转化医学视角下头颈癌人源性肿瘤异种移植瘤模型队列的研究愿景

张志愿 孙树洋

上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔颌面-头颈肿瘤科，上海交通大学口腔医学院，国家口腔医学中心，国家口腔疾病临床医学研究中心，上海市口腔医学重点实验室，上海200011

头颈癌是全球第七大恶性肿瘤，局部晚期或复发转移性头颈癌患者占比超过60%，其颌面部病变显著影响患者咀嚼、吞咽等功能和生存质量。近20 年来随着显微外科技术、分子靶向治疗和免疫治疗的创新发展，临床中晚期的头颈癌患者生存率有了长足的进步，但仍有相当部分患者出现复发、转移，乃至死亡。现存多种治疗策略无法满足大部分患者的临床获益需求。如何深入理解头颈癌的遗传特征和发生发展机制，为临床患者寻求精准医学时代下的个体化治疗策略，是当前广大临床医生和科研人员亟待解决的难题。

1 头颈癌辅助治疗策略面临多重困境

由于头颈部解剖结构的复杂性和特殊性，晚期头颈癌往往广泛侵犯颅底、颈动脉等重要解剖结构。虽然外科术式的发展已经显著改善大量晚期头颈癌患者的临床预后，但是头颈癌辅助策略仍然进展缓慢，缺乏新疗法的范式转变。多项关于头颈癌的临床研究提示了头颈癌辅助治疗策略匮乏，缺乏有效生物标志物的现状：西妥昔单抗是目前美国国立综合癌症网络（national comprehensive cancer network，NCCN） 指南中头颈癌一线治疗靶向药物，但在复发或转移的头颈鳞癌中，西妥昔单抗单药治疗应答率仅为13%；西妥昔单抗联合同步放化疗治疗晚期头颈鳞癌的研究提示该方案无法为患者带来生存获益，且表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）表达与药效没有相关性[1-2]；基于KEYNOTE-048的临床研究结果，帕博利珠单抗单药治疗或帕博利珠单抗、铂类和5-氟尿嘧啶联合疗法已纳入复发/转移头颈癌一线治疗方案，但是帕博利珠单抗单药或联合用药可能会出现肿瘤超进展，整体中位生存期提升仍然相对较小[3]。

一项整合了28个国外临床试验（合计4 189例头颈鳞癌患者） 的Meta分析结果提示，多西他赛、顺铂和5-氟尿嘧啶（TPF） 诱导化疗方案无法为口腔鳞癌患者带来生存获益[4]。为了研究该结论是否同样适用于中国人群，笔者研究团队在科技部“十一五” 支撑计划的支持下于2010年完成了全国首个口腔鳞癌诱导化疗Ⅲ期临床试验[5]。研究结果表明，TPF诱导化疗同样不能提高局部口腔鳞癌的生存率，但发现了部分预测TPF 诱导化疗疗效的潜在标志物，如CCND1、GDF15 和ANXA1。虽然该研究已取得了一些成果，但是仍然存在着纳入样本量不足、且是单中心研究的局限性。为了克服上述问题，笔者研究团队正在开展国家口腔疾病临床研究多中心项目局部晚期口腔鳞癌临床试验，以进一步明确TPF诱导化疗在局部晚期可切除口腔鳞癌中的作用，并且挖掘潜在的生物标志物。

临床试验能够直观展现头颈癌患者的治疗响应，同时也显露出其治疗局限性。联合用药已成为头颈癌治疗中常见治疗策略，难以实现在临床试验中评估单药临床疗效。此外，不同解剖部位的头颈肿瘤从基因到表型上差异显著，借助临床试验无法从分子层面深入挖掘肿瘤间和肿瘤内遗传多样性，尤其是治疗中出现肿瘤耐药或超进展时，仅依靠临床试验难以阐明驱动肿瘤进展的内在机制。因此，肿瘤治疗急需理想的临床前模型模拟人类肿瘤的遗传学和生物学特征，以期揭开肿瘤发展和耐药的神秘面纱，探寻有效的个体化治疗策略。

