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 de un paciente. De esta manera, el crecimiento del tumor se puede monitorear en el laboratorio, incluso en respuesta a posibles opciones terapéuticas. [1] Se pueden utilizar cohortes de modelos PDX para determinar la eficiencia terapéutica de una terapia contra tipos particulares de cáncer, o se puede probar un modelo PDX de un paciente específico contra una variedad de terapias en un enfoque de "oncología personalizada".
Se pueden utilizar varios tipos de ratones inmunodeficientes para establecer modelos PDX: ratones atímicos desnudos , ratones inmunodeficientes severamente comprometidos (SCID) , ratones NOD-SCID y ratones knock out del gen activador de la recombinación 2 (Rag2). [2] Los ratones utilizados deben estar inmunodeprimidos para prevenir el rechazo del trasplante. El ratón NOD-SCID se considera más inmunodeficiente que el ratón desnudo y, por lo tanto, se utiliza 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 para formar una suspensión unicelular. Existen ventajas y desventajas en la utilización de fragmentos tumorales discretos o suspensiones unicelulares. Los fragmentos tumorales conservan las interacciones célula-célula, así como cierta arquitectura tisular del tumor original, imitando así el microambiente tumoral. 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 pase tumoral . [4] Sin embargo, las suspensiones unicelulares someten a las células supervivientes a duras fuerzas químicas o mecánicas que pueden sensibilizar las células a la anoikis , lo que afecta la viabilidad celular y el éxito del injerto. [5]
A diferencia de la creación de modelos de ratón de xenoinjerto utilizando líneas celulares de cáncer existentes, no hay pasos intermedios de procesamiento in vitro antes de implantar fragmentos tumorales en un huésped murino para crear un PDX. Los fragmentos tumorales se implantan heterotópicamente u ortotópicamente 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 de forma subcutánea o en sitios capsulares subrenales. [6] Las ventajas de este método son el acceso directo para la implantación y la facilidad de monitorear el crecimiento del tumor. Con la implantación ortotópica, los científicos trasplantan el tejido o las células tumorales del paciente en 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] El PDX capsular subrenal mantiene el estroma tumoral original así como el estroma del huésped equivalente y tiene una tasa de injerto del 95%. [7] En definitiva, el injerto del tumor demora entre 2 y 4 meses, dependiendo del 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. Cada generación posterior se denomina F1, F2, F3…Fn. Para los estudios de desarrollo de fármacos, a menudo se utiliza la expansión de ratones después de la generación F3 después de asegurarse de que el PDX no se ha 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 dentro de 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 que crezca con éxito es un tumor genéticamente divergente a diferencia del tumor heterogéneo del paciente. [4] Los investigadores están empezando 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 las pruebas preclínicas a la falta de heterogeneidad tumoral y la ausencia del microambiente del estroma humano. [10] En concreto, los xenoinjertos de líneas celulares a menudo no son predictivos de la respuesta al fármaco en los tumores primarios porque las líneas celulares no siguen vías de resistencia a los fármacos o los efectos del microambiente en la respuesta al fármaco que se encuentran en los tumores primarios humanos. [10]
Se han establecido con éxito muchos modelos PDX para cáncer de mama, próstata, colorrectal, pulmón y muchos otros cánceres porque existen ventajas distintivas al usar 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 PDX permiten la propagación y expansión de tumores de pacientes sin una transformación genética significativa de células tumorales a lo largo de múltiples generaciones murinas. [12] Dentro de los modelos PDX, las muestras tumorales del paciente 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 se puede extirpar 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 las observadas en el paciente real que proporcionó la muestra tumoral. [14]
