PDX模型，全稱為病人來(lái)源腫瘤異種移植（Patient-derived tumor xenograft, PDX）模型，是將來(lái)源于患者的腫瘤組織、原代細(xì)胞植入免疫缺陷鼠的體內(nèi)形成的移植瘤模型。PDX模型在組織病理學(xué)、分子生物學(xué)和基因水平上保留了大部分原代腫瘤的特點(diǎn)、具有較好的臨床療效預(yù)測(cè)性。因此，PDX模型在新藥研發(fā)的諸多關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（如藥物篩選，藥效驗(yàn)證，臨床試驗(yàn)病人篩選等）得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

PDX模式圖

1、PDX模型的歷史

人類使用動(dòng)物模型研究疾病的歷史悠久，最早的文字記載可以追溯到古希臘的亞里士多德，近代的科學(xué)家們對(duì)于將人類腫瘤移植到動(dòng)物體內(nèi)則做了更多的嘗試。

• 1775年，法國(guó)外科醫(yī)生Peyrilhe將人類乳腺癌的粗提物注射到一只狗體內(nèi)，實(shí)驗(yàn)最終失??；

• 1807年，Dupuytren嘗試了包括將腫瘤組織接種到動(dòng)物腹部，注射腫瘤組織混合液到動(dòng)物腹腔或者靜脈、接種潰瘍性癌癥患者的膿液等各種方法將人類腫瘤移植進(jìn)動(dòng)物體內(nèi)；

• 1840年，Langenbeck向狗的靜脈中注射了人類肱骨髓樣癌組織液，在接種的2個(gè)月后，他在狗的肺中發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)圓形結(jié)節(jié)；

• 1851年，Lebert和Follin將乳狀乳腺癌組織注射到一只狗的頸靜脈中，這只小狗在15天后死亡，但尸檢發(fā)現(xiàn)心臟周圍已經(jīng)有結(jié)節(jié)產(chǎn)生。

• 1938年，Greene成功的將人類子宮腺瘤移植到兔子體內(nèi)的皮下組織、肌肉、腹膜腔、睪丸和眼前房當(dāng)中，其中眼內(nèi)的腫瘤成功地通過連續(xù)轉(zhuǎn)移進(jìn)行了6代的生長(zhǎng)[2]。

• 1951年，Toolan設(shè)計(jì)了在移植前對(duì)大鼠和小鼠進(jìn)行X射線照射而成功移植腫瘤的方案。動(dòng)物在X射線照射后，皮下注射了100例人類腫瘤的細(xì)胞懸液，最終有33例移植瘤生長(zhǎng)了兩代或更多[3]。?

這些早期PDX模型建立的成功率極低，現(xiàn)在我們已經(jīng)明白這在很大程度上是由于宿主免疫系統(tǒng)對(duì)移植物質(zhì)排斥導(dǎo)致的。雖然使用X射線可以抑制宿主免疫系統(tǒng)，但X射線用在動(dòng)物上的缺點(diǎn)和副作用都很多，隨后科學(xué)家們又嘗試了切除動(dòng)物胸腺再移植腫瘤等方法，均沒有很好地解決PDX模型構(gòu)建的問題，PDX模型真正發(fā)展起來(lái)實(shí)際上是在1962年裸鼠橫空出世之后。1969年，丹麥學(xué)者Rygaard首次成功地將人類結(jié)腸癌腫瘤移植于3只裸鼠體內(nèi)，腫瘤移植的6天后，在移植部位發(fā)現(xiàn)了腫瘤組織，而對(duì)照組的正常小鼠的體內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)腫瘤生長(zhǎng)的跡象[4]。此后，科學(xué)家們將各種腫瘤組織移植到裸鼠體內(nèi)，建立了許多PDX腫瘤模型。??

裸鼠

不過當(dāng)年P(guān)DX模型并未成為主流 ，同時(shí)代的CDX模型獲得了更多的關(guān)注和使用。1972年第一例通過細(xì)胞系注射構(gòu)建的小鼠CDX模型誕生，與稍早建立的直接來(lái)源于患者的PDX模型相比，細(xì)胞系容易獲得，建模難度低，且有大量關(guān)于其細(xì)胞功能、藥理藥效等的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)可供參考，這些優(yōu)勢(shì)使得CDX模型取代PDX模型成為腫瘤篩選模型的首選，在隨后的幾十年里CDX模型都是風(fēng)光無(wú)限。

