脑胶质母细胞瘤人源异种移植模型的应用研究进展

2021-01-06左争辉马春晓

河南医学研究 2021年6期

左争辉，马春晓

(河南大学人民医院/郑州大学人民医院/河南省人民医院神经外科，河南郑州 450003)

脑胶质瘤是神经外科最常见的恶性肿瘤，发病率占颅内肿瘤的50%左右。世界卫生组织根据组织病理学特点将胶质瘤分为4级，其中，胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme，GBM)的恶性程度最高和侵袭性最强，现阶段被认为是一种涉及细胞代谢功能失调的疾病，其生存期短，中位生存期为14.6个月[1]，目前最佳的治疗方案是在安全范围内最大程度的手术切除肿瘤联合术后的放化疗，这只能在一定程度上减缓复发，延长生存期，GBM死亡率并没有显著下降，仅约17%的GBM患者生存期超过2 a[2]。由于肿瘤错综复杂的生物学特性，现阶段对肿瘤认识不够透彻，以及临床前模型的局限性，从而导致了新型治疗药物在临床研究中的成功率较低。为更有效的治疗胶质瘤，需要寻找新的治疗手段。随着人源异种移植模型(patient derived xenograft，PDX)在其他肿瘤研究中取得的进展，胶质母细胞瘤PDX模型可能为实现精准个体化治疗及联合治疗提供了新方案和新策略。

1 PDX模型的建立及优势

1.1 免疫缺陷小鼠的概念免疫缺陷小鼠是指一种或者多种免疫系统组成成分缺陷的小鼠。历史上，第一只免疫功能低下的小鼠是由Grist于1962年发现的，因为发现时身体无皮毛，所以被称为“裸鼠”，因“裸鼠”缺乏免疫器官，所以又被称为免疫缺陷小鼠。随着基因编辑技术的不断发展，越来越多品种的免疫缺陷小鼠被研发出来。根据缺乏的免疫细胞不同，分为T淋巴细胞缺陷小鼠(BALB/C小鼠)；T、B淋巴细胞双缺陷小鼠(SCID、NOD-SCID小鼠)；T、B淋巴细胞及NK细胞缺陷小鼠(NSG、NOG小鼠)。其中，NSG小鼠免疫缺陷程度最高，无免疫因素方面的影响，移植成功率最高[3]，被选定为最适合建立模型的小鼠。1969年，人类历史上首次将结肠癌肿瘤移植到裸鼠体内并获得成功，至此，人类将各种类型的肿瘤组织移植到免疫缺陷小鼠体内，建立了多种PDX肿瘤模型。

1.2 PDX模型建立方式PDX模型是将患者的肿瘤组织直接移植到免疫缺陷小鼠体内而建立的人源异种模型。由于人类与动物之间种属的差异，建立异种移植模型有两种方式[3-4]：一是原位移植肿瘤模型，是指将肿瘤手术切除后直接移植到模型相应的位置，这种移植方式对改变原始肿瘤所处的免疫环境影响小，更适合肿瘤的生长，但是，这种移植模型对实验操作技术要求高，成功率低；二是异位移植肿瘤模型，即将肿瘤组织移植到小鼠背部皮肤下或肾包膜下，这种方式对技术要求低，操作方便，而且可以缩短肿瘤形成时间，提高肿瘤形成率。

1.3 PDX模型的优势PDX将刚手术切除的新鲜肿瘤组织直接接种至免疫缺陷小鼠体内，用小鼠代替患者，依靠小鼠提供的微环境，模拟肿瘤在患者体内生长的过程，因此能更好地保留肿瘤的重要生物特征。与体外细胞系相比，PDX不仅少了细胞系传代过程，而且增加了体内环境的影响。PDX模型保留原始肿瘤细胞的微环境及肿瘤的异质性[5]，打破了传统肿瘤离体模型固有的局限性，更能模拟肿瘤在体内的生长过程和肿瘤微环境，这是迄今为止与原发肿瘤最为相似的体内动物模型[6]。因此，PDX模型是目前最切合实际且最理想的原发瘤体替代者，并且在新型药物研发、临床前药物试验、个体化药物筛选、肿瘤相关分子标志物的研究及精准医疗等方面带来新的突破，为胶质瘤患者确定最佳的治疗方案[7-8]。用小鼠替代患者去测试不同药物的治疗效果，从中挑选出最有效的治疗方案，可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。