2 PDX模型作为理想的临床前研究工具

临床前肿瘤模型包括人源性肿瘤异种移植瘤（patient-derived xenografts，PDX） 模型、人源性肿瘤来源细胞系（patient-derived cell lines，PDC）模型和人源性肿瘤来源类器官（patient-derived organoids，PDO） 模型。其中，PDX 模型是将患者肿瘤组织接种至免疫缺陷小鼠，使得患者肿瘤组织继续在免疫缺陷小鼠上生长，通过序列传代构建遗传信息和组织学特征明确的移植瘤模型，是公认的理想的临床前药物筛选工具[6]。

早在20 世纪60 年代Pygaard 和Povlsen 将原发性结肠腺癌接种至裸鼠皮下，成功构建了世界上首例异种移植瘤模型[7]。70 年代中晚期，PDX 模型受到多次传代丢失原发肿瘤特性的质疑[8-10]，但是，通过对比异种移植瘤模型和临床患者对相同化疗方案的响应差异，发现二者呈现高度相似性[11-13]。70 年代至90 年代，由于体外人类肿瘤细胞系的成功建立，逐渐兴起了基于体外培养的肿瘤细胞系的异种移植（cell line-derived xenografts，CDX） 模型，这种培养模式简单易行，肿瘤生长速率稳定[14-15]。但是，随后研究发现细胞系和CDX模型在生长过程中已经适应体外培养环境，造成了不可逆的生物学特性改变，显著丢失了肿瘤关键遗传特征和肿瘤异质性[16-18]。由于上述局限性，PDX 模型在21 世纪初得以复兴并广泛应用于癌症临床前研究[19-22]。

PDX 模型含有患者来源的多种肿瘤相关细胞和细胞外基质的细胞群体，并保存了肿瘤进展过程中肿瘤细胞与微环境交流的信息。在传代早期，PDX 模型可以较好地保持人源性的基质成分和免疫相关细胞，随着传代次数增长，鼠源性的基质逐步替代肿瘤中的人源性基质[23]。因此，在构建PDX 模型的过程中至关重要的一点就是PDX 模型的稳定性评估，只有通过生物信息学分析PDX 模型的突变状态、拷贝数改变、基因表达和组织形态与患者肿瘤具有高度一致性，PDX 模型才算成功构建。值得注意的是，不同恶性程度的肿瘤在构建PDX 模型时具有不同的转归。成功建模的肺腺癌PDX 模型中与细胞增殖相关的基因上调并伴随EGFR的突变，这一情况与肿瘤的较差的预后相关[24]。相较于原发肿瘤，复发或转移的肿瘤组织更易于构建PDX 模型，笔者研究团队在构建头颈癌PDX模型过程中也得出类似结论[25-26]。此外，传代过程中PDX 模型肿瘤细胞丰度不断增加，经过纯化后的肿瘤细胞比原代肿瘤具有更高的PDC 模型构建成功率。近几年，笔者团队的孙树洋研究员已经完成涵盖患者来源的PDX 模型、PDC 模型及免疫系统人源性化PDX 模型等千余例个体化模型的建立和遗传学鉴定，搭建了全球最具规模的头颈部肿瘤药物个性化评估平台。

3 PDX模型精准反映肿瘤特征和克隆进化

肿瘤可被视为多种异质性克隆亚簇的集合，而携带不同遗传和表观遗传变异的克隆亚簇是耐药发生的重要因素[27]。由于基因组不稳定性和肿瘤微环境的选择压力，肿瘤内异质性的克隆亚簇存在时间和空间上的动态演进，促使优势克隆亚簇群体富集。PDX 模型可在数次传代扩增中稳定保持患者肿瘤的遗传特征和克隆进化过程。如头颈鳞癌中TP53、NOTCH1 等抑癌基因高频突变，通过检测头颈鳞癌PDX 模型和临床患者的基因表达谱发现二者具有高度一致性[28]。在其他肿瘤如乳腺癌、结直肠癌及其PDX 模型中也得出类似结论[29-30]。对乳腺癌原发肿瘤、脑转移灶和原发肿瘤来源的PDX 模型进行基因组测序分析发现，原发肿瘤来源的PDX 模型在保留原发肿瘤的基因突变基础上同时也富集了脑转移灶的基因突变，这也表明PDX 模型具有模拟肿瘤转移时克隆亚簇改变的能力[31]。

