患者由来異種移植

患者由来異種移植（PDX）は、患者の腫瘍の組織または細胞を免疫不全マウスまたはヒト化マウスに移植した癌モデルである。^[1]これは異種移植の一形態である。PDXモデルは、患者から癌を摘出した後も癌が継続的に成長できる環境を作り出すために用いられる。このようにして、潜在的な治療オプションへの反応を含め、腫瘍の成長を研究室で監視することができる。^[1] PDXモデルのコホートを使用して、特定の種類の癌に対する治療の効果を判定したり、特定の患者からのPDXモデルを「個別化腫瘍学」アプローチでさまざまな治療法に対してテストしたりすることができる。

PDXモデルを確立するために、無胸腺ヌードマウス、重度免疫不全（SCID）マウス、NOD-SCIDマウス、および組換え活性化遺伝子2（Rag2）ノックアウトマウスなど、いくつかの種類の免疫不全マウスを使用することができます。 ^{[2]移植拒絶を防ぐために、使用するマウスは免疫不全である必要があります。NOD-SCIDマウスはヌードマウスよりも免疫不全であると考えられており、NOD-SCIDマウスは}ナチュラルキラー細胞を 生成しないため、PDXモデルによく使用されます。^[3]

ヒトの腫瘍を切除すると、壊死組織が除去され、腫瘍は機械的に小さな断片に切断されるか、化学的に消化されるか、物理的に操作されて単一細胞懸濁液になる。個別の腫瘍断片または単一細胞懸濁液のどちらを使用するかには、利点と欠点がある。腫瘍断片は細胞間相互作用と元の腫瘍の組織構造の一部を保持するため、腫瘍の微小環境を模倣する。一方、単一細胞懸濁液を使用すると、科学者は腫瘍全体の偏りのないサンプルを収集でき、分析または腫瘍の継代中に誤って選択される空間的に分離されたサブクローンを排除できる。^{[4]しかし、単一細胞懸濁液は、生存細胞を過酷な化学的または機械的力にさらし、細胞を}アノイキス に対して敏感にし、細胞の生存率と移植の成功に悪影響を与える可能性がある。^[5]

既存の癌細胞株を使用して異種移植マウスモデルを作成する場合とは異なり、PDXを作成するために腫瘍断片をマウス宿主に移植する前に、中間のin vitro処理ステップはありません。腫瘍断片は、免疫不全マウスに異所性または同所性に移植されます。異所性移植では、組織または細胞は、通常、皮下または腎被膜下部位など、元の腫瘍部位とは関係のないマウスの領域に移植されます。^[6]この方法の利点は、移植のための直接アクセスと、腫瘍の成長の監視が容易なことです。同所性移植では、科学者は患者の腫瘍組織または細胞をマウスの対応する解剖学的位置に移植します。皮下PDXモデルは、マウスで転移を起こすことはめったになく、初期の腫瘍微小環境をシミュレートすることもなく、生着率は40～60％です。^[6]腎被膜下PDXは、元の腫瘍間質と同等の宿主間質を維持し、生着率は95％です。^[7]最終的に、腫瘍が移植されるまでには約2〜4か月かかりますが、腫瘍の種類、移植場所、および使用される免疫不全マウスの系統によって異なります。移植失敗は少なくとも6か月までは宣言されるべきではありません。^[2]研究者は、患者からマウスへの最初の移植に異所性移植を使用し、その後、マウスで増殖した腫瘍を次の世代のマウスに移植するために同所性移植を使用する場合があります。^[1]

患者の腫瘍断片を移植されたマウスの第一世代は、一般的に F0 と呼ばれます。腫瘍の量が F0 マウスにとって大きくなりすぎると、研究者は腫瘍を次の世代のマウスに引き継ぎます。その後の各世代は F1、F2、F3…Fn と表記されます。医薬品開発研究では、PDX が患者の腫瘍から遺伝的または組織学的に分岐していないことを確認した後、F3 世代以降のマウスの増殖がしばしば利用されます。^[8]

がん細胞株はもともと患者の腫瘍から採取されたものですが、試験管内 細胞培養で増殖する能力を獲得します。試験管内操作の結果、がん研究で伝統的に使用されてきた細胞株は遺伝子変異を起こし、細胞を体内で増殖させても回復しません。^[9] 酵素環境と遠心分離を含む細胞培養プロセスにより、培養で生存するのに適した細胞が選択され、がん細胞と相互作用する腫瘍常在細胞とタンパク質が除去され、培養は表現型的に均質になります。^[4]

