2021年4月
第29卷㊀第2期
中国实验动物学报
ACTA LABORATORIUM ANIMALIS SCIENTIA SINICA
April 2021
Vol.29㊀No.2
师长宏.前列腺癌异质性转化PDX 模型研究进展[J].中国实验动物学报,2021,29(2):242-247.Shi CH.Research progress in patient-derived tumor xenograft models of heterogeneous transformation of prostate cancer [J].Acta Lab Anim Sci Sin,2021,29(2):242-247. Doi:10.3969/j.issn.1005-4847.2021.02.015
[基金项目]国家自然科学基金(32070532)㊂
Funded by National Natural Science Foundation of China(32070532).
[作者简介]师长宏(1973 )，男，博士，教授，博士生导师，研究方向：肿瘤动物模型的制备与评价㊂Email:changhong@fmmu.edu
前列腺癌异质性转化PDX 模型研究进展
师长宏∗
(空军军医大学实验动物中心，西安㊀710032)
㊀㊀ʌ摘要ɔ㊀异质性是前列腺癌的主要临床特征，也是影响其效果的主要因素㊂建立基于临床肿瘤标本的 异种移植转化模型，对于前列腺癌的研究具有重要意义㊂本文就前列腺癌的临床异质性进行总结，综述模拟临床特征的PDX 模型研究进展，重点关注急需的异质性转化模型，以期为前列腺癌的临床转化机制研究和靶向药物筛选提供理想的动物模型㊂
槭叶铁线莲ʌ关键词ɔ㊀异质性转化；前列腺癌；病人来源异种移植模型
ʌ中图分类号ɔQ95-33㊀㊀ʌ文献标识码ɔA㊀㊀ʌ文章编号ɔ1005-4847(2021)02-0242-06
Research progress in patient-derived tumor xenograft models of
heterogeneous transformation of prostate cancer
SHI Changhong ∗
(Laboratory Animal Center,Air Force Medical University,Xi an 710032,China)
Corresponding author:SHI Changhong.E-mail:changhong@fmmu.edu
ʌAbstract ɔ㊀Heterogeneous transformation is not only the major clinical feature of prostate cancer,but also the main
factor affecting therapeutic outcome.It is of great importance for the study of prostate cancer to establish patient-derived tumor xenograft (PDX)transformation models.In this paper,we discuss the clinical heterogeneity of prostate cancer,
review research progress in PDX models simulating clinical features,and focus on the urgently needed heterogeneous transformation model.We describe the ideal animal model needed for the study of prostate cancer transformation mechanisms and targeted drug screening.