尽管Ben-David 等[32]曾提出小鼠特异性选择压力导致PDX 模型存在有别于原发肿瘤的克隆进化方向，这引发了PDX 模式是否能够作为有效的临床前验证模型的担忧。但是，随后1 451例PDX模型和509例患者肿瘤的拷贝数变异分析结果很快解除了该质疑：Woo 等[33]发现传代过程中PDX 模型会产生少量随机突变，但是其并未涉及肿瘤相关驱动突变，PDX 模型仍然能够稳定且真实地体现临床患者的遗传学信息，并呈现高度相似的肿瘤进化改变。此外，目前已明确人类乳头状瘤病毒（human papillomavirus，HPV） 感染不仅驱动超过90% 的宫颈癌发病，同时也与口咽癌的发生具有高度相关性。对于HPV 阳性口咽癌，PDX 模型能够有效保留病毒活性和转录表达，为深入探究病毒感染影响口咽癌发生发展机制和治疗响应差异提供理想的体内研究模型[28,34]。

4 PDX模型助力挖掘肿瘤个性化治疗策略

4.1 评估药物敏感性差异

在抗癌药物研发的过程中，约90% 临床前模型中具有活性的药物进入临床试验后未表现出相应的有效性，究其原因是缺乏真实反映肿瘤遗传学多样性和肿瘤— 药物互作的临床前模型[35]。PDX 模型可作为反馈药物敏感性的临床前筛选平台，有效助力新药研发和 “老药新用”。多个PDX模型组成充分涵盖肿瘤间和肿瘤内异质性的治疗队列，能够复制患者的基因组和生物学行为映射至PDX 模型，能够从群体层面呈现临床患者治疗敏感性差异。此外，根据实验需求，PDX 模型可在不同时间节点多阶段取材，结合生物信息注解下的组学数据，有效挖掘药物敏感性生物标志物，并揭示潜在的药物敏感及耐药机制。诸多实验证实PDX 模型和PDX 来源的PDC 模型能够有效模拟群体水平临床患者的药物治疗响应：Hallin 等[36]使用KRASG12C抑制剂MRTX849 筛选KRASG12CPDX模型和细胞系中的药物敏感性差异， 并揭示MRTX849作用下不同时间节点敏感PDX 模型的转录表达富集通路；Bruna 等[37]构建了83 例乳腺癌PDX模型，对其中22例PDX来源的PDC模型进行高通量药物筛选，并进一步在PDX 模型队列中验证其中40种化合物的体内药效响应。

考虑到临床研究往往基于联合用药策略进行设计，PDX 模型还具有评估个体间单药治疗药效差异的独特优势。2015 年，诺华生物医学研究所纳入了约1 000 例PDX 模型开展高通量药物筛选，首次提出了 “1×1×1” 理论，即1个患者1只小鼠1种药物开展临床替代性试验[20]。该研究揭示了多种全新药物治疗策略，如BRAF抑制剂康奈菲尼与CDK4/6 抑制剂LEE011 联用较单药治疗显著延长小鼠的无进展生存期，并延缓耐药发生。笔者课题组也借助 “1×1×1” PDX模型开展了多项临床替代性试验：孙树洋研究员在CDK4扩增的黏膜恶性黑色素瘤PDX 队列开展药敏试验，使用mRECIST标准评估药效响应，揭示CDK4扩增可作为预测帕博西尼（Palbociclib） 药物敏感性的生物标志物；此外，利用黏膜恶性黑色素瘤PDX 队列，笔者课题组发现帕纳替尼（Ponatinib） 较伊马替尼（Imatinib） 对酪氨酸激酶受体c-kit V560D、K642E 和D816V 突变黏膜恶性黑色素瘤患者具有更高敏感性[38-39]。

