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Wenn man wissen will, ob der Tumor eines Patienten auf eine bestimmte Therapie anspricht, muss man die Reaktion dieses menschlichen Tumors, nicht eines Mäusetumors, auf die Therapie untersuchen

Zahlreiche Mausmodelle wurden entwickelt, um menschlichen Krebs zu untersuchen. Diese Modelle werden verwendet, um die Faktoren zu untersuchen, die an der bösartigen Umwandlung, Invasion und Metastasierung beteiligt sind, und um das Ansprechen auf eine Therapie zu untersuchen. Eines der am häufigsten verwendeten Modelle ist das humane Tumor-Xenograft. Bei diesem Modell werden menschliche Tumorzellen entweder unter die Haut oder in das Organ, aus dem der Tumor stammt, in immungeschwächte Mäuse transplantiert, die menschliche Zellen nicht abstoßen. So wird das Xenotransplantat beispielsweise von athymischen Nacktmäusen, Mäusen mit stark geschwächtem Immunsystem (SCID) oder anderen immungeschwächten Mäusen ohne weiteres akzeptiert (Morton und Houghton, 2007). Je nach Anzahl der injizierten Zellen oder der Größe des transplantierten Tumors entwickelt sich der Tumor über einen Zeitraum von 1-8 Wochen (oder in manchen Fällen 1-4 Monate oder länger), und das Ansprechen auf geeignete Therapieschemata kann in vivo untersucht werden. Eine andere Art von Tiermodell zur Untersuchung von Krebs beim Menschen ist das Modell der gentechnisch veränderten Maus (GEM). Das genetische Profil dieser Mäuse wird so verändert, dass ein oder mehrere Gene, von denen man annimmt, dass sie an der Transformation oder Bösartigkeit beteiligt sind, mutiert, entfernt oder überexprimiert werden; anschließend wird die Wirkung der Veränderung dieser Gene im Laufe der Zeit untersucht, und die therapeutische Reaktion auf diese Tumore kann in vivo verfolgt werden. Sowohl athymische Nacktmäuse als auch Maus-Xenograft-Modelle, bei denen humane Tumorzelllinien verwendet werden, werden seit Jahrzehnten eingesetzt, um unser Verständnis der Faktoren zu verbessern, die das Tumorwachstum beeinflussen. Jüngste Informationen über den entscheidenden Einfluss der Tumormikroumgebung auf die Tumorprogression und das Tumorwachstum haben jedoch dazu geführt, dass man sich zunehmend auf GEM-Tumormodelle mit immunkompetenten Mäusen sowie auf primäre humane Tumor-Xenografts in humanisierten Mausmodellen verlässt. Tatsächlich werden die Xenotransplantationsmodelle oft als den GEM-Modellen unterlegen angesehen. In diesem Artikel möchte ich zeigen, dass jedes Modell seine Berechtigung in der Krebsdiagnostik und bei präklinischen therapeutischen Maßnahmen hat.

Vor kurzem wurden mehrere Kriterien für GEM-Modelle für menschliche Krebsarten vorgeschlagen: (1) Mäuse müssen dieselbe Mutation tragen, die auch in menschlichen Tumoren vorkommt; (2) die Mutationen sollten innerhalb des endogenen Locus erzeugt und nicht als Transgen exprimiert werden; (3) die mutierten Gene sollten während der Embryogenese und der frühen postnatalen Entwicklung stumm sein, außer in Modellen für vererbte pädiatrische Tumoren; (4) die Mutationen sollten in den spezifischen Zielgeweben in ausgewählten Zelltypen auftreten; und (5) die Mutationen müssen in einer begrenzten Anzahl von Zellen auftreten. Weitere „erwünschte Merkmale“ sind, dass der Tumortyp und die Anatomie so ähnlich wie möglich zu den beim Menschen beobachteten Tumoren sein sollten und dass die Tumorentwicklung die gleichen oder ähnliche „präneoplastische“ Stadien durchlaufen sollte (M. Barbacid, Keystone Symposium on Inflamation, Microenvironment and Cancer, 2008, und persönliche Mitteilung). Ein weiteres wichtiges Kriterium, das bei GEM-Modellen nur schwer zu erfüllen ist, besteht darin, dass die Wirts-/Tumorumgebung im Modell reproduzierbar sein sollte. Obwohl Mäusetumormodelle mit GEM sehr nützlich sind, um die Auswirkungen spezifischer Mutationen, Deletionen oder Genamplifikationen von einem oder zwei Genen während der Tumorprogression bei Mäusen zu untersuchen, können sie die genetische Komplexität menschlicher Tumoren in der Regel nicht vollständig reproduzieren. Beim Menschen beispielsweise weisen maligne Melanome und andere Tumorarten mit ähnlichem Grad an genetischer Heterogenität ein hohes Maß an Aneuploidie auf, und der spezifische Zuwachs oder Verlust von Genen variiert innerhalb desselben Tumors von Zelle zu Zelle enorm. Daher hat dieses Modell zwar bedeutende Stärken, aber auch angeborene Schwächen, die die Verwendung dieser Mäuse zur Vorhersage des Ansprechens eines Patienten auf eine Therapie erheblich beeinträchtigen können.

