Los xenoinjertos derivados de pacientes ( PDX ) son modelos de cáncer en los que el tejido o las células del tumor de un paciente se implantan en un ratón inmunodeficiente o humanizado . [1] Es una forma de xenotrasplante . Los modelos PDX se utilizan para crear un entorno que permita el crecimiento continuo del cáncer después de su extirpación en un paciente. De esta manera, se puede controlar el crecimiento del tumor en el laboratorio, incluso en respuesta a posibles opciones terapéuticas. [1] Se pueden utilizar cohortes de modelos PDX para determinar la eficacia terapéutica de una terapia contra tipos particulares de cáncer, o se puede probar un modelo PDX de un paciente específico frente a una variedad de terapias en un enfoque de "oncología personalizada".
Se pueden utilizar varios tipos de ratones inmunodeficientes para establecer modelos PDX: ratones desnudos atímicos , ratones inmunodeficientes gravemente comprometidos (SCID) , ratones NOD-SCID y ratones knockout para el gen 2 activador de recombinación (Rag2). [2] Los ratones utilizados deben estar inmunocomprometidos para prevenir el rechazo del trasplante. El ratón NOD-SCID se considera más inmunodeficiente que el ratón desnudo y, por lo tanto, se usa más comúnmente para modelos PDX porque el ratón NOD-SCID no produce células asesinas naturales . [3]
Cuando se resecan tumores humanos, se eliminan los tejidos necróticos y el tumor se puede seccionar mecánicamente en fragmentos más pequeños, digerir químicamente o manipular físicamente hasta obtener una suspensión unicelular. Existen ventajas y desventajas en la utilización de fragmentos tumorales discretos o suspensiones unicelulares. Los fragmentos de tumor conservan las interacciones entre células, así como cierta arquitectura tisular del tumor original, imitando así el microambiente del tumor. Alternativamente, una suspensión unicelular permite a los científicos recolectar una muestra imparcial de todo el tumor, eliminando subclones segregados espacialmente que de otro modo se seleccionarían inadvertidamente durante el análisis o el paso del tumor . [4] Sin embargo, las suspensiones unicelulares someten a las células supervivientes a fuertes fuerzas químicas o mecánicas que pueden sensibilizarlas a los anoikis , lo que afecta la viabilidad celular y el éxito del injerto. [5]
A diferencia de la creación de modelos de ratón con xenoinjerto utilizando líneas celulares cancerosas existentes, no existen pasos intermedios de procesamiento in vitro antes de implantar fragmentos tumorales en un huésped murino para crear un PDX. Los fragmentos del tumor se implantan de forma heterotópica u ortotópica en un ratón inmunodeficiente. Con la implantación heterotópica, el tejido o las células se implantan en un área del ratón no relacionada con el sitio del tumor original, generalmente por vía subcutánea o en sitios capsulares subrenales. [6] Las ventajas de este método son el acceso directo para la implantación y la facilidad de seguimiento del crecimiento del tumor. Con la implantación ortotópica, los científicos trasplantan el tejido o las células tumorales del paciente a la posición anatómica correspondiente en el ratón. Los modelos PDX subcutáneos rara vez producen metástasis en ratones, ni simulan el microambiente tumoral inicial, con tasas de injerto del 40-60%. [6] La PDX capsular subrenal mantiene el estroma tumoral original así como el estroma equivalente del huésped y tiene una tasa de injerto del 95 %. [7] En última instancia, el tumor tarda entre 2 y 4 meses en injertarse, según el tipo de tumor, la ubicación del implante y la cepa de ratones inmunodeficientes utilizados; El fracaso del injerto no debe declararse hasta al menos 6 meses. [2] Los investigadores pueden utilizar la implantación heterotópica para el injerto inicial del paciente al ratón y luego utilizar la implantación ortotópica para implantar el tumor desarrollado en el ratón en generaciones posteriores de ratones. [1]
La primera generación de ratones que reciben los fragmentos del tumor del paciente se denomina comúnmente F0. Cuando la carga tumoral se vuelve demasiado grande para el ratón F0, los investigadores pasan el tumor a la siguiente generación de ratones. A partir de entonces, cada generación se denomina F1, F2, F3…Fn. Para los estudios de desarrollo de fármacos, la expansión de ratones después de la generación F3 a menudo se utiliza después de asegurarse de que el PDX no se haya separado genética o histológicamente del tumor del paciente. [8]
Las líneas celulares cancerosas se derivan originalmente de tumores de pacientes, pero adquieren la capacidad de proliferar en cultivos celulares in vitro . Como resultado de la manipulación in vitro , las líneas celulares que se han utilizado tradicionalmente en la investigación del cáncer sufren transformaciones genéticas que no se restauran cuando se permite que las células crezcan in vivo . [9] Debido al proceso de cultivo celular, que incluye entornos enzimáticos y centrifugación, se seleccionan las células que están mejor adaptadas para sobrevivir en el cultivo, se eliminan las células residentes en el tumor y las proteínas que interactúan con las células cancerosas, y el cultivo se vuelve fenotípicamente homogéneo. [4]
