Om man vill veta om en patients tumör kommer att reagera på en viss terapeutisk behandling måste man undersöka hur den mänskliga tumören, inte en mus-tumör, reagerar på behandlingen
Enormt många musmodeller har utvecklats för att studera cancer hos människor. Dessa modeller används för att undersöka de faktorer som är inblandade i malign omvandling, invasion och metastasering samt för att undersöka svaret på terapi. En av de mest använda modellerna är xenograftmodellen för mänskliga tumörer. I denna modell transplanteras mänskliga tumörceller, antingen under huden eller i det organ där tumören har sitt ursprung, till immunsupprimerade möss som inte stöter bort mänskliga celler. Till exempel accepteras xenografin lätt av athymiska nakenmöss, SCID-möss (severely compromised immunodeficient) eller andra immunsupprimerade möss (Morton och Houghton, 2007). Beroende på antalet injicerade celler eller storleken på den transplanterade tumören kommer tumören att utvecklas under 1-8 veckor (eller i vissa fall 1-4 månader eller längre), och svaret på lämpliga terapeutiska regimer kan studeras in vivo. En annan typ av djurmodell för att studera cancer hos människor är den genetiskt modifierade musmodellen (GEM-modellen). Den genetiska profilen hos dessa möss ändras så att en eller flera gener som tros vara inblandade i omvandling eller malignitet muteras, raderas eller överuttrycks. Därefter studeras effekten av att ändra dessa gener över tid och terapeutiska reaktioner på dessa tumörer kan följas in vivo. Både athymiska nakenmöss och xenograftmodeller för möss där humana tumörcellinjer används har använts i årtionden för att öka vår förståelse av faktorer som påverkar tumörtillväxten. Ny information om det centrala inflytandet av tumörens mikromiljö på tumörutveckling och tumörtillväxt har dock lett till att man i större utsträckning använder GEM-tumörmodeller där man använder immunkompetenta möss, liksom användning av primära humana tumör xenografts i humaniserade musmodeller. I själva verket anses xenograftmodellerna ofta vara sämre än GEM-modellerna. I den här artikeln hoppas jag kunna visa att varje modell har sin användning i cancerdiagnostik och i prekliniska terapeutiska modaliteter.
Flera kriterier har nyligen föreslagits för GEM-modeller av mänsklig cancer: (1) möss måste bära samma mutation som förekommer i mänskliga tumörer, (2) mutationer bör konstrueras inom det endogena locus och inte uttryckas som en transgen, (3) muterade gener bör vara tysta under embryogenes och tidig postnatal utveckling, med undantag för modeller av ärftliga pediatriska tumörer, (4) mutationer bör finnas inom de specifika målvävnaderna i utvalda celltyper, och (5) mutationer måste förekomma i ett begränsat antal celler. Ytterligare ”önskade egenskaper” är att tumörtypen och anatomopatologin ska vara så lik den som observeras i mänskliga tumörer som möjligt, och att tumörutvecklingen ska gå igenom samma eller liknande ”preeneoplastiska” stadier (M. Barbacid, Keystone Symposium on Inflamation, Microenvironment and Cancer, 2008, och personlig kommunikation). Ett annat viktigt kriterium, som är svårt att uppnå i GEM-modeller, är att värd-/tumormiljön ska vara reproducerbar i modellen. Även om mus-tumörmodeller som använder GEM är mycket användbara för att utvärdera effekterna av specifik mutation, deletion eller genamplifiering av en eller två gener under tumörutvecklingen hos mus-tumörer, kan de dessutom vanligtvis inte fullt ut reproducera den genetiska komplexiteten hos mänskliga tumörer. Hos människor uppvisar till exempel maligna melanom och andra tumörtyper med liknande grad av genetisk heterogenitet en omfattande grad av aneuploidi, och den specifika ökningen eller förlusten av gener varierar enormt från en cell till en annan inom samma tumör. Även om det finns betydande styrkor i denna modell finns det alltså inneboende svagheter som kan påverka användningen av dessa möss för att förutsäga en patients svar på en behandling.
Om man vill veta om en patientens tumör kommer att reagera på en viss terapeutisk regim måste man undersöka den mänskliga tumörens, och inte en musetumörs, svar på behandlingen. Det är här som xenograft av mänskliga tumörer på athymiska nakenmöss, SCID-möss eller ickeobesdiabetiska (NOD)/SCID-humaniserade möss kan vara till hjälp (fig. 1). Även om vissa komponenter i immunsystemet saknas när man väljer naken- eller SCID-musmodeller, är B-celler, dendritiska celler och granulocyter relativt intakta i athymiska nakenmöss, och det finns en kompensatorisk ökning av både natural killer (NK)-cellsaktivitet och tumördödande makrofager i dessa möss. Dessutom kan man hävda att när dessa metastatiska lesioner avlägsnas kirurgiskt eller biopsieras har tumören redan undgått immunövervakning och celldödning av immuncellerna. I denna ledare kommer jag att diskutera fördelarna och nackdelarna med xenografts av mänskliga tumörer, jämfört med GEM-modeller, som en metod för att analysera potentiella reaktioner på terapi hos patienters tumörer (fig. 1).