1.4 PDX模型在其他肿瘤方面的应用目前，PDX模型在治疗胰腺癌、胃癌、肝癌及血液病方面的研究已取得非常好的结果。Hidalgo等[9]研究指出PDX模型在治疗难治性晚期癌症方面作用显著，他们从14例晚期癌症患者中切除肿瘤，立即移植到免疫缺陷小鼠中生长，并在232种治疗方案中筛选出63种药物治疗，利用异种移植模型筛选出了12例患者的有效治疗方案，除1名患者在接受治疗前死亡，其余11名接受了17项前瞻性指导治疗，其中15种治疗方案获得成功。Elena Garralda团队将二代测序技术和PDX模型结合起来，根据 PDX的测序结果选择最有效的个体化药物，在基因方面寻找治疗方案，结果显示25例实体瘤患者中的14例接受了个性化治疗，11例得到了持久的部分缓解[10]。PDX模型在卵巢癌免疫治疗研究中，利用患者匹配的PDX模型，发现自体肿瘤反应肿瘤浸润淋巴细胞(tumor infifiltrating lymphocytes，TIL)给药可减少肿瘤负担和增加生存率，为评估患者特异性T细胞对免疫治疗的反应提供了独特的平台[11]。

2 胶质母细胞瘤PDX模型应用研究

2.1 PDX模型在胶质母细胞瘤中的应用研究近年来，胶质母细胞瘤的治疗面临困境，随着PDX模型在血液病、胃癌及卵巢癌等肿瘤方面获得的成就，PDX模型在胶质母细胞瘤治疗方面成为研究的焦点。有研究[12]指出，小鼠脑内接种肿瘤组织后肿瘤形成快，成瘤率高，肿瘤对周围正常组织有浸润性生长，并伴有新生血管的形成，其生物学特性与人脑胶质瘤较为接近，适合用来研究脑胶质瘤的发病机制和治疗方法，但模型与患者肿瘤的重要分子特征相似程度尚不清楚。最新研发出的一项胶质母细胞瘤PDX模型[13]，可将肿瘤细胞注射到玻璃体腔内，这种PDX 模型的成功建立为模拟肿瘤的生物学行为提供了更为简单有效的方法。Brown等[14]建立了20个恶性胶质瘤PDX模型用于分析蛋白质组学，分析了包括表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)在内的几种蛋白质的表达和活性，结果显示EGFR具有高活性的小鼠是一种很好的临床前模型，可以为EGFR具有高活性肿瘤的部分GBM患者提供治疗方法，这在胶质瘤的靶向治疗方面找到了可用的工具。在很多继发性GBM中TP53普遍表达，而TP53突变和非功能性p53可能表现出特定的辅助治疗易患性和不同的术后结果，Radaelli等[15]通过建立移植模型研究证实，这种表达模式在移植模型中也同样表达，因此小鼠模型可作为临床前研究的有力工具，用于测试TP53突变设计的新型辅助治疗方案的可行性。Grobben等[16]的研究显示，小鼠脑内的人异种移植肿瘤细胞和人脑神经胶质瘤细胞同大多数肿瘤细胞相同，一般均围绕着血管和神经纤维生长和迁移，并且血管周围生长的普遍为神经胶质瘤细胞，其表现为亲内皮基底膜的性质，提示脑胶质瘤细胞生长、成瘤与内皮细胞有紧密联系。Chen等[17]最新研究利用胶质瘤PDX模型进一步证实了通过抑制生物钟相关蛋白CLOCK和趋化因子OLFML3的功能可以抑制小胶质细胞的浸润和胶质瘤干细胞(GSCs)的干性，研究结果显示荷瘤小鼠的生存期明显的延长。Fadi等[18]最近将建立的人源胶质母细胞瘤器官(glioblastoma organoids，GBOs)移植到成年小鼠大脑中，GBOs表现出对周围组织的快速浸润，并且保留了胶质母细胞瘤的异质性和许多关键特征，因此可以快速研究制定患者的精准治疗策略，能够及时对个性化治疗反应做出测试，在胶质母细胞瘤的基础和转化型研究方面有广泛的应用。

