDX; individualized tumor therapy

引言

对肿瘤的发生、进展机制的研究以及抗肿瘤疗法的开发都依赖于肿瘤研究模型。从小鼠同种移植瘤（allograft）模型，到人肿瘤细胞系，再到人源肿瘤异种移植模型以及基因工程鼠（genetically engineered mouse, 简称GEM）模型，研究者一直在致力于开发更理想的肿瘤模型。最近十几年，将病人肿瘤组织样本直接移植到免疫缺陷鼠体内创建的人源肿瘤异种移植（patient-derived xenograft, 简称PDX）模型得到了越来越广泛的应用，本文将结合其历史发展探讨PDX模型在指导肿瘤个体化用药层面的潜在应用及局限。

一、PDX模型简史

PDX模型通常会用来与“传统”的用人肿瘤细胞系注射到裸鼠皮下形成的裸鼠成瘤（cell line-derived xenograft, 简称CDX）模型做比较。但其实PDX的起源比CDX更早。早在1969年，Rygaard和Povlsen1就将一个74岁患者的直肠腺癌剪碎后接种到裸鼠皮下，成功创建了第一例PDX模型，虽然当时还没有采用PDX这个术语。首例用体外培养的肿瘤细胞系创建的CDX模型要到1972年才被报道2。随着众多肿瘤细胞系的建立并在全世界的实验室里广泛传代培养，CDX模型逐渐取代了样本获取受限、移植成功率更低的PDX模型。这一时期美国国立癌症研究所(NCI)开始建立一套被称为NCI-60 panel的抗肿瘤药物筛选系统，先用人肿瘤细胞系进行高通量体外药筛，然后再用CDX模型进行体内验证。这套系统贡献了当前在用的大约一半化疗药物，并被广泛模仿。

值得一提的是在PDX模型的研究早期（20世纪七八十

年代），研究者就已经注意到了PDX模型的药效反应与病人临床药效的高度一致性，甚至在设想PDX模型用于个体化用药指导的可行性。比如Shorthouse等人3在一篇1980年的论文中评论道：“尽管有人声称移植瘤具有帮助个体患者预测合适的化疗药物的潜力，但在这个队列中发现创建移植瘤和后续药物测试所需要的时间通常超过了患者的生存期。因此，移植瘤的主要用途也许在于新药的初步筛选。”

到了21世纪初，由于肿瘤细胞系以及CDX模型在预测临床药效方面不尽如意，对PDX的研究兴趣又重新复苏。据统计，经肿瘤细胞系以及CDX模型筛选出的候选抗癌新药大约有88%未通过临床试验。Hidalgo团队的报道4极大推动了对PDX的研究热情，并让“小鼠替身”（mouse avatar）的概念流行起来。创建“取之于病人，用之于病人”的PDX“替身”模型成为一个趋势。与此同时，以NSG、NOG为代表的新一代免疫缺陷小鼠品系的培育使得直接移植病人肿瘤成功率得到有效提升，并且使得开发更真实模拟肿瘤微环境的“人源化”PDX模型成为可能。受这些因素的推动下，一个标志性的转变是2016年NCI决定从其药筛系统中让已经使用了25年的NCI-60细胞系“退休”，转为使用以PDX为代表的新一代肿瘤模型。

二、PDX与CDX的比较

PDX与CDX除了样本获取和处理方法的不同，在其它方法学环节上几乎一致。PDX是将临床肿瘤样本处理成1-3mm见方的小块或单细胞悬液包埋或注射到免疫缺陷鼠的皮下、肾包膜或原位器官。临床样本来源以手术切除为主，也可以通过穿刺活检以及从血液中分离的血液

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肿瘤细胞以及循环肿瘤细胞（circulating tumor cells，简称CTCs）。由原始肿瘤样本创建的第一代PDX被称为F1代。F1代的创建耗时较长，从1-6个月不等。成功率也参差不齐，单就肺癌PDX而论，一项研究报道肾包膜移植成功率高达90%，但另一项研究中带EGFR突变的肺腺癌植入成功率只有18%。F1代移植瘤长到直径1cm左右时，即可将瘤块取出，切分冻存或重新移植到另一组小鼠创建F2代移植瘤，F3代等创建方法依此类推。F2代及后续F3代等成瘤时间相比F1代通常显著缩短，成功率高且受冻存影响较小，而F1代通常只用新鲜肿瘤样本移植。

F1代、F2代移植瘤通常只用于鉴定和保种，F3代起才用于药效测试。研究4显示PDX模型至少在早期数代保留了原始肿瘤的组织形态学特征、异质性、基因表达谱、DNA拷贝数异常以及基因突变。但随着传代次数增加，移植瘤中人源基质细胞会逐渐被宿主基质细胞替代，并可能会逐步丧失与原始肿瘤在形态和基因表达方面的相似性，所以需要密切监测移植瘤代与代之间特征的变化。为保证原始肿瘤在药效反应的相关性，通常会采用F5代以内的PDX模型。