Una de las principales deficiencias de los modelos PDX es que se deben utilizar ratones inmunodeficientes para prevenir ataques inmunitarios contra el tumor xenotrasplantado. Con el sistema inmunitario incapacitado, se prescinde de un componente crítico de la interacción conocida entre el microambiente tumoral, lo que impide que se estudien en modelos PDX las inmunoterapias y los agentes anticancerígenos que se dirigen a los componentes del sistema inmunitario. Los investigadores están empezando a explorar el uso de modelos de xenoinjerto humanizado para permitir estudios inmunitarios. Los modelos de xenoinjerto humanizado se crean mediante el co-injerto del fragmento tumoral del paciente y células de sangre periférica o médula ósea en un ratón NOD/SCID. [3] El co-injerto permite la reconstitución del sistema inmunitario murino, lo que proporciona 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 deben validarse para la mayoría de los tipos de tumores y quedan dudas sobre si el sistema inmunitario 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 una 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 quinasa Aurora ralentizan la tasa de crecimiento del tumor 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 las mujeres recién diagnosticadas al observar la tasa de injerto tumoral para determinar si el tumor de la paciente es agresivo. [19] Las metástasis cerebrales del cáncer de mama afectan desproporcionadamente a las mujeres más jóvenes, especialmente a las que carecen de receptor de estrógeno (ER), receptor de progesterona y HER2 (conocido como cáncer de mama triple negativo, TNBC). Contreras-Zarate MJ et al. Se desarrollaron y caracterizaron nuevos PDX de cáncer de mama con metástasis cerebral humana heterogéneos 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 los hace adecuados para pruebas preclínicas de medicamentos en entornos terapéuticos. [20]
Los modelos de PDX colorrectal son relativamente fáciles de establecer y 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 divergieron de sus respectivos tumores humanos en histología, expresión genética o estado de mutación de KRAS/BRAF. [22] Debido a su estabilidad, los 27 modelos de PDX colorrectal pueden servir como modelos preclínicos en futuros estudios farmacológicos. Se han realizado estudios de resistencia a fármacos utilizando modelos de PDX colorrectal. En un estudio, los investigadores descubrieron que los modelos predijeron la respuesta del paciente al cetuximab con una precisión del 90%. [23] Otro estudio identificó la amplificación de ERBB2 como otro mecanismo de resistencia y un posible nuevo objetivo procesable en los tratamientos. [24]
Los investigadores se centraron inicialmente en el uso de modelos PDX pancreáticos para estudios de fármacos para mejorar el proceso de desarrollo de puntos finales predictivos y farmacodinámicos para varias terapias dirigidas molecularmente. [8] Se han realizado otros estudios para explorar si los modelos PDX pancreáticos se pueden utilizar para guiar el tratamiento en curso del paciente 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 mostraron 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 la capacidad tumorígena 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 en la 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] Los PDX ortotópicos de GBM se pueden establecer a través de 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, destacando la relevancia de dichos modelos para la investigación de GBM. [31] [32] [33]
Los científicos se enfrentan a varios desafíos al desarrollar o utilizar modelos PDX en la investigación. Por ejemplo, no todas las muestras tumorales se injertarán con éxito en un ratón inmunodeficiente. Cuando se produce el injerto, los protocolos de los 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] [35] Además, es costoso alojar ratones, mantener núcleos histopatológicos para pruebas frecuentes, [11] y realizar pases ex vivo de tumores en ratones con altas cargas tumorales. [3] La comunidad científica está tratando de abordar estos desafíos mutualizando esfuerzos e intercambiando modelos y experiencia para evitar la duplicación: han surgido redes académicas en Europa [36] y EE. UU., [37] y el programa Horizonte 2020 está financiando una nueva Infraestructura de Investigación [38] que proporciona servicios y recursos estandarizados, con el objetivo de mejorar la reproducibilidad y el acceso abierto a los recursos y servicios. [39]
En lo que respecta 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 el tratamiento. [40] Los modelos PDX también pueden llevar mucho tiempo para crearse, lo que puede representar un desafío para los pacientes con etapas avanzadas de cáncer. [1] A pesar de estos reveses, se espera que el mercado PDX crezca de una capitalización de mercado de $77,4 millones en 2017 a $167,6 millones en 2022 debido a la creciente demanda de medicina personalizada. [41]
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