2.2 PDX模型在胶质母细胞瘤免疫治疗研究中的应用PDX模型联合嵌合抗原受体T(chimeric antigen receptor transduced T，CAR-T)细胞治疗癌症成为近年来肿瘤免疫治疗的新方法。有研究指出，CAR-T细胞能显著增强抗肿瘤作用，特别是对B细胞恶性肿瘤疗效尤其显著[19]。在一项胶质母细胞瘤的PDX动物模型研究中，EGFR Ⅲ型突变体(EGFRvⅢ)的CAR-T治疗产生了非常有希望的结果，它抑制了小鼠颅内肿瘤的生长，目前正在对胶质母细胞瘤患者进行临床试验[20]。有研究[21-22]利用小鼠异种移植模型，发现在胶质母细胞瘤中与单独靶向表皮生长因子受体2(HER2)的CAR-T细胞相比，通过双特异性T细胞联合靶向HER2 和白介素13受体α2的策略在清除肿瘤细胞方面显示出更高的效率和更少的抗原逃逸变体。Wing等[23]将溶瘤病毒与过继性CAR-T细胞结合，提高了PDX小鼠肿瘤模型的抗肿瘤效果，延长了其存活率，为实体瘤免疫治疗研究提供了新的策略。Lee等[24]利用PDX小鼠模型研究发现自然杀伤细胞(natural killer cells，NK)失活可导致GBM远处转移，将NK细胞经静脉或瘤内移植入原位GBM模型，可诱导脑内GBM细胞凋亡。因此，通过补充脑内NK细胞来治疗GBM可能是一种极具潜力的免疫治疗策略。

3 PDX模型的局限性与未来展望

就现阶段对胶质瘤的研究而言，PDX是重现胶质细胞瘤病灶特征的较好的动物模型，能很好的保留原发肿瘤部位的特异性。但由于种属的不同，肿瘤的生长特点及侵袭性与原始肿瘤不尽相同，而且不同部位的肿瘤组织，模型移植成功率也不同，胃肠道肿瘤的移植成功率较高，而乳腺癌的移植成功率较低[25]。建立PDX所花费的时间较长，成本较高，移植成功率不确定，很难完整的复制患者数据[26]。另外，PDX模型造血细胞和免疫细胞的平衡与人类也不同，药物分布和代谢的速率不同，以及肿瘤生长速率比大多数癌症患者要高[27]，为了保证数据的可靠性和可重复性，国际社会平台的标准化对于建立PDX模型和管理分子谱数据至关重要[28]。随着研究的深入和国际合作的加强，以上这些问题有望逐步得到解决。

虽然有很多问题亟需解决，但PDX模型保留肿瘤形态和遗传稳定性，保留原发肿瘤的所有分子生物学特性及其肿瘤异质性的优势不可否认，这在人类胶质瘤研究中效益突出[29]。模型的肿瘤组织与原发组织相比，其独特的表达特征和表达稳定性证实了PDX小鼠模型在胶质瘤研究中的有效性和实用性。另外，由于免疫系统在肿瘤防治中的重要作用，未来可以利用基因编辑重建小鼠免疫系统，用以研究胶质母细胞瘤等恶性肿瘤的免疫治疗。