从某种程度上说，CDX可以认为是传代次数太多已经难以追溯的PDX模型。经过体内体外交替传代，原始肿瘤组织中只有最适应体外培养条件的单个克隆被保留下来，丧失了克隆异质性。很多肿瘤细胞系注射到皮下只会形成相对均一的层状结构，不再表现出原始肿瘤的结构特征。

CDX作为肿瘤研究模型有很多便利。比如所用的细胞系容易获得，有大量已发表的文献关于其基因组学、细胞功能学及药效反应的数据可供参考，成瘤周期短，肿瘤生长同步性好，肿瘤生长快。肿瘤生长快有利于节省研究成本，但缺陷在于对毒性滞后的药物容易造成假阳性，因为评估终点时药效可能尚未表现出来。另外，生长速度超过血管生成速度容易导致肿瘤大面积自行坏死，使得药效结果难以解读。值得注意的是人体肿瘤病灶内通常只有很小比例细胞在分裂，但在移植瘤中大部分细胞都在活跃增值，这是为什么靶向分裂细胞的细胞毒性药物通常在移植瘤上效果明显，但随后在临床试验中却表现不佳。所以尽管CDX仍是目前临床前药筛的标准平台，但PDX的更广泛应用有望提高抗癌药物开发的临床转化成功率。

三、PDX与肿瘤个体化治疗

在小鼠体内生长的肿瘤直接来源于病人的肿瘤病灶，显然我们可以期待两者具有相似的药效反应。那么这些荷瘤小鼠就可以作为病人的“替身”（avatar），代替病人去测试不同药物方案的治疗效果，从中筛选出最有效的治疗方案，并避免无效疗法带来的治疗延误和毒副作用以及经济上的浪费。这个美好的设想在PDX模型诞生之初就已经被提出，但直到最近几年才变成现实。Hidalgo等人52011年的一项研究为14例难治性晚期癌症患者成功建立了PDX模型，在这些替身小鼠上测试了包含63种药物的232种治疗方案，为14例中的12例患者筛选出了至少1种对“替身”小鼠有效的治疗方案。1例患者在接受治疗前死亡，剩下11例患者接受了17种治疗方案，其中15种方案取得了可持续的部分缓解，客观缓解率高达88%。Stebbing等人62014年的一项研究为39例中的22例软组织肉瘤患者成功创建了PDX模

型，成功率为76%。然后用这些PDX模型筛选有效的化疗方案。22例患者中6例在试验完成前死亡，余下16例患者中13例（81%）接受筛选出来的治疗方案其临床结果与PDX测试结果一致。Hidalgo团队7在2014年的一项研究中将二代测序技术和“替身”小鼠模型结合起来。先用外显子测序和生物信息学分析找出肿瘤驱动突变，根据每个患者的基因签名设计治疗方案，然后用小鼠“替身”验证。高达77%的胰腺癌和结肠癌等晚期癌症患者从治疗中获得缓解。最近Izumchenko等人8的一项研究对92例多种肿瘤类型患者及其对应的PDX模型测试了129种治疗方案，发现两者药效结果一致性高达85%。这些研究都支持了PDX模型用于指导肿瘤患者临床治疗的可行性。同时，在这些小鼠“替身”上可以方便地追踪治疗前后肿瘤基因组、信号通路以及代谢的变化，以研究驱动肿瘤进展、转移及耐药的机制。

四、局限及前景

PDX用于个体化药敏筛查存在诸多局限，比如周期长、造模成功率不稳定及费用高。通常从造模到药敏测试需要3-6个月，造模成功率也不能保证。美国Champions Oncology等公司已经在开展收费业务，目前一个病例收费高达上万美元。所以其临床应用还涉及到复杂的成本收益考量，在短期甚至长期来说都不会成为一项常规筛查。

另外，以免疫检查点抑制剂为代表的免疫疗法，比如PD-1和PD-L1抗体最近几年在临床应用上取得了瞩目的成功。而PDX模型是用免疫缺陷小鼠构建的，其免疫系统存在不同程度缺陷，因而不能用于评估免疫疗法对个体患者是否有效。免疫系统缺陷以及皮下移植也是PDX移植瘤与原始肿瘤在微环境上的主要差异，这限制了其药效预测能力的进一步提升。因此，用重建人免疫系统的“人源化”小鼠构建的新一代PDX模型将进一步提升PDX的应用价值。

尽管存在上述局限，PDX对于指导个体化治疗仍有其现实意义。以肺癌为例，尽管有很多新的治疗手段以及伴随诊断技术的引入，但美国过去40年肺癌患者的5年生存率只是从1975年的12.2%提升到2011年的17.4%。以生物标记物为指导的个体化治疗只能让少数患者受益，因为当前可用的预测性生物标记物大多数发生频率很低，而且对肺癌的大多数一线药物来说并没有可以预测其疗效的生物标记物。因此，通过PDX模型筛选对患者最优的治疗方案可作为一个重要的替代途径和补充。

参考文献

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[3] Shorthouse, A. J. et al. The human tumour xenograft--a valid

model in experimental chemotherapy? Br. J. Surg. 67, 715–722 (1980).

