肺癌脑转移瘤人源异种移植模型的构建及应用研究进展

陈东霞 李晨龙 梁鹏

【摘要】 肺癌脑转移瘤是中枢神经系统最为常见的继发性恶性肿瘤，目前共识的治疗方式是在安全范围内通过手术最大程度切除肿瘤组织，术后进行化学治疗以及局部或全身放射治疗，但其治疗效果仍不理想。人源异种移植瘤模型能够很好地保留患者原发肿瘤异质性、组织学特性和分子多样性，能够为研究新的治疗方法提供新思路及新的研究工具。本文就移植瘤模型的建立、模型在肺癌脑转移瘤治疗中的应用研究以及模型的应用前景和局限性进行综述。

【关键词】 肺癌；脑转移瘤；人源异种移植模型

【中图分类号】 R739.41；R734.2  【文献标志码】 A  【文章编号】 1672-7770（2024）03-0329-04

肺癌是全球最普遍的恶性肿瘤之一，也是癌症患者死亡的主要原因［1］。其中非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）的发病率约占所有肺癌病例的85%［2］。肺癌发生转移的常见部位包括脑、肝和骨［3］，其中脑部转移发生率达30%～50%［4］。脑转移瘤是最常见的颅内肿瘤，而在肺癌中NSCLC是脑转移发生的主要原因，占所有癌症脑转移的43%左右［5］。目前肺癌脑转移瘤的治疗手段主要有脑放射治疗（whole brain radiotherapy，WBRT）、立体定向放射治疗（stereotactic radiosurgery，SRS）、外科手术治疗及辅助化疗。然而肺癌脑转移患者生存预后依然不能令人满意，总生存期（overall survival，OS）仅约7～8个月［6］。由于现阶段对癌症复杂的异质性的研究有限，以及对临床前癌症模型的应用认识不够透彻，导致很多新型药物在临床实践中成功率较低。为研究肺癌脑转移瘤更有效的治疗方法，因此需要在能够充分反映人类癌症异质特性的模型上进行深入探索。随着人源异种移植模型（patient derived xenograft，PDX）在熟知的几种肿瘤中获得了较好的研究进展，有研究［79］利用肺癌组织，建立小鼠肾包膜下PDX模型，包括中低分化鳞状细胞癌、腺癌、腺鳞癌、小细胞癌、大细胞未分化癌和肉瘤。4～12周后，收集移植瘤与原始组织进行比较，结果均提示异种移植瘤与原始肿瘤具有遗传相似性，并为肺癌治疗提供了更多的靶点。PDX模型作为一种更先进的临床前肿瘤模型［1011］引起了人们的关注。因此构建肺癌脑转移瘤的PDX 模型有望成为临床前药物研发的强大工具。

1 PDX模型的构建及应用

1.1 PDX模型的建立方法

1.1.1 接种组织、细胞的处理 PDX模型的建立是通过将患者新鲜的肿瘤组织（含有肿瘤细胞和间质细胞以及血管成分）、原代细胞植入到免疫缺陷小鼠体内来完成的［1213］。将手术获得的新鲜肿瘤组织去除坏死组织切成较小碎片，进行原代细胞处理的细胞要经过化学消化成单细胞悬液，用1 640培养基（含有10%胎牛血清、1%青霉素/链霉素）置于37 ℃、5% CO2饱和湿度培养箱中培养。稳定传代后以1×105个细胞每50 μL［14］的1 640接种到免疫缺陷小鼠体内。对于直接植入的新鲜肿瘤组织要将其分割成体积1～3 mm3的小块，用培养液冲洗3～4次。然后在最短时间内植入免疫缺陷小鼠体内。接受患者肿瘤碎片的第一代小鼠通常记为F0，当肿瘤达到足够大时，将其解剖并重新植入到其他受体小鼠体内，此后的每一代分别记为F1，F2，F3，…，Fn。