Wenn man wissen will, ob der Tumor eines Patienten auf eine bestimmte Therapie anspricht, muss man die Reaktion dieses menschlichen Tumors und nicht eines Mäusetumors auf die Therapie untersuchen. Hier kann das humane Tumor-Xenotransplantat auf athymischen Nacktmäusen, SCID-Mäusen oder nicht-adipösen diabetischen (NOD)/SCID-humanisierten Mäusen hilfreich sein (Abb. 1). Obwohl einige Komponenten des Immunsystems fehlen, wenn man sich für Nackt- oder SCID-Mausmodelle entscheidet, sind bei athymischen Nacktmäusen die B-Zellen, dendritischen Zellen und Granulozyten alle relativ intakt, und es gibt eine kompensatorische Zunahme sowohl der Aktivität der natürlichen Killerzellen (NK) als auch der tumoriziden Makrophagen in diesen Mäusen. Außerdem kann man argumentieren, dass zu dem Zeitpunkt, an dem diese metastatischen Läsionen operativ entfernt oder biopsiert werden, der Tumor bereits der Immunüberwachung und der Zellabtötung durch die Immunzellen entgangen ist. In diesem Leitartikel werde ich die Vor- und Nachteile menschlicher Tumor-Xenografts im Vergleich zu GEM-Modellen als Methode zur Analyse der potenziellen Reaktion von Patiententumoren auf eine Therapie erörtern (Abb. 1).

Es gibt mehrere entscheidende Vorteile der Verwendung menschlicher Tumor-Xenografts zur Untersuchung der therapeutischen Reaktion auf Medikamente: (1) man kann das tatsächliche menschliche Tumorgewebe verwenden, das die Komplexität der genetischen und epigenetischen Anomalien aufweist, die in der menschlichen Tumorpopulation vorhanden sind; (2) menschliche Tumor-Xenografts können verwendet werden, um die Entwicklung individualisierter molekularer Therapieansätze zu unterstützen; (3) Ergebnisse können innerhalb weniger Wochen aus einer menschlichen Tumorbiopsie hinsichtlich des Ansprechens auf eine Therapie gewonnen werden, während die GEM-Modelle oft bis zu einem Jahr benötigen, um sich vor einer Arzneimitteltherapie zu entwickeln; (4) mehrere Therapien können anhand einer einzigen Tumorbiopsie getestet werden; (5) Daten aus Gewebe-Microarrays und genetischen Microarrays können leicht aus der menschlichen Biopsie und dem Xenotransplantat-Gewebe gewonnen werden, und zwar vor und nach der medikamentösen Therapie, um sie umfassend zu analysieren, bevor der Patient einer Therapie unterzogen wird, die möglicherweise nicht anschlägt; (6) Orthotopische Xenotransplantate können in geeigneter Weise platziert werden, um die Organumgebung zu reproduzieren, in der der Tumor wächst, so dass die Wirkung des Tumors auf seine Mikroumgebung moduliert werden kann, wenn auch mit Ausnahme bestimmter T-Zell-Populationen; (7) Stroma aus der Mikroumgebung des menschlichen Tumors kann in das Xenotransplantat aufgenommen werden, um die Mikroumgebung des menschlichen Tumors vollständiger nachzuahmen; und (8) Xenotransplantate mit NOD/SCID-Mäusen, die durch Injektion von Zellen aus peripherem Blut oder Knochenmark „humanisiert“ wurden, ermöglichen eine fast vollständige Rekonstitution der Immunantwort auf den Tumor. Xenotransplantate, bei denen menschliche Zelllinien zum Testen von Arzneimittelreaktionen verwendet werden, korrelieren oft nicht mit der klinischen Aktivität bei Patienten (Kerbel, 2003). Werden dagegen Primärtumore als orthotopes Xenotransplantat verwendet, ist der Vorhersagewert für das Ansprechen höher, insbesondere wenn eine klinisch relevante Medikamentendosis verwendet wird (Johnson et al., 2001; Kerbel, 2003; Scholz et al., 1990). Es gibt drei verschiedene Arten des Ansprechens auf die Therapie, die bewertet werden können: Wirkung auf die Wachstumsrate des Tumors, Wirkung auf die Schrumpfung/Rückbildung des Tumors und Überleben. Die Wirkung eines Medikaments auf die Wachstumsrate des Tumors oder die Zytostase ist Berichten zufolge oft aussagekräftiger für ein klinisches Ansprechen als die Schrumpfung/Rückbildung des Tumors (Kelland, 2004). Darüber hinaus sind subkutane Tumormodelle, die nicht orthotop sind und keine geeigneten Stellen für menschliche Tumore darstellen, nicht aussagekräftig, wenn sie zur Prüfung der Reaktion auf Krebsmedikamente verwendet werden (Killion et al., 1998). Eine Herausforderung, die sich bei orthotopen Modellen im Vergleich zu subkutanen Modellen stellt, ist die Schwierigkeit, das Tumorwachstum zu verfolgen. Die jüngste Entwicklung neuer Magnetresonanztomographie- (MRT) und Mikrobildgebungsverfahren kann dieses Problem jedoch minimieren.

