我們知道，新藥研發的成功率是很低的，特別是抗癌藥物，失敗率在所有疾病型別中高居榜首。2013年至2015年，32%的二期和三期抗癌藥物臨床試驗失敗，高於2010年的23%，這突出了臨床前模型在預測臨床實際環境中藥物反應方面的不足。最近，針對不同人類腫瘤細胞系在治療靶點或新藥篩選臨床前試驗的系統性研究證實，使用細胞系模型獲取的資料，是造成新藥臨床轉化率低的主要原因。因為這些細胞系在適應人工培養條件的過程中已經發生了顯著的遺傳、表觀遺傳和轉錄組的變化。而且，這類細胞系不再保有原發性腫瘤的複雜異質性和人類腫瘤微環境的相關成分。這也是美國國家癌症研究所（NCI）決定取消NCI-60人類腫瘤細胞株用於藥物篩選的原因。
近年來，透過將患者來源的腫瘤組織直接植入免疫缺陷小鼠體內而構建的人源腫瘤異種移植模型（PDX）正日益成為研究腫瘤的首選模型。PDX模型在腫瘤結構、微環境和異質性方面相比細胞系模型能夠更準確地再現人類腫瘤。即使經歷多次傳代，PDX模型依然能夠保有原腫瘤組織的關鍵分子和組織學特徵。PDX已經成為研究人類腫瘤生物學的有力工具，為分析腫瘤標記物、治療靶點和新型抗癌藥的發現提供了轉化機會。
PDX模型在癌症研究中的應用
結直腸癌是一種具有顯著異質性的疾病，其分子特徵和對治療的反應存在明顯差異。為了更有效的研究結直腸癌，需要能夠忠實地再現人類結直腸癌複雜性的動物模型。目前人類已經掌握的結直腸癌動物模型構建方法有致癌物誘導、基因工程、細胞株異種移植（CDX）和PDX。其中，致癌物誘導和基因工程構建的都是動物原發性模型，用於研究人類直腸癌存在先天缺陷。CDX和PDX均可用於構建人源異種移植模型，目前仍以CDX為主。近年來，結直腸癌PDX模型逐漸得到重視和發展。結直腸癌PDX模型的組織病理學特徵與相應的原發腫瘤在腫瘤分化、黏液分泌、基質成分以及維持原發瘤內克隆異質性等方面高度一致。腫瘤的遺傳和表觀遺傳學特徵也被保留了下來。而且，結直腸癌PDX模型構建成功率高於大部分腫瘤型別，成瘤率在各種研究中從56%到87。5%不等。成瘤率與樣本型別、腫瘤惡性程度和所用小鼠的免疫缺陷程度等多種因素有關。結直腸癌PDX模型已經成功用於腫瘤異質性、克隆動力學和腫瘤微環境的相關研究，特別是在結直腸癌轉化研究中發揮著重要作用。
結直腸癌PDX模型構建流程
新藥或新型治療方案研發
細胞系的發展和應用對人類探索腫瘤的發病機制和治療方法有著舉足輕重的作用，但低臨床轉化率證明了基於細胞系藥物研發的侷限性。細胞系在體外經歷了適應性生長，因此不同於宿主體內環境影響下的適應性選擇。而且，基於細胞系的異種移植物往往細胞均一，基質浸潤很少。而基質細胞對於藥物敏感性有很大的影響。
結直腸癌PDX模型忠實地再現了腫瘤在人體內的狀態。大量資料表明，結直腸癌PDX模型的藥篩結果與臨床患者的藥物反應高度一致，因此，使用結直腸癌PDX模型用於藥物的臨床前研究能達到事半功倍的效果。比如，RAS基因突變是EGFR靶向治療的臨床依據。Nunes等人觀察了52例結直腸癌PDX模型小鼠對西妥昔單抗的反應，其中有15%（8/52）的PDX模型小鼠表現出有效反應，而這8例腫瘤樣本全部為KRAS野生型。Julien等使用西妥昔單抗治療54例結直腸癌PDX模型小鼠，發現KRAS野生型小鼠存活時間比KRAS突變荷瘤小鼠要長。Yao等觀察了西妥昔單抗聯合RAF抑制劑在79例結直腸癌PDX模型中的抗腫瘤作用，結果顯示，EGFR和RAF雙重抑制對具有KRAS或BRAF突變的結直腸癌PDX模型表現出協同抗瘤活性，這為存在KRAS或BRAF突變的結直腸癌患者提供了潛在的治療選擇。另一項研究表明，聯合抑制MEK和CDK4 / 6對KRAS突變結直腸癌PDX有效，並證明了對難治性KRAS突變患者的II期臨床試驗的正確性。此外，對單藥西妥昔單抗有反應的PDX模型具有明顯更高的EGFR複製數和更高的EGFR表達，這與在患者中觀察到的結果基本一致。在一項40例RAS突變結直腸癌PDX陣列研究中，MEK和PI3K/mTOR的雙重抑制顯示出有限的治療作用，這與I期臨床試驗的資料一致。由此可見，結直腸癌PDX的臨床前結果與臨床結果高度一致。因此，結直腸癌PDX用於新藥或新型治療方案的研發具有極大的應用潛力。
PDX模型在精準藥篩中的應用
免疫治療