[4] Rubio-Viqueira, B. et al. An In vivo Platform for Translational

（下转8页）

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者术中未找到结石（考虑为肾盏憩室内结石）。手术时间20min--120min，平均50min，碎石次数最多三次，术后住院3-6天，出现肾绞痛5例，低热6例，高热1例，均抗感染及对症治疗后痊愈，严重脓毒血症1例转ICU后治愈，无活动性出血、输尿管穿孔、等并发症发生。术后1月拔双J管，清石率达90%左右 。

减轻术后结石碎片的排出负担，可提高结石清除率；在处理肾下盏结石时，可应用套石篮将结石移至理想位置再碎石，便于碎石操作并减少了软镜镜体的弯曲折损，本组66例肾下盏结石，应用套石篮网将结石移至中上盏，短时间内完成碎石。肾盏憩室内结石是输尿管软镜治疗的一个难点，本组有两例患者术中未发现结石，考虑和早期开展该类手术，手术经验欠缺有关。

输尿管软镜逆行钬激光碎石应警惕脓毒学症的发生，本组发生1例严重脓毒血症，手术时间不超过30分钟，该患上段输尿管狭窄，导引鞘未上到肾盂输尿管连接部，术中出水不好，术后并发严重脓毒血症，转ICU治疗痊愈出院。脓毒血症的发生与结石负荷大，手术时间长，术中高流量灌注，感染性结石及导引鞘的放置位置不到位有关[5]。输尿管软镜下钬激光碎石治疗上尿路结石具有更微创、更安全、有效及并发症少等特点，并且创伤小、恢复快，该技术受到越来越多的泌尿外科医师使用，也可以在基层医院顺利开展。随着技术的熟练，可以治疗相对较复杂的肾结石。可以减少经皮肾治疗肾结石的例次，减少出血丢肾的风险。也是经皮肾碎石手术的有力补充。

2 讨论

经输尿管软镜治疗泌尿系上尿路结石的适应症为，直径2cm左右的积水不重的肾结石及体外震波碎石无效的肾盏结石，经皮肾术后的残余结石，经输尿管硬镜难处理的上段输尿管结石等。随着技术的熟练，软镜的工艺越来越先进，结石直径3-4cm的结石也可以考虑行软镜碎石手术。如肾后结肠，肥胖患者等，经皮肾穿刺风险大不宜行经皮肾碎石取石的患者。输尿管软镜钬激光碎石取石术是一个不错的微创治疗方式[2]。输尿管软镜技术学习曲线相对较长，手术风险相对较高。我科治疗病例都常规应用输尿管软镜鞘。输尿管软镜鞘可以保护镜体，减少镜体轴线旋转动作阻力，容易反复进镜，并减少镜体反复进出输尿管而可能造成的输尿管黏膜损伤；并可保持术中的冲洗液能通畅地沿其流出体外，有利于视野清晰，降低肾盂内压力，避免肾盂过度充盈扩张、出血，减少相关并发症的发生[3-4]

。术中采用20ml注销器人工推水保持视野清晰，能够很好的控制肾盂压力，是预防脓毒血症发生的很好措施。术前留置双J管1-2周，能扩张输尿管，有利于镜鞘的进入。输尿管软镜操作与进水共用一个通道，尽可能使用纤细光纤减少对软镜弯曲度和冲洗液灌注的影响，保持术中视野清晰度，提高碎石效率，我科使用200um光纤以便于软镜作较大角度的弯曲，提高碎石成功率。找到结石后，在插入光纤时保持输尿管软镜末端处于伸直状态，待光纤进入视野后，缩回镜体内 1-2 mm，重新找到目标结石，再将光纤伸出镜体外 2-3 mm 进行碎石。使用钬激光碎石时，通常选用低能量，有助于提高结石的粉碎效果。碎石时，光纤抵住结石，采用“蚕食”法，从结石周边缓慢粉碎结石至尘雾状，部分结石碎片稍大，术中可使用套石篮取出，有助于

参考文献

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本文编辑：雷巧云

（上接6页）

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本文编辑：雷巧云