PDX-Mausmodelle sind zuverlässige Stellvertreter für menschliche Tumoren, Studienergebnisse

PDX-Mäuse behalten weitgehend die Genetik der menschlichen Tumoren bei, aus denen sie ursprünglich erzeugt wurden, wie eine neue Studie zeigt.

Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung des Jackson Laboratory.

Mausmodelle gehören zu den wertvollsten Werkzeugen in der Krebsforschung. Die Forscher verwenden sie für viele Arten von Studien, von der Identifizierung möglicher neuer Krebsbehandlungen bis hin zur Suche nach neuen Hinweisen zur Krebsbiologie.

Aber Mäuse sind keine Menschen. Die Entwicklung von Mausmodellen, die aussagekräftige Forschungsergebnisse liefern, indem sichergestellt wird, dass sie das Verhalten von Krebs beim Menschen so genau wie möglich nachbilden, hat für die Forschungsgemeinschaft daher eine hohe Priorität. Eine große Studie einer internationalen Gruppe von Forschern hat nun eine starke Bestätigung dafür geliefert, dass ein zunehmend verlässlicher Typ eines Mausmodells , bekannt als PDX-Mäuse, genau das tut.

PDX ist eine Abkürzung für vom Patienten stammendes Xenotransplantat , was bedeutet, dass die Modelle zunächst durch Implantation eines Fragments eines menschlichen Tumors in eine Maus erstellt werden. Und diese neue Studie zeigt, dass die resultierende Population dieser PDX-Mäuse weitgehend die Genetik der menschlichen Tumoren beibehält, aus denen sie ursprünglich erzeugt wurden . Es gab auch Hinweise darauf, dass sich bei den Mäusetumoren nur wenige wesentliche Veränderungen der krebsbedingten Gene entwickelten, berichteten die Forscher am 7. Januar in Nature Genetics .

Ausgehend von der bislang umfassendsten Studie dieser Art sollten die Ergebnisse den Forschern Vertrauen in die Validität von Studien mit PDX-Modellen geben, sagte einer der führenden Forscher der Studie, Jeffrey Chuang, Ph.D., vom Jackson Laboratory for Genomic Medizin.

Das ist unglaublich wichtig, da die Ergebnisse solcher Studien zunehmend dazu verwendet werden, zu entscheiden, ob experimentelle Behandlungen in klinische Studien am Menschen überführt werden sollen, erklärte Dr. Chuang. "Das Erreichen der klinischen Studienphase ist eine so große Investition, dass Sie die bestmöglichen Daten wünschen", um diese Entscheidungen zu treffen, sagte er.

Es ist nicht überraschend, dass die Studie gezeigt hat, dass es einige Unterschiede zwischen menschlichen Tumoren und den Versionen dieser Tumoren gibt, die in PDX-Mäusen vorhanden sind, erklärte Senthil Muthuswamy, Ph.D., vom Beth Israel Deaconess Medical Center und der Harvard Medical School, die sich entwickelt Forschungsmodelle für Krebs, war aber nicht an dieser Studie beteiligt.

Aber das ist nicht überraschend, fuhr Dr. Muthuswamy fort. „Kein Modell ist perfekt. Nur weil ein Modell menschliche Tumoren nicht perfekt widerspiegelt, heißt das nicht, dass es nicht nützlich ist “, fuhr er fort. "Es gibt frühere Studien, die zeigen, dass die PDX-Modelle einen sehr guten Nutzen haben, und diese Studie vermittelt diese Botschaft ziemlich robust."

Krebsforschung in einem „biologischen System“

Tiermodelle sind für einige Krebsforscher von wesentlicher Bedeutung, da sie es ihnen ermöglichen, einen Tumor biologisch relevanter zu untersuchen, als dies mit anderen Modellen wie Krebszellen in einer Laborschale möglich ist, erklärte Dr. Chuang.

Ein Tumor in einem Tiermodell "befindet sich in einem wachsenden Gewebe", sagte er. „Es hat die gleichen Eigenschaften wie [menschliche] Tumoren. Es gibt Blutgefäße im und um den Tumor, es gibt Wechselwirkungen mit den Zellen und dem Gewebe um den Tumor.

Aus einer Reihe von biologischen und wirtschaftlichen Gründen sind Mäuse das am häufigsten verwendete Tiermodell. Es gibt verschiedene Arten von Mausmodellen. Am häufigsten werden solche verwendet, die durch Injektion von Krebszellen an Mäuse erzeugt werden, die in Laborschalen (sogenannte Zelllinien ) gezüchtet und gehalten wurden. Dies liegt daran, dass diese Zellen zuverlässig und schnell zu Tumoren heranwachsen und eine relativ kostengünstige und einfache Möglichkeit bieten, schnell eine große Anzahl von Mäusen zu untersuchen, die untersucht werden sollen.