但是一個(gè)問題始終困擾著大家，在臨床前細(xì)胞模型或者動(dòng)物模型上展現(xiàn)出很好療效的藥物，應(yīng)用在人體上的療效卻大大降低甚至無(wú)效，臨床前到最終臨床試驗(yàn)轉(zhuǎn)化成功率不到10%。比如，有研究發(fā)現(xiàn)，在一些抗癌化合物的試驗(yàn)當(dāng)中，臨床II期的結(jié)果和CDX模型的結(jié)果相關(guān)性非常差；其他研究還發(fā)現(xiàn)CDX模型可能會(huì)丟失腫瘤異質(zhì)性以及原發(fā)腫瘤的各種基因組學(xué)特征。

各類腫瘤模型文獻(xiàn)發(fā)表情況[6]

而PDX模型，不僅可以保留腫瘤的異質(zhì)性，關(guān)鍵基因的突變，還可以在傳代過程中保持各個(gè)通路的相關(guān)活性。這使得PDX在過去的5年里重新得到了研究者的重視，各種科研機(jī)構(gòu)和醫(yī)藥創(chuàng)新企業(yè)紛紛開始構(gòu)建數(shù)百例甚至數(shù)千例PDX模型構(gòu)成的模型庫(kù)。

2.PDX模型的構(gòu)建方法

一般來(lái)說，判斷PDX模型建立成功需要符合以下幾個(gè)條件：移植瘤傳至第2或3代能夠穩(wěn)定生長(zhǎng)；生長(zhǎng)曲線一致性較高，潛伏期趨于穩(wěn)定；成瘤時(shí)間一般不超過12周;復(fù)蘇后重新移植于小鼠體內(nèi)，能夠穩(wěn)定生長(zhǎng)。此外，為了保證與原發(fā)腫瘤的一致性，PDX模型傳代次數(shù)一般不超過10代[11]。

PDX模型傳代過程中的變化（結(jié)直腸癌PDX的基質(zhì)逐步向鼠源基質(zhì)轉(zhuǎn)變）

PDX模型的宿主一般選擇免疫缺陷程度較高的小鼠，如M-NSG/NOD-SCID等，結(jié)直腸癌等部分容易成瘤的腫瘤也可以選擇裸鼠。由于雌激素有一定的免疫保護(hù)作用，我們一般選擇雄鼠造模，周齡選擇上4-6周剛成年的小鼠。此外還要準(zhǔn)備胎牛血清包裹腫瘤組織提高成瘤率，腫瘤可以大致分為實(shí)體瘤和血液瘤，我們分別以肝癌PDX模型和血液瘤PDX模型為例介紹一下PDX建模方法。

各類免疫缺陷小鼠構(gòu)建PDX模型的成功率

上表統(tǒng)計(jì)了當(dāng)前各類免疫缺陷小鼠用于構(gòu)建PDX模型時(shí)的成功率，可以看到免疫缺陷程度越高的小鼠在構(gòu)建PDX模型時(shí)成功率越高！南模生物自主研發(fā)的重度免疫缺陷小鼠M-NSG是當(dāng)前免疫缺陷程度最高的小鼠之一，缺失成熟T細(xì)胞、B細(xì)胞和NK細(xì)胞，非常適合作為各類PDX模型移植的宿主小鼠。有意向購(gòu)買M-NSG小鼠的老師可以通過以下途徑聯(lián)系我們！

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?2.1肝癌PDX造模????

接收到新鮮肝癌腫瘤組織后，要4℃保存運(yùn)輸，并盡量在2h內(nèi)開始造模。造模時(shí)，要先清理掉壞死的腫瘤組織，將腫瘤切成3*3*3毫米的小塊，每塊腫瘤沾上matrigel和培養(yǎng)基混合物。一般選擇小鼠腹側(cè)部位接種，接種后，每天觀察動(dòng)物成瘤情況，在動(dòng)物體表瘤生長(zhǎng)至5mm*5mm開始對(duì)成瘤小鼠進(jìn)行測(cè)量與稱重并且記錄電子表，對(duì)無(wú)可見成瘤動(dòng)物觀察4~6個(gè)月，如還未見成瘤，可視為不能成瘤。成瘤的腫瘤組織稱為F1 PDX，F(xiàn)1 PDX生長(zhǎng)至800~1000mm3后處死小鼠，取腫瘤組織，重復(fù)上述操作，獲得F2 PDX，繼續(xù)重復(fù)上述操作，獲得F3 PDX。每一代PDX都可以固定和凍存一部分組織，以備實(shí)驗(yàn)需要。

實(shí)體瘤PDX建模大致流程[7]

南模生物成功構(gòu)建了60多種肝癌PDX模型，下圖展示的是肝癌PDX注射不同藥物配伍治療后腫瘤的生長(zhǎng)曲線。

肝癌PDX不同藥物配伍治療后腫瘤生長(zhǎng)曲線

?2.2血液瘤PDX造模????