Cuando se implantan en ratones inmunodeficientes, las líneas celulares no desarrollan tumores fácilmente y el resultado de cualquier tumor desarrollado con éxito es un tumor genéticamente divergente a diferencia del tumor heterogéneo del paciente. [4] Los investigadores están comenzando a atribuir la razón por la que solo el 5% de los agentes anticancerígenos son aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos después de pruebas preclínicas a la falta de heterogeneidad tumoral y la ausencia del microambiente estromal humano. [10] Específicamente, los xenoinjertos de líneas celulares a menudo no predicen la respuesta a los medicamentos en los tumores primarios porque las líneas celulares no siguen las vías de resistencia a los medicamentos o los efectos del microambiente sobre la respuesta a los medicamentos que se encuentran en los tumores primarios humanos. [10]
Se han establecido con éxito muchos modelos de PDX para cáncer de mama, próstata, colorrectal, pulmón y muchos otros tipos de cáncer porque existen ventajas distintivas cuando se utiliza PDX sobre líneas celulares para estudios de seguridad y eficacia de medicamentos, así como para predecir la respuesta tumoral del paciente a ciertos agentes anticancerígenos. . [11] Dado que PDX se puede pasar sin pasos de procesamiento in vitro , los modelos de PDX permiten la propagación y expansión de tumores de pacientes sin una transformación genética significativa de las células tumorales a lo largo de múltiples generaciones murinas. [12] Dentro de los modelos PDX, las muestras de tumores de pacientes crecen en microambientes tumorales fisiológicamente relevantes que imitan los niveles de oxígeno, nutrientes y hormonas que se encuentran en el sitio del tumor primario del paciente. [8] Además, el tejido tumoral implantado mantiene las anomalías genéticas y epigenéticas encontradas en el paciente y el tejido del xenoinjerto puede extirparse del paciente para incluir el estroma humano circundante. [13] Como resultado, numerosos estudios han encontrado que los modelos PDX exhiben respuestas similares a los agentes anticancerígenos como se observa en el paciente real que proporcionó la muestra del tumor. [14]
Una deficiencia importante de los modelos PDX es que se deben utilizar ratones inmunodeficientes para prevenir ataques inmunológicos contra el tumor xenotrasplantado. Con el sistema inmunológico incapacitado, se renuncia a un componente crítico de la conocida interacción del microambiente tumoral, lo que impide que se estudien en modelos PDX inmunoterapias y agentes anticancerígenos dirigidos a los componentes del sistema inmunológico. Los investigadores están comenzando a explorar el uso de modelos de xenoinjertos humanizados para permitir estudios inmunológicos. Los modelos de xenoinjerto humanizado se crean co-injertando el fragmento tumoral del paciente y células de sangre periférica o de médula ósea en un ratón NOD/SCID. [3] El co-injerto permite la reconstitución del sistema inmunológico murino, lo que brinda información sobre las interacciones entre el estroma humano xenogénico y los entornos tumorales en la progresión del cáncer y la metástasis. [15] Sin embargo, estas estrategias aún no se han validado para la mayoría de los tipos de tumores y quedan dudas sobre si el sistema inmunológico reconstituido se comportará de la misma manera que lo hace en el paciente. Por ejemplo, el sistema inmunológico podría estar "hiperactivado" debido a la exposición a tejidos de ratón de manera similar a la enfermedad de injerto contra huésped. [16] Se han creado modelos de xenoinjerto humanizado para la leucemia linfoblástica aguda y la leucemia mieloide aguda. [17]
La clasificación de los subtipos genéticos de cáncer de mama , incluidos los subtipos triple negativo y HER2 positivo , [8] ha permitido a los oncólogos utilizar el subtipo de cáncer de mama de un paciente para personalizar los programas de terapia contra el cáncer. Utilizando modelos de cáncer de mama triple negativo PDX , los científicos descubrieron que los inhibidores de la aurora quinasa ralentizan la tasa de crecimiento tumoral y suprimen la recurrencia en un subtipo de cáncer de mama que tiene una alta tasa de recurrencia y poca capacidad de supervivencia. [18] Los científicos también han descubierto que los modelos PDX de cáncer de mama son capaces de predecir el pronóstico de mujeres recién diagnosticadas mediante la observación de la tasa de injerto tumoral para determinar si el tumor del paciente es agresivo. [19] Las metástasis cerebrales del cáncer de mama afectan desproporcionadamente a las mujeres más jóvenes, especialmente aquellas que carecen de receptor de estrógeno (RE), receptor de progesterona y HER2 (conocido como cáncer de mama triple negativo, TNBC). Contreras-Zárate MJ et al. desarrollaron y caracterizaron nuevas PDX de cáncer de mama con metástasis cerebral humana, heterogéneas y clínicamente relevantes (BM-PDX), para estudiar los mecanismos de colonización metastásica cerebral, con el beneficio adicional de una tasa de progresión más lenta que las hace adecuadas para pruebas preclínicas de fármacos en entornos terapéuticos. [20]