1.1.2 免疫缺陷小鼠的种类及接种部位 可用于PDX模型的免疫缺陷小鼠有多种，严重受损免疫缺陷小鼠（severe combined lmmunodeficient，SCID）、无胸腺裸鼠、非肥胖糖尿病小鼠（non obese diabetes/SCID，NOD/SCID）和白细胞介素-2（interleukin-2，IL-2）受体γ链敲除小鼠（NOD-SCID IL-2 receptor gamma，NSG）［15］。有研究表明，小鼠免疫功能缺损程度越高，建模的成功率越高，因此由于NSG小鼠具有高度的免疫缺陷、不受免疫方面的影响的特点，其成为了构建PDX模型较受欢迎的选择［16］。植入方式可分为原位移植和异位移植。在原位移植中，研究者将患者的肿瘤组织种植到小鼠的颅内，原位移植既模拟了肿瘤原发生长的微环境，又很好地反映了肿瘤的生物学特征，因此被认为是一种理想的模型，但原位移植对实验操作要求较高，且不易成功。异位移植最常见的植入部位是移植到小鼠的背部皮肤下或者肾包膜下［17］。异位移植的优点是操作简单，肿瘤易观察，缺点是不能充分还原肿瘤生长微环境。

1.2 PDX模型构建的必要性 改善肺癌脑转移瘤治疗方法的一个障碍是缺乏可靠的临床前模型。目前，肺癌脑转移细胞系和体内脑转移模型获取并不广泛。PDX是一种用于临床前研究癌症的成熟模型，研究者通过直接从患者身上获取肿瘤样本，然后种植在小鼠的侧翼或后腿，或者脑原位植入。Baschnagel等［18］建立异位和原位颅内移植瘤模型，并对患者和配对肿瘤进行RNA和DNA测序。从形态学上看，模型保留了患者原发灶较强的细胞结构特征。通过对转录组和突变分析显示匹配的患者和PDX样本之间高度相关，检测到超过95%的变异被保留在匹配的PDX模型中，这为临床前治疗药物的测试提供了宝贵的资源。研究人员构建的肺癌PDX模型［1920］，通过全外显子组测序（whole exome sequencing，WES ）和RNA-seq证实了PDX模型能够准确复制原发肿瘤的分子异质性，并验证了标准治疗方案在肺癌 PDX模型中的疗效。尽管PDX模型的概念和初步建立已经存在了几十年，但随着个体化治疗方法的转变，它们在肿瘤学药物开发中的价值正在逐步实现，因此构建特异性的肺癌脑转移模型是十分必要的。

2 PDX模型在肺癌脑转移瘤治疗的研究

2.1 PDX模型在肺癌脑转移靶向治疗中的研究 虽然近几年医疗技术发展迅速，肺癌脑转移瘤的患者预后有所改善，但如何有效地治疗及延长患者的OS仍旧是困扰医疗工作者的一大难题。随着PDX模型在乳腺癌、胃癌及脑胶质瘤［2123］等恶性肿瘤研究领域获得的成就，有研究者认为PDX模型可用于肺癌脑转移瘤机制的研究及发现潜在的治疗方案，因为这些模型高度还原了患者对标准化疗的临床反应。Masuda等［14］构建了肺癌脑转移瘤的小鼠模型并注射贝伐单抗，结果发现肺癌脑转移小鼠脑内的贝伐单抗浓度高于正常小鼠，并且主要在转移病灶中观察到贝伐单抗，研究者认为贝伐单抗在脑转移瘤中的抗增殖作用是通过其渗透到肿瘤中抗肿瘤血管生成实现的，证明了贝伐单抗对已建立的脑转移瘤模型的抗肿瘤增殖作用。

研究人员筛选了20个肺癌脑转移的PDX模型用于研究MET抑制剂替波替尼的脑渗透能力和颅内活动的临床前试验，结果发现替波替尼能够穿透小鼠的血脑屏障，与脑组织有较高的结合，对肺癌脑转移有明显抑制作用［24］。替波替尼在皮下和原位移植两个模型中均显示出抗肿瘤活性。Le等［25］的研究结果提供了MET14号外显子跳跃突变的肺癌脑转移患者对替波替尼的局部及全身反应的临床证据［2627］，支持对替波替尼颅内疗效的进一步前瞻性研究。

这些研究结果体现了用PDX模型来研究肺癌脑转移的靶向治疗是一个可靠的方法。PDX肿瘤模型与患者原始肿瘤表现出很强的表型和分子相关性［7，28］，保留了原始肿瘤的组织学、生物学和遗传学在内的关键特征，建立的PDX模型可以用于阐明肿瘤的发病机制，有利于探索新的治疗方法。