4.2 推进开展同期临床试验

基于头颈癌缺乏分子分型指导的靶向治疗现状，开展PDX 模型进行同期临床试验，将助力头颈癌的转化医学研究。根据患者遗传学特征及靶向药物预测性标志物分型标准，在PDX 模型样本库中进行模型匹配和对应，进而在PDX 模型中开展与临床试验治疗一致的PDX 模型同期临床试验[6]。同期临床试验的原则是，对于原发耐药模型，将其对应患者剔除，而对于药物敏感的PDX模型则持续治疗，当PDX 模型出现继发耐药，分析鉴定耐药机制并制定和评估联合用药方案。由于PDX 小鼠体内的肿瘤生长周期更短，当PDX 模型对应临床患者出现耐药，通过耐药组织活检样本与PDX 耐药模型匹配，根据模型药效评估结果辅助临床联合用药方案的制定。该实验方案可以短时间内获得遗传学特征明确的 “患者”，开展小鼠的临床Ⅱ期试验，为后续临床患者的联合用药策略提供有效参考。同时，也为头颈癌以外其他肿瘤提供理想的替代模型。

4.3 发展人源性PDX模型

PDX 模型小鼠在多次传代后会逐渐丧失人源性免疫细胞，因此无法深入研究免疫微环境在肿瘤进展中所发挥的作用。随着肿瘤免疫治疗的不断发展，建立人异种移植肿瘤且具有人源化免疫系统的动物模型可以在动物体内尽可能真实地反映肿瘤和免疫系统的相互作用，并可以应用于肿瘤免疫药物的筛选及其抗肿瘤机制的研究。在动物体内建立人源性PDX 模型比较常见的方式主要分为人造血干细胞移植肿瘤模型和人源性化外周血单核细胞（peripheral blood mononuclear cell，PBMC） 小鼠模型，其中，人源性化PBMC小鼠肿瘤模型是现阶段较为成熟的一种技术。多个实验室通过将健康成人外周血单核细胞注射至免疫缺陷的小鼠体内继续增殖和分化，从而在小鼠体内重建人的以T细胞为主的人源免疫细胞。利用这一类动物模型建立的PDX 肿瘤模型既具有人源性肿瘤的特征，又获得了人源性免疫细胞的相关特征，可进行T细胞免疫调节相关靶点抗体类药物和肿瘤疫苗等肿瘤免疫治疗药物的临床前研究[40]。

考虑到通过PBMC 建立的人源性PDX 涉及了人免疫系统在小鼠体内的功能重建过程，还涉及了异体/异种排斥反应、移植物抗宿主反应等诸多问题。目前也进行了许多进一步的人源性小鼠肿瘤模型的尝试，如通过将人源CD34+造血干细胞移植到免疫缺陷小鼠体内，在小鼠体内分化出免疫细胞，获得人免疫系统重建的小鼠，进而建立人源性造血干细胞小鼠肿瘤模型[41-42]。通过此种方式建立的人源免疫细胞在动物体内发育和成熟，可以较为有效地避免移植物抗宿主反应，便于开展长期研究。笔者所在的研究团队已成功建立了基于PBMC 的头颈部恶性肿瘤PDX 人源性模型，并开展了部分肿瘤免疫药物的筛选工作。

5 结语及展望

随着多组学和生物信息分析技术的进步，肿瘤研究阔步迈向个体化医疗时代。PDX 模型在覆盖患者间和患者内肿瘤异质性的基础上，为实现以精准医学为核心的个性化治疗方案提供临床前模型参考。这种为患者 “量身定做” 的模型尽可能复制肿瘤的特征，能够从分子层面重新认识肿瘤的本质和发生发展机制，为在临床前评估药效，发现肿瘤生物标志物和耐药机制，进一步研究药物联用策略提供了有效的研究平台。由于PDX 模型不可避免地丧失了患者肿瘤细胞与免疫细胞之间的互相作用，除重建人源化PDX 模型之外，原代肿瘤还可以通过构建PDO 模型在体外重塑肿瘤微环境。PDO 模型所需时间相对较短，且基质胶包裹肿瘤细胞可提供模拟体内生存状态的三维培养环境，为探究免疫相关肿瘤研究提供了另一理想模型。此外，包括EurOPDX 在内的诸多PDX 模型库中，HPV 相关头颈癌等病毒性模型数量仍然相对较少。未来，立足于丰富的样本资源，扩大该类极具特色的头颈肿瘤PDX 模型建立，同时进一步促进各个PDX 模型库共同合作，纳入大规模人群队列开展无偏移的临床前研究需要所有科研人员的共同努力。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。