Los modelos PDX colorrectales son relativamente fáciles de establecer y los modelos mantienen la similitud genética del tumor primario del paciente durante aproximadamente 14 generaciones. [21] En 2012, un estudio estableció 27 modelos de PDX colorrectal que no divergían de sus respectivos tumores humanos en histología, expresión genética o estado de mutación KRAS/BRAF. [22] Debido a su estabilidad, los 27 modelos PDX colorrectales pueden servir como modelos preclínicos en futuros estudios de fármacos. Se han realizado estudios de resistencia a los medicamentos utilizando modelos PDX colorrectales. En un estudio, los investigadores encontraron que los modelos predijeron la capacidad de respuesta del paciente al cetuximab con un 90% de precisión. [23] Otro estudio identificó la amplificación de ERBB2 como otro mecanismo de resistencia y un supuesto nuevo objetivo procesable en los tratamientos. [24]
Inicialmente, los investigadores se centraron en el uso de modelos PDX pancreáticos para estudios de fármacos con el fin de mejorar el proceso de desarrollo de criterios de valoración predictivos y farmacodinámicos para varias terapias molecularmente dirigidas. [8] Se han realizado otros estudios para explorar si los modelos PDX pancreáticos se pueden utilizar para guiar el tratamiento continuo de pacientes con cáncer de páncreas avanzado mediante la detección de múltiples fármacos para seleccionar el fármaco con mayor actividad como la siguiente línea de tratamiento. [25] [26] Los modelos PDX pancreáticos han demostrado que las células CAR-T antimesotilina ( células T modificadas con un receptor de antígeno quimérico ) suprimen el crecimiento del cáncer. [27]
Los investigadores han establecido PDX de neuroblastoma mediante la implantación ortotópica de explantes de tumores de pacientes en ratones inmunodeficientes. Los PDX conservaron el genotipo y el fenotipo de los tumores de los pacientes y exhibieron un crecimiento infiltrativo sustancial y metástasis a órganos distantes, incluida la médula ósea. Los investigadores cultivaron células de neuroblastoma derivadas de PDX in vitro y las células conservaron su capacidad tumorigénica y metastásica in vivo . [28]
Los modelos PDX de glioblastoma (GBM) han sido esenciales para mejorar nuestra comprensión de la enfermedad tanto en la investigación preclínica como traslacional. [29] Los modelos de cultivo celular in vitro de glioblastoma, aunque valiosos, no pueden replicar completamente la complejidad de la enfermedad, ya que existe una clara falta de microambiente cerebral y selección clonal. [30] Las PDX ortotópicas de GBM se pueden establecer mediante inyecciones intracraneales de células tumorales utilizando un marco estereotáctico. [31] Se ha demostrado que los modelos PDX de GBM pueden recapitular la histopatología, las propiedades fenotípicas y la genética del tumor del paciente parental, lo que destaca la relevancia de dichos modelos para la investigación de GBM. [31] [32] [33]
Hay varios desafíos que enfrentan los científicos al desarrollar o utilizar modelos PDX en investigación. Por ejemplo, no todas las muestras de tumores se injertarán con éxito en un ratón inmunodeficiente. [11] Cuando ocurre el injerto, los protocolos de estudios clínicos son difíciles de estandarizar si las tasas de injerto varían. [11] También existe la posibilidad de que la complejidad genética del tumor del paciente se reduzca durante el inicio de los modelos PDX, a través de un proceso conocido como cuello de botella genómico. [34] Además, es costoso albergar ratones, mantener núcleos histopatológicos para pruebas frecuentes, [11] y realizar pases ex vivo de tumores en ratones con alta carga tumoral. [3] La comunidad científica está tratando de abordar estos desafíos mutualizando esfuerzos e intercambiando modelos y experiencia para evitar duplicaciones: han surgido redes académicas en Europa [35] y EE.UU., [36] y el programa Horizonte 2020 está financiando una nueva infraestructura de investigación [ 37] proporcionando servicios y recursos estandarizados, con el objetivo de mejorar la reproducibilidad y el acceso abierto a recursos y servicios. [38]
Con respecto al uso de PDX en la medicina personalizada , existen desafíos financieros. En los EE. UU., el costo de desarrollar modelos PDX puede costarle potencialmente a un paciente miles de dólares por tratamiento. [39] Los modelos PDX también pueden tardar mucho en crearse, lo que puede representar un desafío para los pacientes con cáncer en etapas avanzadas. [1] A pesar de estos contratiempos, se espera que el mercado de PDX crezca de una capitalización de mercado de 77,4 millones de dólares en 2017 a 167,6 millones de dólares en 2022 debido a la creciente demanda de medicina personalizada. [40]
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