Obwohl sie ein wichtiges Instrument sind, weisen diese Modelle auch wichtige Einschränkungen auf, erklärte Dr. Jeffrey Moscow vom Evaluierungsprogramm für Krebstherapien in der Abteilung für Krebsbehandlung und -diagnose von NCI, einem Forscher der Studie.

Zum Beispiel, weil Krebszelllinien unter künstlichen Bedingungen gelagert und gezüchtet werden, neigen sie dazu, im Laufe der Zeit zahlreiche genomische Veränderungen zu erfahren, sagte Dr. Moskau, was bedeutet, dass sie nicht unbedingt „eine getreue Darstellung des Tumors eines Patienten“ liefern können.

Ein besseres Mausmodell erstellen

PDX-Modelle wurden entwickelt, um die Mängel anderer verfügbarer Modelle zu beheben. Den für PDX-Modelle verwendeten Mäusen wird ein Immunsystem gezüchtet, das das implantierte Tumorfragment vor Angriffen und Zerstörungen durch die Immunzellen der Tiere schützt.

Sobald das ursprüngliche menschliche Tumorfragment eine Maus aufgenommen oder transplantiert hat und zu einem ausgewachsenen Tumor heranwächst, wird dieses ursprüngliche Tier vergrößert. Dazu werden Fragmente des Tumors entnommen und in mehrere weitere Mäuse implantiert – ein Vorgang, der als Passage bezeichnet wird.

PDX-Mausmodelle für Krebs werden für verschiedene Arten von Studien verwendet, einschließlich solcher, die bestimmen, ob experimentelle Therapien in klinischen Studien am Menschen getestet werden sollten.

Bildnachweis: Journal of Personalized Medicine. Juli 2020. https://doi.org/10.3390/jpm10030064. CC BY 4.0.

Sobald die Tumorfragmente in diesen Mäusen zu ausgewachsenen Tumoren herangewachsen sind, werden weitere Passagen durchgeführt, bis genügend Mäuse verfügbar sind, um eine bestimmte Studie durchzuführen. Im Gegensatz zu Modellen, die mit Zelllinien hergestellt wurden, kann das Erstellen eines PDX-Modells ein zeitaufwändiger Prozess sein.

"Die vollständige Etablierung eines Modells kann 6 Monate bis zu einem Jahr dauern", sagte Dr. Chuang.

Trotz des höheren Zeit- und Kostenaufwands haben sich PDX-Modelle als Forschungsarbeitspferd herausgestellt, insbesondere für Studien mit experimentellen Arzneimitteln oder Arzneimittelkombinationen, erklärte Dr. Moskau. Bei NCI, sagte er, sind Ergebnisse aus PDX-Modellstudien "eines der Hauptkriterien, anhand derer wir priorisieren, welche [Medikamente] wir in klinische Studien einführen werden."

Beantwortung der großen Frage zu PDX-Modellen

In letzter Zeit wurden Fragen zur Weisheit der wachsenden Abhängigkeit von PDX-Modellen aufgeworfen.

Ein Hauptanliegen ist, ob der evolutionäre Druck, der auf sie ausgeübt wird, wenn sie von Maus zu Maus wachsen, dazu führen kann, dass die Tumoren genomische Veränderungen erfahren, einschließlich anderer Veränderungen als die, die in auftreten Menschen. Wenn es genügend Abweichungen vom ursprünglichen Tumor gibt, spiegeln die an diesen Mäusen durchgeführten Studien möglicherweise nicht wider, was bei einem Menschen passieren würde.

Eine Studie von Forschern des Harvard and Massachusetts Institute of Technology (MIT) aus dem Jahr 2017 schien diese Befürchtungen zu bestätigen. Das Forscherteam fand heraus, dass Tumore in PDX-Mäusen schnell genetische Veränderungen entwickelten, die als Veränderungen der Kopienzahl bekannt sind und bei denen mehr oder weniger als zwei Kopien bestimmter Gene vorhanden sind.

Die Veränderungen traten innerhalb weniger Runden nach der Passage auf und unterschieden sich von den genomischen Veränderungen, die bei den von ihnen analysierten menschlichen Tumoren beobachtet wurden. Es gab auch Hinweise darauf, dass die Veränderungen bei den Mäusetumoren die Reaktion auf Krebstherapien beeinflussten.

Diese Studie hatte jedoch einige wichtige Einschränkungen, sagte Dr. Moscow, insbesondere, dass sie eine RNA- basierte Methode zur Messung der Genexpression verwendete . Diese Methode erfasst möglicherweise Änderungen wie Kopienzahländerungen bei PDX-Mäusen nicht zuverlässig, fuhr er fort, da die Vergleiche zwischen dem ursprünglichen menschlichen Tumor und den PDX-Modellen durch das Vorhandensein von Teilen normalen menschlichen Gewebes in der ursprünglichen Tumorprobe durcheinander gebracht werden können.