ʌKeywords ɔ㊀heterogeneous transformation;prostate cancer;patient-derived xenograft model
Conflicts of Interest:The authors declare no conflict of interest.
㊀㊀前列腺癌(PCa)是全球男性第二大恶性肿瘤，异质性是其主要临床特征[1]㊂虽然雄激素剥夺可有效控制肿瘤生长，但最终会形成去势抵抗性前列腺癌(castration-resistant prostate cancer,CRPC)，进一步雄激素受体(AR)靶向在延长患者生存期的同时会诱导神经内分泌(neuroendocrine prostate cancer,NEPC )和侵袭变异性(aggressive variant, AVPC)前列腺癌，出现特征性骨转移，导致难以治愈[2]㊂驱动Pca 发生系列转化的分子机制并不是很清楚，主要是缺乏模拟临床特征的异质性转化模型㊂本文就前列腺癌的临床异质性进行总结，综述基于临床肿瘤病人异种移植(patient derived xenograft,PDX)模型的研究进展，重点关注急需的Pca 异质性转化模型，以期为Pca 的转化机制研究
和靶向药物筛选提供理想的动物模型㊂
1㊀前列腺癌具有独特的异质性，需要体内模型展示其进展转化特征
㊀㊀前列腺癌发生和发展的重要因素是雄激素传导信号㊂手术或药物去势是进展性PCa 患者标准方式，然而，大多数PCa 患者最初对雄激素剥夺有积极反应，但在去势2~3年后病情复发，进展为去势抵抗性前列腺癌(CRPC)
[2]
㊂此时肿瘤
细胞为了生长和存活由对雄激素具有不同程度依赖性的混合细胞组成，具有较强的异质性
[3]
(图1)㊂
在CRPC 中，疾病进展最常见的是雄激素受体(androgen receptor,AR)信号的再激活，此时，多西紫杉醇或新一代雄激素受体抑制剂，如恩杂鲁胺(ENZ)和阿比特龙(ABI)被用于CRPC 的，在显著提高生存率和生活质量的同时，大多数患者最终会对这些药物也产生耐药性，诱导出现NEPC 的转化和AVPC [4]，导致临床难以治愈㊂因此，雄激素剥夺在诱导Pca 异质性转化中发挥了最重要作用
㊂
图1㊀前列腺癌临床异质性特征
Figure 1㊀Clinical heterogeneity character of prostate cancer
NEPC 是PCa 的一种恶性突变，保留了早期
PCa 基因组特征并获得新的分子变化，此时AR 信号减弱，具有高进展风险，包括促使转移的发生㊂
雄激素阻断是导致患者NEPC 发生的重要原因，已证实CRPC 病人后发生的NEPC 克隆来自CRPC-腺癌前体，而不是预先存在的NEPC 克隆，可以基于不同的分子改变将CRPC-NEPC 从CRPC-
腺癌中区分出来[5]㊂Beltran 等[6]对患者进行了前列腺切除术，发现伴有局部淋巴结受累，最初采用雄
激素剥夺(androgen deprivation therapy,ADT)，然后在发生转移和去势抵抗时进行化疗，数月后，骨盆软组织活检发现已进展为NEPC㊂
AVPC 又称间变性前列腺癌，在临床上被定义
为具有转移特征的CRPC (mCRPC)，包括内脏转移㊁骨转移或骨盆中淋巴结转移等[7]，其中骨转移最常见㊂临床证实具有侵袭性特征的CRPC 更适合铂，如果在CRPC 进展期间能够及早检测到NEPC 改变，则可选择这些个体用于NEPC (铂化疗)而不是AR 靶向[6]㊂因此，迫切需要与临床相似的体内模型来充分展示前列腺癌CRPC㊁NEPC 和AVPC 的进展转化特征，了解其异质性，开发具有针对性的策略㊂
2㊀细胞系移植(CDX )模型的特征局限，缺乏异质性
㊀㊀PCa 的研究由于缺乏模拟临床特征的系统性模型一直受到影响㊂目前常用的细胞系移植(Cell derived xenograft,CDX)模型在ATCC 已报道1000个癌细胞系中仅有7种Pca 细胞系[7-8]，但这些细胞系和模型已应用多年，在前列腺癌发病机制和药物筛选研究方面发挥了重要作用㊂比如,AR 对于雄激