血液瘤造模前一般需要對(duì)小鼠進(jìn)行全身輻照處理，進(jìn)一步抑制小鼠免疫系統(tǒng)。血液瘤PDX造模首選尾靜脈注射，將患者骨髓或外周血分離的單個(gè)核細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞經(jīng)尾靜脈或骨內(nèi)注射至小鼠體內(nèi)，腫瘤可通過小鼠血液循環(huán)擴(kuò)散至全身并局部浸潤(rùn)靶器官，更準(zhǔn)確地模擬臨床 患者體內(nèi)腫瘤生長(zhǎng)特點(diǎn)，但是這種造模方法必須借助流式等檢測(cè)手段來(lái)判斷成瘤情況；也可以選擇肝內(nèi)注射及腎包膜下移植，這些地方血管豐富，不僅能顯著提高模型的成瘤率，還可以縮短成瘤周期。但是手術(shù)技術(shù)要求高，對(duì)小鼠的損傷大，也會(huì)增加小鼠感染的概率。

部分腫瘤PDX模型的平均成瘤率[10]

考慮到病人腫瘤樣本的珍貴性，PDX模型成瘤率60-70%才是比較可以接受的，但是當(dāng)前部分癌種還是難以做到這一點(diǎn)的，例如肝癌、ALL、AML等。此外，病人的腫瘤組織能成功構(gòu)建出PDX模型，往往意味著病人的腫瘤已經(jīng)具備了更強(qiáng)的侵襲性，這些病人的預(yù)后一般更差，這一點(diǎn)在乳腺癌和腎癌患者上非常明顯[8,9]。

南模生物除可以提供PDX模型的完美宿主M-NSG重度免疫缺陷小鼠外，還有豐富的PDX模型構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)，只要您能提供有倫理證明的臨床組織，我們都可以為您構(gòu)建PDX模型，您也可以加入我們的PDX模型庫(kù)，共享PDX項(xiàng)目成果。

3.PDX模型的應(yīng)用

?3.1藥物篩選????

本世紀(jì)初德國(guó)科學(xué)家率先使用PDX模型進(jìn)行藥物篩選，經(jīng)過十余年的驗(yàn)證，大家發(fā)現(xiàn)利用PDX模型進(jìn)行藥物篩選的結(jié)果跟臨床的相關(guān)性高達(dá)89%~90%，相較于CDX模型不到10%的臨床相關(guān)性是一個(gè)質(zhì)的飛躍，所以全球的藥廠現(xiàn)在都逐步采用PDX模型進(jìn)行腫瘤藥物的篩選，美國(guó)國(guó)家癌癥研究所（NCI）、16個(gè)歐洲機(jī)構(gòu)聯(lián)合組成的EurOPDX、諾華等醫(yī)藥巨頭紛紛組建了自己的PDX模型庫(kù)，規(guī)模均已達(dá)到數(shù)千種。

PDX模型保留了原始腫瘤的組織病理學(xué)和遺傳特征[5]

目前已有不少利用PDX模型篩選出的抗腫瘤新藥走上了臨床，例如貝伐單抗（針對(duì)VEGF的一種單克隆抗體）就是使用PDX模型篩選出的，其在針對(duì)結(jié)直腸癌和腎癌的臨床試驗(yàn)中取得了較好的效果并取得了FDA的批準(zhǔn)。除了實(shí)體瘤以外，各類血液瘤的PDX模型也相繼得到建立，來(lái)自PDX模型的候選藥物已經(jīng)成功應(yīng)用于多發(fā)性骨髓瘤的臨床試驗(yàn)當(dāng)中。

?3.2腫瘤生物學(xué)????