Typer av murinmodeller för att studera cancer hos människor.
Det finns flera viktiga fördelar med att använda xenografts av mänskliga tumörer för att undersöka terapeutiska reaktioner på läkemedel: (1) man kan använda verklig mänsklig tumörvävnad, med de komplexa genetiska och epigenetiska avvikelser som finns i den mänskliga tumörpopulationen, (2) xenografts av mänskliga tumörer kan användas för att hjälpa till att utveckla individualiserade molekylära terapeutiska tillvägagångssätt, (3) resultat kan erhållas inom några veckor från en biopsi av en mänsklig tumör när det gäller respons på terapi, medan GEM-modellerna ofta kräver så lång tid som ett år för att utvecklas före läkemedelsbehandlingen; (4) Flera terapier kan testas från en enda tumörbiopsi. (5) Data från vävnadsmikroarrayer och genetiska mikroarrayer kan lätt erhållas från mänsklig biopsi och xenograftvävnad, före och efter läkemedelsbehandling, för omfattande analys innan patienten utsätts för en behandling som kanske inte fungerar; (6) ortotopiska xenografts kan placeras på lämpligt sätt för att reproducera den organmiljö där tumören växer, så att tumörens effekt på dess mikromiljö kan moduleras, om än med undantag för vissa T-cellspopulationer; (7) stroma från den mänskliga tumörens mikromiljö kan inkluderas i xenografin för att mer fullständigt efterlikna den mänskliga tumörens mikromiljö, och (8) xenografin med hjälp av NOD/SCID-möss som har ”humaniserats” genom injektion av perifera blod- eller benmärgsceller, gör det möjligt att nästan fullständigt återskapa immunsvaret mot tumören. Xenografts som använder mänskliga cellinjer för att testa läkemedelssvar korrelerar ofta inte med klinisk aktivitet hos patienter (Kerbel, 2003). När primära tumörer används som ortotopisk xenograft finns det däremot ett starkare prediktivt svarsvärde, särskilt när en kliniskt relevant läkemedelsdos används (Johnson et al., 2001; Kerbel, 2003; Scholz et al., 1990). Det finns tre olika typer av svar på behandling som kan utvärderas: effekt på tumörens tillväxthastighet, effekt på tumörminskning/regression och överlevnad. Effekten av ett läkemedel på tumörens tillväxttakt eller cytostasis har rapporterats vara ofta mer förutsägande för ett kliniskt svar än tumörminskning/regression (Kelland, 2004). Dessutom är subkutana tumörmodeller som inte är ortotopiska och som inte representerar lämpliga platser för mänskliga tumörer inte förutsägbara när de används för att testa svar på läkemedel mot cancer (Killion et al., 1998). En utmaning med ortotopiska modeller, jämfört med subkutana modeller, är svårigheten att följa tumörtillväxten. Den senaste utvecklingen av nya tekniker för magnetisk resonansavbildning (MRI) och mikroavbildning kan dock minimera detta problem.
Det finns flera andra nackdelar och utmaningar med att använda xenograftmodellen för mus för att övervaka och/eller förutsäga terapisvar vid cancer. Ortotopiska tumörmodeller är tidskrävande, dyra och tekniskt utmanande. Om athymiska nude- eller SCID-möss används går dessutom det lymfocytmedierade svaret på tumören förlorat, dvs. nude-möss förlorar vissa T-cellsvar och SCID-möss förlorar både sina T- och B-cellsvar. Dessa immunologiska brister kan dock i princip till stor del övervinnas genom att transplantera mänskliga tumörer på ”humaniserade” NOD/SCID-möss. Detta minskar avsevärt många av nackdelarna med de ortotopiska xenograftmodellerna för mänskliga tumörer när det gäller att studera terapisvar. Fullständigt återställande av immunsystemet i den ”humaniserade musen” är dock inte möjligt, eftersom det fortfarande är en utmaning att återställa HLA-klass I- och klass II-selekterande element i T-cellspopulationer (Bernard et al., 2008). För att utföra dessa experiment måste dessutom de nyfödda mössen bestrålas och sedan transplanteras med mänskliga CD34+ hematopoietiska stamceller från mänskligt navelsträngsblod. Tidpunkten för att skaffa navelsträngsblod, bestråla nyfödda möss och verifiera den humaniserade fenotypen hos NOD/SCID-mössen efter transplantationen gör detta förfarande ganska besvärligt, men mycket värdefullt.
