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有機體何處適合臨床前癌癥模型?

2018-11-29

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許多新臨床前癌癥模型正在研發中,各模型都有其自身優勢及最佳使用。本文著眼于3D癌癥類器官,其如何填補簡單2D體外實驗體內細胞株及患者源性異種移植(PDX)模型之間的空白。

利用傳統臨床前資源整合3D腫瘤模型

2D體外試驗無法準確預測體內反應,是導致癌癥治療學高損耗率的因素之一。因此,根據與人類生物學和疾病基因型、表型的相似性,選擇適用臨床前模型,傳統上依賴于動物模型。

最近,我們討論過3D體外模型(如腫瘤球體和器官模型)可提供的新機會。這包括構建和應用功能3D體外人體腫瘤轉化模型,以供腫瘤研究、免疫治療研究和藥物篩選。

伴隨腫瘤細胞株的多樣性和臨床前模型的可用性,現在需要知道何時用合適的模型來發揮合適的研究作用。這包括把諸如3D癌癥類器官之類的新模型整合至現有臨床前策略中,以填補2D體外和常規體內試驗之間的空白。

用于初始藥物篩選的癌細胞株

2D體外篩選是早期臨床前研究的基礎。癌細胞株通常價格低廉,易于生長,易于接受大細胞株試驗對象中大量小分子化合物庫高通量藥物篩選。

這能提供細胞死亡率的相關信息,同時還能識別藥物靶向和潛在生物標志預測反應。我們對大量癌細胞株分子譜進行深入了解,有助于在藥物研發中定向施藥。

然而,眾所周知,細胞株適于在塑料件上生長,與原發病出現偏移,喪失真實疾病的代表性和潛在的預測能力。2D培養也無法在原位捕捉3D腫瘤生物學的真實性。

早期體內藥理學的細胞株源性異種移植

把癌細胞株植入免疫缺陷小鼠模型中,生成傳統細胞株源性異種移植,重建的環境更趨向于生理。這些模型為體內藥物研發提供了一個良好工具。

體外經過篩選至藥物研發新維度——體內藥理學,傳統異種移植攜帶在此期間得到的信息。此時,在宿主決定因素(如ADME和藥物動力學)的背景下,體外發現的活性也可在體內評估。

異種移植可快速運行,生成結果與大量的歷史數據進行對比,這樣就提出一個快速概念驗證,為新試劑在特定指標中或針對特定過表達蛋白發揮作用。傳統異種移植的典型用途包括:

  • 多個潛在候選項或復合級數的初始評估。
  • 針對已知細胞株靶向,對新制劑療效進行評估并排序。
  • 全面

  • 了解新藥特性或MOA。

傳統異種移植重現細胞培養問題

傳統異種移植是通過培養細胞株生成,即細胞株受到2D細胞培養的諸多限制。在異種移植中,包括克隆選擇結合細胞應激影響基因表達和蛋白功能的問題。

雖然有文獻報道稱,異種移植細胞株腫瘤及其相應主要腫瘤具有相同的組織學特征,但另有文獻發現這些異種移植細胞株腫瘤無法再現原發性腫瘤組織學特征。此外,根據藥物靶向和/或適應癥,傳統異種移植模型上的活性治療藥物與人類患者活性的相關性較差。

例如,在研究中利用胰腺導管腺癌(PDAC)異種移植,發現相關性較低,這可能是由于在人類胰腺導管腺癌(PDAC)中發現密集促纖維增生基質及低血管密度,在惡性腫瘤異種移植中無法重現。

此時,胰腺導管腺癌(PDAC)基因工程小鼠模型(GEMM)提供了一種可選模型。胰腺導管腺癌(PDAC)基因工程小鼠模型(GEMM)表現出與人類胰腺導管腺癌(PDAC)極為相似的特征,以致密基質為表征,導致高間質壓力和血管塌陷。

在體內試驗中患者源性異種移植(PDX)更有預測性

患者源性異種移植(PDX)模型,把患者腫瘤組織直接植入免疫缺陷小鼠體內,從而消除體外選擇壓力的問題。然后把患者源性異種移植(PDX)通過連續傳代的方式進入更多動物體內(P1、Pn等)。這些模型不斷在體內維持,帶有細胞類型多樣性及腫瘤微環境,與人類腫瘤微環境極為相似。

在這方面,患者源性異種移植(PDX)在建立時,幾乎完全重現了患者腫瘤基因型和表型。此外,患者源性異種移植(PDX)在連續傳代后,瘤內克隆結構基本守恒。

在準備臨床試驗做藥物研發項目時,患者源性異種移植(PDX)最為理想化,因為這些項目具有高可譯性——在這種情況下,護理標準反應與患者臨床反應相關密切,這為指導適應證或患者臨床分層和理解耐藥機制提供了高預測性數據。

患者源性異種移植(PDX)模型無及時適應高通量分析

然而,由于在小鼠體內建立患者源性異種移植(PDX)腫瘤需要時間和成本,患者源性異種移植(PDX)平臺的使用與大規模、快速篩選缺乏兼容性。為克服這一問題并建立綜合藥物研發項目,方法是將患者源性異種移植(PDX)轉至體外和體內早期階段。

在這方面定位,已從患者源性異種移植(PDX)中獲得細胞株,基本保持了組織病理學特征和原患者腫瘤遺傳特征。即在患者源性異種移植(PDX)中瞄準的任何罕見融合或突變,細胞篩選時依然會出現。這也包括生化信號及腫瘤細胞自主靶向治療反應等特征。

患者源性異種移植(PDX)源性細胞株也可建為“傳統”異種移植模型,在一個可靠系統中再次為早期藥物研發提供遺傳特征?;颊咴葱援惙N移植(PDX) 源性細胞株也可進行3D培養,這就更近似于原位腫瘤生物學。然而,建立這些細胞株也很費時,且并非保證每個案例都能成功。

高通量、3D大規模藥物篩選的類器官

正如之前文章中的詳細描述,從新活檢中獲得類器官原發性組織的3D模型。類器官含干細胞,其具有自我更新和分化特性,可生成含幾乎任何細胞類型的3D結構。

這些細胞表現出與相應器官相似的空間組織,能夠再現該器官的某些功能,提供一個與生理學高度相關的系統。此外,類器官保留細胞-細胞和細胞-基質的相互作用,更類似于原始腫瘤。正常組織的類器官也可用于描述任何偏離靶向毒性。

與傳統異種移植模型相比,類器官比患者腫瘤更具有結構和生理的相似性。這包括超過類器官培養液延長期的穩定基因組譜,即使在培養液延長期過后,耐藥性組譜 還能穩定。

與患者源性異種移植(PDX)模型相比,建立類器官更快更準,從繁殖到藥物療效結果之間僅有2-3個月的時間間隔。這些模型可進行基因改造,與大規模藥物篩選兼容。類器官模型和患者源性異種移植(PDX)模型的藥物反應模式相似。

從腫瘤類器官中也可成功建立患者源性異種移植(PDX)模型,匹配類器官和患者源性異種移植(PDX)表明,與源性親代腫瘤有相似的組織病理學特征。

在免疫缺陷小鼠中建立并繁殖患者源性異種移植(PDX)模型,同時類器官也可用免疫系統成分研究,與患者自體免疫細胞共同培養,然后評價免疫療法。

結論

綜上所述,原發組織類器官填補了2D細胞培養液/異種移植模型與患者源性異種移植(PDX)模型臨床前模型庫中的空白。隨著研究的深入,類器官可能會成為標準臨床前藥物研發過程的一部分。

Topics: Oncology

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