In der Zwischenzeit kamen mehrere kleinere Studien zu dem gegenteiligen Ergebnis und zeigten starke Parallelen zwischen Tumoren bei PDX-Mäusen und den menschlichen Tumoren, aus denen sie hervorgegangen waren.

Was benötigt wurde, war eine Studie, um diese „widersprüchlichen Beobachtungen“ aufzulösen, schrieben Dr. Chuang und seine Kollegen.

Eine umfassendere Analyse von PDX-Mäusen

Die neue Studie wurde von Forschern aus zwei großen Konsortien durchgeführt, die sich auf die Weiterentwicklung von Wissenschaft und Wissenschaft von PDX-Modellen konzentrierten: dem von NCI Cancer Moonshot finanzierten PDXNet und seinem europäischen Gegenstück EurOPDX.

Um die Studie durchzuführen, analysierten die Forscher Proben von mehr als 500 PDX-Modellen und mehr als 300 übereinstimmenden Proben von menschlichen Tumoren. Die Studie umfasste 16 Krebsarten und Tumoren von Patienten in Nordamerika, Europa und Asien.

Zusätzlich zur Bewertung von Änderungen der Kopienzahl bei PDX-Mäusen unter Verwendung der in der Harvard / MIT-Studie verwendeten RNA-basierten Technik ging diese neue und größere Studie mehrere Schritte weiter und verwendete mehrere DNA- basierte Methoden zum Nachweis genetischer Veränderungen, einschließlich des gesamten Genoms und Sequenzierung des gesamten Exoms.

Dieser umfassendere und kollaborativere Ansatz ermöglichte es den Forschern, „genetische Veränderungen im Laufe der Zeit mithilfe vieler Analysetechniken und PDX-Modelle aus vielen verschiedenen Labors genauer zu bewerten“, sagte Dr. Moskau.

Vertrauen in PDX-Modelle schaffen

Das Ergebnis war, dass sie keine umfangreichen Änderungen der Kopienzahl zwischen menschlichen Tumoren und denen in den PDX-Modellen fanden. Dies war sogar bei Modellen mit „später Passage“ der Fall, dh bei Mäusen, die häufig von der ursprünglichen PDX-Maus entfernt wurden.

Selbst wenn die Forscher speziell drei aufeinander abgestimmte Proben betrachteten – Tumorproben von Patienten mit metastasiertem Kolorektal- und Brustkrebs sowie von ihren jeweiligen Modellen für frühe und späte Passage – ähnelten sie sich weitgehend.

Insgesamt, so Dr. Chuang, sollte die Studie das Vertrauen vermitteln, dass genomische Veränderungen in PDX-Modellen „kein Problem sind“.

Dr. Muthuswamy lobte die beiden Gruppen für die Durchführung der Studie und betonte, dass dies dazu beitragen werde, die Wissenschaft der Krebsmodelle voranzutreiben.

Sein Labor entwickelt dreidimensionale Modelle, sogenannte Organoide, die auch Krebszellen verwenden, die direkt aus Tumoren von Patienten entnommen wurden und im Labor zu „Mini-Organen“ heranwachsen. Im Gegensatz zu Krebszellen in einer Schale können diese Modelle einige Aspekte der Entwicklung von Tumoren im menschlichen Gewebe replizieren und das Erbgut und die Gewebestruktur der ursprünglichen Tumoren beibehalten. Sie können jedoch schneller und kostengünstiger als PDX-Mäuse entwickelt werden.

Er glaubt, dass organoide Modelle irgendwann so weit fortgeschritten sein können, dass sie dazu verwendet werden können, die vielversprechendsten Medikamente zu priorisieren, die in PDX-Modellen getestet werden sollen.

Insgesamt sagte Dr. Muthuswamy, er hoffe, dass mehr Forscher beginnen werden, PDX-Modelle zu verwenden. Dank Programmen wie dem von Patienten abgeleiteten NCI-Repository für Patienten ist „die Verfügbarkeit von PDX-Modellen jetzt viel besser“, sagte er. „Dies ist die nächste Phase von Krebsmodellen, die wir verwenden müssen, da sie ein gewisses Maß an Variation von Patient zu Patient erfassen. Sie sind wirklich sehr wichtig. “

Studien durchgeführt, in denen Immun-Checkpoint-Inhibitoren bei dieser Art von PDX-Mäusen getestet wurden . Und Forscher des Wistar-Instituts haben diese Mäuse kürzlich verwendet, um Einblicke zu geben, wie Melanomtumoren gegen Immuntherapeutika resistent werden .

Quelle: National Cancer Institute

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