素依赖性Pca 病情的发展至关重要，它激活雄激素后，调节前列腺特异抗原(prostate specific antigen,PSA)表达并诱导PCa 细胞的增殖，因此,Pca 细胞系应关注完整AR 的表达和雄激素依赖特性㊂LNCaP 是雄激素依赖的代表性细胞系，可以进一步形成AR 非依赖性的亚系LNCaP C4-2，该细胞具有突变的雄激素受体，对雄激素有反应性，分泌PSA，更具临床相关性，主要用于PCa 发病机制研究，但该细胞系在体内致瘤性差，由于雄激素受体的配体结合域中的点突变导致其对抗雄激素的反应异常，使其具有局限性[9]㊂ 经典 模型是雄激素非依赖性的PC3和DU145细胞系，前者源于人PCa 的骨转移瘤，后者具有较低的转移潜能，来源于人
PCa的脑转移瘤，这两种细胞裸鼠移植成瘤性较好，主要用于体内筛选实验研究，但二者均缺乏AR和PSA的表达[10]㊂22Rv1细胞源于原发性PCa骨转移瘤，属于雄激素非依赖性但具有雄激素反应性，表达AR，但PSA低表达，可在裸鼠体内形成肿瘤㊂NCI-H660源于前列腺癌淋巴结转移灶，属于雄激素非依赖性，半悬浮生长，形态为上皮神经内分泌样, AR和PSA表达均为阴性㊂上述细胞系均只体现了前列腺癌某个阶段特征，许多临床表型未在细胞系中出现，代表性有限，作为临床前研究模型不甚理想[7]㊂在临床多见的CRPC病人中，的巨大选择压力可导致前列腺癌异质性显著增加，比如AR 和PSA表达水平的变化，雄激素受体的突变,NEPC 表型的出现等㊂因此，需要大量不同的CRPC系列模型来代表不同的抗性机制[9]，尤其是动态模型来体现其转化特征㊂而CDX模型仅体现出临床病人某一阶段的静态特征，在模拟前列腺癌多样性和疾病进展过程方面明显不足，因此，发展一种基于同一标本能够诱导反映前列腺癌转化全部过程的模型就成为当前研究的必然趋势㊂
3㊀PDX模型具有原发瘤的主要特征，但未能有效体现其临床异质性转化㊀㊀将Pca病人新鲜的肿瘤组织移植到免疫缺陷小鼠建立的原发性PDX(patient derived xenograft)模型较好地保持了原发瘤的异质性[11]㊂由于植入免疫缺陷小鼠的Pca瘤组织是对雄激素具有不同程度依赖性的混合细胞组成，在未处理的雄性小鼠中，雄激素依赖性细胞有生长优势并最终发展成雄激素敏感的移植模型；雄激素非依赖的肿瘤细胞在去势小鼠体内生长，显示去势抗性，最终表现为激素依赖(hormone naïve primary prostate cancer,HNPC)或CRPC特征㊂该类模型可用于基因组和转录组的分析，评估人PCa中异常遗传变化和基因谱，研究模型对雄激素剥夺和多西他赛等药物的反应[12-13]㊂基因组表征显示，在PCa患者中检测到的特定基因组异常，例如PTEN抑制基因的突变和特定基因的遗传改变在PDX移植瘤中很普遍，因此该类模型适合于阐明Pca的发生机制[14]㊂目前，前列腺癌PDX模型总体成功率较低(10%~30%)，首代成瘤时间最长为12个月，再次传代需要4~16周[15]㊂大多数前列腺癌PDX模型为原发性激素依赖型，缺乏模拟临床特征的CRPC转化模型㊂4㊀雄激素剥夺可诱导前列腺癌PDX 模型发生CRPC和NEPC
㊀㊀2016年~2017年Prostate连续发文报道了前列腺癌KuCaP系列[16]和LuCaP系列[17]PDX模型，去势后可发生CRPC和NEPC的转化，提示诱导PDX模型发生转化的可行性㊂KuCaP系列PDX模型来自不同类型的Pca临床标本，移植于SCID小鼠形成肿瘤模型[16]㊂KuCaP1来自雄激素抵抗的PCa 患者肝转移标本,AR突变为W742C，移植小鼠去势后肿瘤快速消失，长时间不再复发,AR和PSA阳性，为