2.2 PDX模型在肺癌脑转移瘤放射治疗中的研究 放射治疗在肺癌脑转移瘤的治疗中起着重要作用，立体定向放射治疗和WBRT是许多肺癌脑转移患者的一线治疗的标准［29］。尽管如此，患者的生存预后仍不理想，因此联合用药增强放疗效果是肺癌脑转移瘤治疗的潜在方法。目前，虽然有多项临床研究对脑转移瘤患者使用放射增敏剂进行研究，但都没有得到理想结果［30］。甚至有研究指出，在WBRT过程中添加药物会产生副作用，可能对患者生存产生不利影响［31］。有研究［18，32］考虑到放射治疗是脑转移瘤的主要治疗手段，于是测试了PDX对5种标准分割放射治疗（UW-lung-2、UW-lung-5、UW-lung-16、UW-lung-18、UW-lung-21）的反应；结果显示，肿瘤生长抑制率分别为51%、42、53% 、58和92%；之后继续总结经验，使用合适的PDX模型，利用能够穿透血脑屏障的小分子ATP竞争抑制剂M6620 （VX-970）设计试验，研究结果提示与单独放疗相比，M6620和放疗的结合提高了小鼠的总存活率，表明M6620在临床前肺癌脑转移PDX模型中增强了放疗效果，对放疗起到了增敏作用。Majeed等［33］利用小细胞肺癌PDX模型评估了泛素样修饰激活酶1抑制剂TAK-243联合奥拉帕尼或放疗的疗效，结果发现在模型中能够观察到TAK-243与奥拉帕尼的协调作用及其放射增敏作用，因此认为TAK-243是一种潜在改善SCLC患者预后的治疗策略。因此，利用PDX模型来评估肿瘤放射治疗疗效是一种极具前景的策略。

3 PDX模型在肿瘤中的应用前景及局限性

由于PDX模型很好地保留了原发肿瘤的异质性，包括基因表达谱和药物反应，因此它已经成为很有应用价值的异种移植瘤模型［34］。近年来免疫治疗已成为肿瘤治疗领域最具潜力的手段之一。PDX模型具有可重现人体内免疫细胞与肿瘤间相互作用的优势，成为生理和病理条件下模拟人体肿瘤免疫治疗疗效的新模型［35］。Tsoneva等［36］利用肺癌PDX模型，确定了痘苗病毒（vaccinia virus，VACV）与宿主免疫系统的相互作用，验证了使用CTLA4阻断抗体和VACV的联合治疗肺癌的有效性。Sanmame等［37］首次使用胃、肠癌Hu-PBL BRG小鼠模型对临床级程序性细胞死亡1（programmed death protein 1，PD-1）抗体和CD137抗体药物进行临床前药效评价。研究发现，药物阻断PD-1并同时激活CD137可使肿瘤免疫微环境中可表达干扰素-γ（interferon-γ，IFN-γ）的人源T细胞数量增加，抑制了肿瘤的生长，为PDX模型在免疫检查点抑制剂及药物联用研究中的应用提供了依据。

但是PDX模型存在以下局限性，首先PDX模型的建立成本较高，因为免疫缺陷小鼠价格较昂贵，建模时间较长，临床前PDX模型的构建大概需要2～8个月［13］。其次，由于原始肿瘤的生长特点及侵袭性的不相同以及不同部位的肿瘤组会降低移植的成功率，其中移植成功率较高的有胃肠道肿瘤［38］，而乳腺部位肿瘤的移植成功率较低。另外，虽然PDX模型可以模拟患者体内大部分免疫细胞（固有免疫、适应性免疫）与肿瘤的相互作用，但依然缺乏免疫细胞与肿瘤之间的MHC相容性差异和部分人源细胞因子、趋化因子等，导致模型免疫亚群发育受阻［35］。目前暂无一种模型可以完美模拟人类肿瘤和免疫系统的临床特征。最后，有研究报道PDX模型中广泛存在小鼠病毒，这可能会对模型中的基因表达产生影响，具体如何影响需进一步研究［39］。

4 小 结

总之，由于PDX模型很好地保留了肿瘤的异质性，使其在药物筛选、药物疗效预测和联合临床试验等研究中表现出明显的优势，这对于新型药物的研发及研究新疗法是十分有帮助的。本文综述了PDX模型的构建及在肿瘤治疗应用中的研究进展，利用PDX模型进行临床前试验，新药研发及验证药物疗效，为肿瘤患者制定更加个性化的治疗方案提供新思路，是研究NSCLC脑转移及其他肿瘤治疗方式的重要手段。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。

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