Trots nackdelarna med xenograftmodellen när det gäller att förutsäga det kliniska svaret på terapi, finns det ett antal viktiga framgångar. Till exempel reagerar xenografts av cellinjer av multipelt myelom i syngeneiska möss på proteasomhämmaren bortezomib/VELCADE®, som har visat sig vara mycket lovande för behandling av multipelt myelom (LeBlanc et al., 2002; Moreau et al., 2008; Oyajobi och Mundy, 2003). Kombinationen av bortezomib och melfen visade sig först vara effektiv för behandling av multipelt myelom i prekliniska xenograftförsök, och detta ledde till framgång i kliniska försök som följdes av en rekommenderad ny standard för klinisk vård för patienter med multipelt myelom över 65 år (Mateos et al., 2006; Mitsiades et al., 2003). Herceptin visades öka antitumöraktiviteten hos paklitaxel och doxorubicin mot HER2/neu-överuttryckande xenografts av mänsklig bröstcancer, och detta ledde till efterföljande framgångsrika kliniska prövningar (Baselga et al., 1998; Sporn och Bilgrami, 1999). Neutraliserande antikroppar som är riktade mot receptor 2 för vaskulär endotelisk tillväxtfaktor (VEGFR2) i kombination med paklitaxel visade sig vara effektiva när det gäller att hämma tumörtillväxten och hämma metastatisk spridning i en ortotopisk xenograftmodell (Davis et al., 2004). Detta grundarbete följdes av utvecklingen av bevacizumab, en humaniserad monoklonal antikropp som riktar sig mot vaskulär endotelisk tillväxtfaktor A (VEGF-A). Bevacizumab var effektivt i kliniska fas III-studier för kolorektal- och njurcancer och fick FDA-godkännande 2004 (Hurwitz et al., 2004; Yang et al., 2003). Dessutom är xenograftmodeller av mus användbara för att förutse toxicitet från riktade terapier och, i andra fall, för att identifiera möjliga prediktiva biomarkörer för målmodulering. Även om detta bara är några få exempel på framgångsrik användning av xenograftstudier är det uppenbart att för många typer av mänskliga tumörer har den information som erhållits från ortotopiska xenograftstudier av mus med mänskliga tumörer lett till information som har omsatts i framgångsrika kliniska prövningar.
Fördelarna med GEM är att: (1) mössen är immunkompetenta, så att tumörens mikromiljö kan speglas så mycket som möjligt i en murin tumörmodell, (2) specifika genetiska avvikelser som finns i mänskliga tumörer kan reproduceras, på ett inducerbart sätt, vid specifika åldrar i ursprungsvävnadstypen, (3) tumörutvecklingens stadier kan studeras över tid, och (4) flera terapeutiska tillvägagångssätt kan utforskas vid olika stadier av tumörutvecklingen. Genetiska modeller är också användbara i humaniserade möss, där mänskliga gener, t.ex. cytokrom P450-gener eller mänskliga tumörantigener, uttrycks i möss för att följa läkemedelsmetabolismen eller immunologiska reaktioner på tumören (Talmadge et al., 2007). Nackdelarna med GEM är för det första att den mänskliga tumörens komplexitet inte kan efterliknas på ett tillförlitligt sätt och för det andra att mus-tumörer inte är mänskliga tumörer och ofta inte förutsäger vad som kommer att hända i den mänskliga tumören när det gäller terapisvar. Vi kan bota många musetumörer, men det finns ingen direkt korrelation mellan svaret i musen och svaret i kliniken.
Sammanfattningsvis är både den ortotopiska xenograftmodellen för mänskliga tumörer och GEM-modellen användbara för att öka vår förståelse av cancerutveckling och behandling. Var och en har sina styrkor och begränsningar, där den ortotopiska xenograftmodellen för mänskliga tumörer är utmärkt för att förutsäga läkemedelsrespons i mänskliga tumörer och GEM-modellen är bäst för att undersöka specifika geners roll i tumörutveckling och progression. Oavsett vilken modell som används för att förutsäga det kliniska svaret hos patienterna är det viktigt att få en minst 50-procentig hämning av tumörtillväxten för att uppnå ett kvalificerat ”svar” på behandlingen, och att använda kliniskt relevanta doser av terapeutiska medel och övervaka överlevnaden. Dessutom är det viktigt att fastställa om tumörtillväxten återkommer när läkemedlet avbryts och, om så är fallet, om återväxten sker snabbare när behandlingen pausas jämfört med innan behandlingen påbörjades. Om så är fallet, trots ett eventuellt svar på läkemedelsbehandlingen, avråder rebound-effekten från att använda den läkemedelsbehandlingsregimen för tumörtyper som uppvisar en rebound-effekt. Sammanfattningsvis kan vi konstatera att vi inte har idealiska murinmodeller för mänskliga tumörer, utan måste lära oss att tolka våra data inom ramen för begränsningarna hos den använda analysen.