Es gibt noch mehrere andere Nachteile und Herausforderungen bei der Verwendung des Maus-Xenograft-Modells zur Überwachung und/oder Vorhersage des therapeutischen Ansprechens bei Krebs. Orthotopische Tumormodelle sind zeitaufwendig, teuer und technisch anspruchsvoll. Außerdem geht bei der Verwendung von athymischen Nackt- oder SCID-Mäusen die durch Lymphozyten vermittelte Reaktion auf den Tumor verloren, d. h. Nacktmäuse verlieren bestimmte T-Zell-Reaktionen und SCID-Mäuse verlieren sowohl ihre T- als auch ihre B-Zell-Reaktionen. Diese immunologischen Defizite lassen sich jedoch im Prinzip weitgehend ausgleichen, indem menschliche Tumore auf „humanisierte“ NOD/SCID-Mäuse transplantiert werden. Dadurch werden viele der Nachteile der orthotopen humanen Tumor-Xenograft-Modelle für die Untersuchung des therapeutischen Ansprechens erheblich verringert. Eine vollständige Wiederherstellung des Immunsystems in der „humanisierten Maus“ ist jedoch nicht möglich, da die Wiederherstellung von HLA-Klasse-I- und Klasse-II-selektierenden Elementen in T-Zell-Populationen eine Herausforderung bleibt (Bernard et al., 2008). Um diese Experimente durchzuführen, müssen die neugeborenen Mäuse bestrahlt und dann mit menschlichen CD34+ hämatopoetischen Stammzellen aus menschlichem Nabelschnurblut transplantiert werden. Der Zeitaufwand für die Gewinnung des Nabelschnurbluts, die Bestrahlung der neugeborenen Mäuse und die Überprüfung des humanisierten Phänotyps der NOD/SCID-Mäuse nach der Transplantation macht dieses Verfahren recht mühsam, aber sehr wertvoll.