免疫不全マウスに移植された細胞株は、容易に腫瘍を発症せず、たとえうまく増殖した腫瘍であっても、患者の異質な腫瘍とは異なり、遺伝的に異なる腫瘍となる。^[4]研究者らは、抗がん剤のわずか5%しか前臨床試験後に食品医薬品局に承認されていない理由を、腫瘍の異質性の欠如とヒト間質性微小環境の欠如に帰し始めている。 ^[10] 具体的には、細胞株異種移植は、ヒト原発性腫瘍に見られる薬剤耐性の経路や薬剤反応に対する微小環境の影響を細胞株がたどらないため、原発性腫瘍における薬剤反応を予測できないことが多い。^[10]

乳がん、前立腺がん、大腸がん、肺がん、その他多くのがんについて、PDX モデルが数多く確立されています。これは、薬剤の安全性と有効性の研究や、特定の抗がん剤に対する患者の腫瘍反応の予測において、細胞株よりも PDX を使用する方が明確な利点があるためです。^{[11] PDX は}in vitro処理ステップ なしで継代できるため、PDX モデルでは、マウスの複数の世代にわたって腫瘍細胞の大幅な遺伝子変換なしに、患者の腫瘍を増殖および拡大できます。 ^[12] PDX モデル内では、患者の腫瘍サンプルは、患者の原発腫瘍部位に見られる酸素、栄養素、ホルモン レベルを模倣した、生理学的に関連する腫瘍微小環境で成長します。^[8]さらに、移植された腫瘍組織は、患者に見られる遺伝的およびエピジェネティックな異常を維持し、異種移植組織は周囲のヒト間質を含むように患者から切除できます。^[13] その結果、多数の研究で、PDX モデルは、腫瘍サンプルを提供した実際の患者に見られるのと同様の抗がん剤反応を示すことがわかりました。^[14]

PDX モデルの大きな欠点の 1 つは、異種移植された腫瘍に対する免疫攻撃を防ぐために免疫不全マウスを使用する必要があることです。免疫系が機能しなくなると、既知の腫瘍微小環境相互作用の重要な要素が失われ、免疫系コンポーネントを標的とする免疫療法や抗がん剤を PDX モデルで研究できなくなります。研究者は、免疫研究を可能にするためにヒト化異種移植モデルの使用を検討し始めています。ヒト化異種移植モデルは、患者の腫瘍断片と末梢血または骨髄細胞を NOD/SCID マウスに共移植することによって作成されます。^[3]共移植により、マウスの免疫系の再構成が可能になり、がんの進行と転移における異種ヒト間質と腫瘍環境の相互作用についての洞察が得られます。^[15]ただし、これらの戦略はほとんどの腫瘍タイプでまだ検証されておらず、再構成された免疫系が患者と同じように動作するかどうかについては疑問が残ります。例えば、移植片対宿主病と同様に、マウス組織への曝露により免疫系が「過剰活性化」される可能性がある。^[16]急性リンパ性白血病および急性骨髄性白血病のヒト化異種移植モデルが作成されている。^[17]

トリプルネガティブ乳がんやHER2陽性乳がんなどの遺伝的乳がんサブタイプの分類^[8]により、腫瘍専門医は患者の乳がんサブタイプを使用してがん治療スケジュールを個別化できるようになりました。PDXトリプルネガティブ乳がんモデルを使用して、科学者は、再発率が高く生存率が低い乳がんサブタイプにおいて、オーロラキナーゼ阻害剤が腫瘍の成長速度を遅らせ、再発を抑制することを発見しました。^[18] 科学者はまた、乳がんPDXモデルが、患者の腫瘍が攻撃的かどうかを判断するために腫瘍の生着率を観察することにより、新たに診断された女性の予後を予測できることも発見しました。^[19] 乳がんの脳転移は、特にエストロゲン受容体（ER）、プロゲステロン受容体、およびHER2を欠損している女性（トリプルネガティブ乳がん、TNBCとして知られる）に不釣り合いに影響を及ぼします。Contreras-Zarate MJ et al.脳転移コロニー化のメカニズムを研究するために、新たな異質かつ臨床的に関連のあるヒト脳転移乳がんPDX（BM-PDX）を開発し、特徴付けました。BM-PDXは進行速度が遅いという利点もあり、治療現場での薬剤の前臨床試験に適しています。^[20]