雄激素依赖性PDX模型㊂KuCaP2来自于经根治性前列腺切除术后的局部复发肿瘤，雄激素依赖，携带野生型AR，产生PSA，去势后肿瘤快速消退,1~2月后重新生长，发展为CRPC㊂KUCaP3来自CRPC患者，移植小鼠去势后快速消退，多月后重新生长，模拟临床CRPC症状,AR和PSA表达阳性，神经内分泌标志物CGA阳性，具有人类NEPC 特征㊂LuCaP系列来自转移灶的外科手术标本，包括了21种PCa PDX模型，初始生长时间从4个月到12个月[17]㊂一些PDX模型肿瘤在去势后消退，还有一些去势后重新生长的肿瘤植入去势小鼠，建立去势抗性模型㊂该系列模型重现了肿瘤患者组织学特征，包括分化良好的腺癌，低分化腺癌和神经内分泌癌[18]㊂代表了人类Pca的主要基因组和表型特征，包括雄激素受体的扩增,PTEN缺失, TP53缺失和突变,RB1缺失，反映了CRPC的多样化分子组成㊂
模拟临床手术去势是诱导前列腺癌PDX模型发生CRPC的重要手段㊂Hao等[19]将10例雄激素依赖性PDX模型进行去势手术，肿瘤体积急剧减小，血清PSA水平降低㊂12周后,7例重新生长，血清中PSA水平增加，形成与临床ADT手术病人相似的CRPC，同时发现生长因子受体结合蛋白10 (GRB10)驱动了CRPC的发生㊂KuCaP2移植瘤小鼠去势后肿瘤快速消退,1~2月后重新生长，发展为CRPC,Array分析发现前列腺素E受体EP4亚型表达显著上调，特异性EP4拮抗剂可用于CRPC[20]㊂提示诱导发生CRPC的PDX模型可为临床CRPC的提供新靶点㊂
Lin等[21]成功建立了可以由ADT诱导的前列腺癌向NEPC转化的前列腺癌PDX模型LTL331，原发模型
是典型的腺癌，在雄激素刺激下表达AR 和PSA，去势后可出现抗性生长并转化为NEPC特
征的LTL331R，表达一系列神经内分泌标志物，包括SYP(Synaptophysin),CGA(ChromograninA)和CD56㊂当移植到未去势和去势的小鼠,LTL331R保留其NEPC表型和雄激素非依赖性生长，这表明NEPC转化的稳定和不可逆性[14]㊂该研究进一步发现胎盘基因PEG10(growth factor receptor bound protein10)在转化过程中表达显著升高,NEPC分化过程中PEG10受AR和E2F/RB信号分子动态调控，并且PEG10促进NEPC细胞的增殖和侵袭[22]㊂同样,Jongsma等[23]将雄激素依赖性前列腺癌异种移植物PC-310，经过长时间的雄激素剥夺处理后，也可分化出现NEPC表型㊂
5㊀PDX转化模型少有临床常见骨转移特征
㊀㊀AVPC的主要特征是形成转移性前列腺癌，目前尚无有效的方法，缺乏对疾病进展机制的了解[7]㊂转移的发生受肿瘤内在因素和移植微环境的共同影响，在mCRPC阶段出现特征性成骨细胞骨转移是造成PCa发病和死亡的主要原因㊂现有的前列腺癌PDX模型少有骨转移的发生，主要是因为Pca骨转移的发生不仅受肿瘤内在因素的影响(具有骨转移潜能)，而且受促进肿瘤细胞亚转移的微环境控制[12]㊂MDA-PCa-118a和MDA-PCa-118b均来自PCa骨转移标本，移植于去势的雄性裸鼠皮下可以生长，组织病理学分析显示移植瘤周围被成骨细胞组成的骨基质包围，骨与肿瘤交界处存在成骨细胞㊁钙化基质和破骨细胞[24]㊂注射到SCID小鼠的股骨表现出强烈的成骨细胞反应，诱导新生骨形
成，但没有观察到与临床相似的骨转移发生㊂将来自LuCaP的PDX肿瘤细胞直接注射到小鼠胫骨中，发现只有部分能在骨中增殖，同样，该模型也不能自发地从皮下转移到骨[25]㊂目前所有可用的成骨细胞骨转移模型都是雄激素响应，但是，是否需要雄激素受体用于PCa细胞诱导新骨形成，以及诱导的新骨如何影响PCa细胞在骨的生长和存活，相应机制尚不完全清楚，主要是因为很少有模型重现PCa与骨的相互作用[15]㊂
6㊀展望
6.1㊀AR抑制剂可能诱导PDX模型发生NEPC和AVPC的转化