臨床前模型通常很難反映患者的腫瘤異質(zhì)性，包括腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性（不同腫瘤細(xì)胞的基因組和表觀遺傳發(fā)生改變）或者非腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性（如基質(zhì)的異質(zhì)性）等，而PDX模型就可以捕捉到腫瘤的瘤間異質(zhì)性與瘤內(nèi)異質(zhì)性，相對(duì)于傳統(tǒng)的其他模型就有了很明顯的優(yōu)勢(shì)。

PDX模型的應(yīng)用場(chǎng)景

此外，PDX模型還是研究腫瘤起始細(xì)胞（tumor initiating cells，TIC）以及腫瘤干細(xì)胞的重要工具。實(shí)體腫瘤或者血液瘤都可能攜帶一個(gè)獨(dú)特的TIC亞群，這個(gè)亞群可以自我更新和分化，TIC在腫瘤細(xì)胞中僅占一小部分，并且缺少特異性標(biāo)記物，所以很難從原發(fā)腫瘤中分選出足夠的TIC用于后續(xù)的研究和分析。不過在PDX模型的加持下，獲得足夠的TIC不再像過去那樣困難，PDX可以幫助研究TIC在原發(fā)腫瘤生長(zhǎng)或者轉(zhuǎn)移的過程中起到的作用。

?3.3指導(dǎo)臨床用藥????

在當(dāng)前的治療中，手術(shù)以后化療和靶向藥物治療存在著很多的隨機(jī)性與盲目性，而使用病人腫瘤組織構(gòu)建的PDX模型，可替代腫瘤患者對(duì)不同的治療藥物或方案進(jìn)行體內(nèi)藥效學(xué)檢測(cè)，更是試藥的完美替身。例如，在最近的一項(xiàng)研究中，22名患者成功構(gòu)建了PDX模型，并在3-6個(gè)月的時(shí)間當(dāng)中進(jìn)行化療藥物的篩選。6名患者在產(chǎn)生實(shí)際治療數(shù)據(jù)前死亡，其余的81%的患者當(dāng)中觀察到了PDX結(jié)果與臨床結(jié)果之間的高度相關(guān)性。

替身模型指導(dǎo)用藥

此外，PDX模型還可以用來(lái)判斷耐藥性。例如，結(jié)直腸癌的PDX模型結(jié)果顯示KRAS突變腫瘤對(duì)EGFR抗體西妥昔單抗沒有反應(yīng)，因此基因測(cè)序結(jié)果顯示KRAS突變的結(jié)直腸癌病人就得選擇其它更合適的治療方案。

4.PDX模型展望

雖然PDX模型具有保留腫瘤異質(zhì)性，具有良好的臨床療效預(yù)測(cè)性等優(yōu)點(diǎn)，但也是存在一些缺陷的，例如建模難度高周期長(zhǎng)成功率低，建模和維持成本高，不能完全模擬體原始腫瘤，存在淋巴瘤的自發(fā)形成現(xiàn)象等。但這些缺點(diǎn)對(duì)于PDX模型來(lái)講都是可以克服的，建模成本高周期長(zhǎng)成功率低這些隨著PDX的規(guī)?；瘧?yīng)用必將逐步改善；使用人源化動(dòng)物模型作為PDX的宿主也可以克服免疫缺陷小鼠的主要缺點(diǎn)。未來(lái)，在抗腫瘤藥物篩選和評(píng)估、臨床用藥指導(dǎo)、腫瘤患者個(gè)性化治療等方面，PDX模型的需求和利用必將日益擴(kuò)大。

參考文獻(xiàn)

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[3]Toolan, H. W. (1951). Successful Subcutaneous Growth and Transplantation of Human Tumors in X-Irradiated Laboratory Animals.?Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine,?77(3), 572–578.

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[5]Ann Oncol . 2017 Oct 1;28(10):2595-2605. doi: 10.1093/annonc/mdx416. Patient-derived xenografts effectively capture responses to oncology therapy in a heterogeneous cohort of patients with solid tumors

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[8]?DeRose YS, Wang G, Lin YC, Bernard PS, Buys SS, Ebbert MT, Factor R,Matsen C, Milash BA, Nelson E, et al. Tumor grafts derived from women with breast cancer authentically reflect tumor pathology, growth, metastasis and disease outcomes. Nat Med. 2011;17(11):1514–20.、

[9]Li S, Shen D, Shao J, Crowder R, Liu W, Prat A, He X, Liu S, Hoog J, Lu C,et al. Endocrine-therapy-resistant ESR1 variants revealed by genomic characterization of breast-cancer-derived xenografts. Cell Rep. 2013;4(6):1116–30.

[10]Collins and Lang (2018), PeerJ, DOI 10.7717/peerj.5981

[11]J Toxicol Pathol 2020; 33: 153–160 Patient-derived xenograft (PDX) models: characteristics and points to consider for the process of establishment. Etsuko Fujii1, Atsuhiko Kato1, and Masami Suzuki1