大腸PDXモデルは比較的簡単に確立でき、モデルは約14世代にわたって原発性患者腫瘍の遺伝的類似性を維持します。^[21] 2012年、ある研究により、組織学、遺伝子発現、またはKRAS / BRAF変異状態でそれぞれのヒト腫瘍と異なることのない27の大腸PDXモデルが確立されました。^[22]安定性のため、27の大腸PDXモデルは将来の薬物研究で前臨床モデルとして使用できる可能性があります。大腸PDXモデルを使用して薬剤耐性研究が行われています。ある研究では、研究者はモデルがセツキシマブに対する患者の反応を90％の精度で予測することを発見しました。^{[23]別の研究では、} ERBB2の増幅が別の耐性メカニズムであり、治療における推定上の新しい実行可能なターゲットであることがわかりました。^[24]

研究者らは当初、膵臓PDXモデルを薬物研究に利用して、いくつかの分子標的療法の予測的および薬力学的エンドポイントを開発するプロセスを改善することに焦点を当てていた。^[8]他の研究では、膵臓PDXモデルを使用して、複数の薬剤をスクリーニングし、次の治療として最も活性の高い薬剤を選択することで、進行膵臓がん患者の進行中の治療を導くことができるかどうかを検討している。^{[25] [26]膵臓PDXモデルは、抗メソシリンCAR-T細胞（}キメラ抗原受容体で改変されたT細胞）ががんの増殖を抑制することを示している。^[27]

研究者らは、患者の腫瘍組織片を免疫不全マウスに同所移植することで神経芽腫PDXを確立した。PDXは患者の腫瘍の遺伝子型と表現型を保持し、骨髄を含む遠隔臓器への著しい浸潤成長と転移を示した。研究者らはPDX由来神経芽腫細胞をin vitroで培養し、細胞はin vivoで腫瘍形成能と転移能を保持していた。^[28]

神経膠芽腫（GBM）のPDXモデルは、前臨床研究とトランスレーショナル研究の両方で、この疾患の理解を深めるために不可欠でした。^{[29]神経膠芽腫の} in vitro細胞培養モデルは有用ではあるものの、脳の微小環境とクローン選択が明らかに欠如しているため、この疾患の複雑さを完全に再現することはできません。^[30] GBMの同所性PDXは、定位フレームを使用して腫瘍細胞を頭蓋内に注入することで確立できます。^[31] GBMのPDXモデルは、親患者の腫瘍の組織病理学、表現型特性、遺伝学を再現できることが示されており、このようなモデルのGBM研究への関連性が強調されています。^{[31] [32] [33]}

研究者が研究でPDXモデルを開発または使用する際に直面する課題はいくつかあります。たとえば、すべての腫瘍サンプルが免疫不全マウスにうまく移植されるわけではありません。移植が起こったとしても、移植率が変化すると臨床研究プロトコルを標準化することが困難になります。^[11] また、ゲノムボトルネックと呼ばれるプロセスにより、PDXモデルの開始時に患者の腫瘍の遺伝的複雑性が低下する可能性もあります。^{[34] [35]}さらに、マウスを飼育し、頻繁な検査のために組織病理学的コアを維持し、^{[11]腫瘍負荷の高いマウスで腫瘍を}体外継代するには費用がかかります。^[3]科学界は、これらの課題に取り組むために、努力を相互に結びつけ、モデルや専門知識を交換して重複を回避しようとしています。ヨーロッパ^[36]と米国^{[37]では学術ネットワークが生まれており、}ホライズン2020プログラムは、標準化されたサービスとリソースを提供する新しい研究インフラストラクチャ^[38]に資金を提供し、再現性とリソースとサービスへのオープンアクセスを向上させることを目指しています。^[39]

PDXを個別化医療に使用することに関しては、経済的な課題があります。米国では、PDXモデルの開発コストにより、患者の治療費が数千ドルになる可能性があります。^[40] PDXモデルの作成にはかなりの時間がかかることもあり、進行した癌の患者にとっては課題となる可能性があります。 ^[1]これらの障害にもかかわらず、個別化医療の需要の高まりにより、PDX市場は2017年の時価総額7,740万ドルから2022年には1億6,760万ドルに成長すると予想されています。^[41]