目前针对NEPC的效果不佳，由于缺乏相应的转化模型，无法深入研究NEPC表观遗传特性，使得NEPC临床诊断变得困难[6]㊂如果能够利用PDX模型复制Pca从腺癌到NEPC的演变则可以深入揭示NEPC的发生机制，评估肿瘤对NEPC靶向药物的反应，阐明Pca进展和抵抗的机制㊂KuCaP和LuCaP两种系列PDX模型虽然具有前列腺癌主要临床特征，但未能有效体现NEPC复杂的转化过程㊂由于临床Pca病人大部分通过存在雄激素依赖向非依赖的转化，因此，理想的前列腺癌PDX模型应该是通过控制雄激素，模仿临床的主要特征，即CRPC和NEPC复杂的转换过程[23]㊂AR信号是前列腺发育过程中上皮细胞分化所必需的因素，其抑制剂可促发前列腺癌细胞重编程，通过转分化机制发展为NEPC㊂所以,AR靶向药物用于CRPC的，在提高病人存活期的同时，大多数患者会产生耐
药，诱导NEPC和AVPC的发生㊂新型的AR靶向药物阿比特龙(或是恩杂鲁胺)被批准用于临床CRPC的，但大多数患者会诱导NEPC和AVPC前列腺癌的发生，产生耐药性[7]㊂因此,AR靶向抑制剂可诱导前列腺癌PDX模型发生NEPC和AVPC转化㊂
6.2㊀筛查骨转移潜能标本，进行原位移植促进前列腺癌骨转移的发生
根据基因型特征筛选具有转移潜能的前列腺癌标本可能促发骨转移㊂Y染体特有的去甲基酶JARIDID具有抑制前列腺癌侵袭的作用，其机制为JARIDID可特异性结合侵袭转移相关基因的启动子，抑制转移的发生，实验证实在转移性Pca中JARID1D的表达通常是缺失的[26-27]㊂单胺氧化酶A(monoamine oxidase A,MAOA)是线粒体膜结合酶㊂已证实MAOA是通过激活肿瘤基质中的旁分泌Shh信号，成为临床上PCa骨和内脏转移的重要介质[28]㊂MAOA通过刺激IL-6从成骨细胞释放，利于骨微环境中的肿瘤细胞生长，并通过成骨细胞产生核因子κB受体活化因子配体RANKL(receptor activator of nuclear factor-κB ligand)和IL-6活化破骨细胞，触发骨骼定植[29]㊂已证实MAOA高表达的前列腺癌标本具有强的骨转移潜能㊂成纤维细胞生长因子9(fibroblast growth factor9,FGF9)是FGF家族的成员之一，在前列腺癌细胞中表达[30]㊂骨转移标本MDA PCa118a和118b植入后SCID小鼠股骨后诱导了强烈的成骨反应，基因表达谱显示FGF9是上调最多的基因，诱导成骨细胞增殖[22]㊂联合进行上述三个基因的筛查可能获得高转移潜
能的PDX模型
前列腺癌转移的发生与移植微环境密切相关㊂无论是小鼠肾包膜移植还是皮下移植，都少有骨转移的发生㊂Wang等[31]报道将Pca患者的肿瘤组织移植到补充有睾酮的雄性NOD-SCID小鼠肾包膜㊂连续移植5次后，将瘤组织移植到小鼠前列腺中，将淋巴结转移灶(Pca-met-1)再次移植小鼠前列腺中，可发生多个器官转移，包括肺㊁肝㊁淋巴结和骨，出现溶骨现象,AR和PSA的表达与原发瘤一致，提示前列腺原位移植是促发Pca骨转移的重要条件㊂
6.3㊀理想的PDX模型应完整反映前列腺癌进展各阶段的生物学特征
与其他肿瘤相比，前列腺癌PDX模型数量较少，能够形成一系列模拟疾病进展的模型更有限，且关于前列腺癌PDX模型的数据库尚不完善㊂虽然AR信号是调控Pca异质性转化的重要因素，但缺乏其调控骨转移的直接证据，主要是缺乏与临床相近的Pca模型来动态展示雄激素依赖到非依赖直至骨转移的发生㊂嘌呤霉素筛选浓度
已报道的KuCaP系列和LuCaP系列PDX模型也具有部分临床转化特征，但均为各个阶段的孤立模型，形成不同的系列组合，不能完整反映Pca临床转化进程，且未发生骨转移；上述模型的标本来自进展性或转移病人，仅代表一小部分癌症表型，不能完全概括其异质性[27]；一些模型缺乏Pca细胞的标志，如AR和PSA的表达[6]㊂因此，完整的模拟临床特征的动物模型应反映PCa进展的早期阶段至晚期直至转移期的生物学特性，包括CRPC的发生㊁从腺癌到NEPC的转化以及转移的发生，特别是同一
标本能够诱导转化反应的全部过程，获得配对比较模型，用于基因型和表型的比较研究，探索其异质性发生的机制㊂
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