Trotz der Nachteile des Xenotransplantationsmodells für die Vorhersage des klinischen Ansprechens auf eine Therapie gibt es eine Reihe wichtiger Erfolge. So sprechen beispielsweise Xenotransplantate von Zelllinien des Multiplen Myeloms in syngenen Mäusen auf den Proteasom-Inhibitor Bortezomib/VELCADE® an, der sich als vielversprechend für die Behandlung des Multiplen Myeloms erwiesen hat (LeBlanc et al., 2002; Moreau et al., 2008; Oyajobi und Mundy, 2003). Die Kombination von Bortezomib und Melphalen erwies sich erstmals in präklinischen Xenotransplantationsstudien als wirksam für die Behandlung des multiplen Myeloms. Dies führte zu einem Erfolg in klinischen Studien, woraufhin ein neuer Standard für die klinische Behandlung von Patienten mit multiplem Myelom im Alter von über 65 Jahren empfohlen wurde (Mateos et al., 2006; Mitsiades et al., 2003). Es wurde gezeigt, dass Herceptin die Anti-Tumor-Aktivität von Paclitaxel und Doxorubicin gegen HER2/neu-überexprimierende humane Brustkrebs-Xenografts verstärkt, was zu nachfolgenden erfolgreichen klinischen Studien führte (Baselga et al., 1998; Sporn und Bilgrami, 1999). Neutralisierende Antikörper, die auf den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor-Rezeptor 2 (VEGFR2) abzielen, erwiesen sich in Kombination mit Paclitaxel als wirksam bei der Hemmung des Tumorwachstums und der Verhinderung der Metastasenausbreitung in einem orthotopen Xenotransplantatmodell (Davis et al., 2004). Auf diese Vorarbeiten folgte die Entwicklung von Bevacizumab, einem humanisierten monoklonalen Antikörper, der gegen den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor A (VEGF-A) gerichtet ist. Bevacizumab erwies sich in klinischen Phase-III-Studien bei Kolorektal- und Nierenkarzinomen als wirksam und erhielt 2004 die Zulassung der FDA (Hurwitz et al., 2004; Yang et al., 2003). Darüber hinaus sind Maus-Xenograft-Modelle nützlich, um die Toxizität zielgerichteter Therapien zu antizipieren und in anderen Fällen mögliche prädiktive Biomarker für die Modulation von Zielen zu ermitteln. Obwohl dies nur einige wenige Beispiele für den erfolgreichen Einsatz von Xenotransplantationsstudien sind, haben die Informationen, die aus orthotopen Xenotransplantationsstudien an Mäusen mit menschlichen Tumoren gewonnen wurden, eindeutig zu Informationen geführt, die in erfolgreiche klinische Versuche umgesetzt wurden.

Die Vorteile des GEM sind, dass: (1) die Mäuse sind immunkompetent, so dass die Mikroumgebung des Tumors so weit wie möglich in einem Mäusetumormodell widergespiegelt werden kann; (2) spezifische genetische Anomalien, die in menschlichen Tumoren vorhanden sind, können in induzierbarer Weise in bestimmten Altersstufen im Ursprungsgewebe reproduziert werden; (3) die Stadien der Tumorprogression können im Laufe der Zeit untersucht werden; und (4) verschiedene therapeutische Ansätze können in verschiedenen Stadien der Tumorentwicklung untersucht werden. Genetische Modelle sind auch bei humanisierten Mäusen nützlich, bei denen menschliche Gene, wie die Cytochrom-P450-Gene oder menschliche Tumorantigene, in Mäusen exprimiert werden, um den Arzneimittelstoffwechsel oder immunologische Reaktionen auf den Tumor zu verfolgen (Talmadge et al., 2007). Die Nachteile der GEM sind erstens, dass die Komplexität des menschlichen Tumors nicht zuverlässig nachgeahmt werden kann, und zweitens, dass Mäusetumore keine menschlichen Tumore sind und oft nicht vorhersagen, was im menschlichen Tumor im Hinblick auf das therapeutische Ansprechen passieren wird. Wir können viele Mäusetumore heilen, aber es gibt keine direkte Korrelation zwischen dem Ansprechen in der Maus und dem Ansprechen in der Klinik.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl das orthotopische humane Tumor-Xenotransplantat als auch das GEM-Modell nützlich sind, um unser Verständnis der Krebsentwicklung und -behandlung zu verbessern. Jedes Modell hat seine Stärken und Grenzen, wobei das orthotope humane Tumor-Xenotransplantat hervorragend für die Vorhersage des Ansprechens auf Medikamente bei menschlichen Tumoren geeignet ist, während das GEM-Modell am besten für die Untersuchung der Rolle spezifischer Gene bei der Tumorentwicklung und -progression geeignet ist. Unabhängig davon, welches Modell zur Vorhersage des klinischen Ansprechens bei Patienten verwendet wird, ist es wichtig, dass das Tumorwachstum um mindestens 50 % gehemmt wird, um ein qualifiziertes „Ansprechen“ auf die Therapie zu erreichen, und dass klinisch relevante Dosierungen von Therapeutika verwendet und das Überleben überwacht werden. Darüber hinaus ist es wichtig festzustellen, ob das Tumorwachstum nach dem Absetzen des Medikaments wieder einsetzt, und wenn ja, ob das erneute Wachstum nach einer Behandlungspause schneller erfolgt als vor Beginn der Behandlung. Ist dies der Fall, rät der Rebound-Effekt trotz eines Ansprechens auf die medikamentöse Therapie von der Anwendung dieses medikamentösen Behandlungsregimes bei Tumorarten ab, die einen Rebound-Effekt aufweisen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir keine idealen Mausmodelle für menschliche Tumore haben, sondern lernen müssen, unsere Daten im Rahmen der Grenzen des verwendeten Tests zu interpretieren.