在結直腸癌中，微衛星不穩定（MSI）以DNA錯配修復途徑缺陷為特徵。MSI腫瘤對細胞毒性T淋巴細胞、活化的輔助性T細胞和自然殺傷細胞表現出高度的免疫浸潤。同時，這類腫瘤選擇性的具有多個免疫檢查點高表達水平，包括PD-1、PD-L1、CTLA-4、LAG-3和IDO。微衛星高度不穩定（MSI-H）和微衛星穩定（MSS）的結直腸癌雙人源化PDX模型（在CD34+ HSC人源化免疫系統小鼠上接種腫瘤的模型，即腫瘤和免疫系統雙人源化的小鼠模型）已經成功建立，並且證實，MSI-H的PDX模型較MSS PDX模型具有更高水平的免疫浸潤和對PD-1抑制劑nivolumab的藥物反應。微衛星檢測可能對指導臨床應用免疫治療有重要參考價值。因此，結直腸癌PDX模型為免疫檢查點和免疫療法的探索和驗證提供了有效的研究工具。
生物標記物鑑定
PDX模型的另一個應用領域是用於發現生物標記物，這對於加深藥物耐藥機制的理解，從而研發抗耐藥療法具有非常重要的意義。Bertotti等人透過建立85例轉移性腸癌患者的PDX模型，並進行了前瞻性試驗，以確定對西妥昔單抗耐藥的新生物標記物。他們發現，HER2擴增在西妥昔單抗無效或耐藥和KRAS/NRAS/BRAF/PIK3CA野生型的PDX模型荷瘤中普遍異常。而使用靶向HER2的曲妥珠單抗聯合酪氨酸激酶抑制劑治療可明顯抑制HER2突變的結直腸癌PDX腫瘤生長。這項臨床前研究為針對結直腸癌患者HER2啟用突變的臨床試驗提供了有力的理論基礎。研究還發現，在結直腸癌PDX模型中，IGF2過表達或MET擴增也與對西妥昔單抗的原發性耐藥有關，IGF2和MET抑制劑的聯合應用可能克服這一點。對抗EGFR抗體耐藥的PDX模型進行全基因組測序分析，顯示ERBB2、EGFR、FGFR1、PDGFRA和MAP2K1的突變可能其原發性耐藥的機制。聯合可操控這些基因轉錄表達的治療方法也許能夠克服抗EGFR抗體耐藥。這些結果表明，結直腸癌PDX模型在識別潛在的藥物療效生物標誌物方面發揮了重要作用，有助於臨床試驗設計的最佳化。
PDX
成本效益及替代方法
儘管PDX模型相比傳統基於細胞系的異種移植模型能夠更好地預測藥物反應，但由於PDX成本高、週期長和資源稀缺等，其廣泛應用受到限制。尋找PDX替代模型成為迫待解決的問題。理想的替代模型應該是在保有PDX模型預測反應能力的同時，還能夠像細胞系一樣低成本短週期的應用。
腫瘤類器官（PDO）是近幾年的研究熱點。PDO來源於多能幹細胞或分離的器官祖細胞，具有自我更新和自組織能力，並保留了其來源組織的生理結構和功能特性。在最近的一項研究中，Vlachogiannis和他的同事利用71例結直腸癌樣本構建了PDO，分析證實這些PDO的表型和基因型與原始腫瘤非常相似，並具有相同的基因突變譜。另外，PDO用於藥物有效性篩選的準確率達到88%，而對於藥物無效性的預測準確性則達到了100%。PDO相比PDX，成本和週期大大降低，很多學者認為可以取代或補充PDX模型。然而，雖然PDO保留了原腫瘤組織的異質性，但卻犧牲了原腫瘤組織的三維結構和微環境。另外，由於腫瘤的異質性，不同腫瘤樣本需要的最佳培養條件存在著顯著的差異，目前腸癌PDO的構建成功率只有60-80%，並且不同個體間的PDO增殖時間存在著顯著差異，導致PDO藥篩需要的時間也不確定。
PDX與PDO聯合應用為結直腸癌遠處器官微
另一種可選的替代方法是腫瘤微組織塊培養法。腫瘤微組織塊培養法的基本原理是將患者手術後取下來的新鮮腫瘤組織或從PDX模型小鼠身上剝離的荷瘤切割成均勻大小的組織塊，在體外進行培養，觀察不同干預方式對組織塊生物活性和基因蛋白等分子表達的影響。三維組織藥敏法（HDRA） 是 20 世紀 80 年代末出現並不斷被改進和發展的一種體外藥敏實驗方法。該方法不僅實驗週期短， 還維持了腫瘤組織三維的生長方式、組織結構、細胞異質性和致瘤性等多種體內特性，可模擬細胞外基質、細胞間相互黏附作用、資訊傳導等，更接近於體內和臨床的實際情況。HDRA 在腫瘤研究領域中得到了一定的應用，比如實體腫瘤的藥敏檢測、新藥的開發和篩選等。20世紀90年代開始有大量文獻報道HDRA 藥篩技術在指導腫瘤個體化治療和新藥篩選方面具有較好的效果。但是由於HDRA藥篩技術存在著操作比較繁瑣、部分組織存活性較差等缺點，近些年來仍從事相應研究工作的團隊不多。為使其操作變得更簡便、靈敏、可靠，樂悠生物的科研人員採用了一種特殊的水凝膠包裹腫瘤組織塊後再在體外進行培養，並取了一個非常形象的名字—腫瘤“果凍”藥敏檢測法（Hydrogel embedded histoculturedrug sensitivity test， HDST）。該方法使用的水凝膠在凝固後能夠形成無數個直徑100um的空隙，培養基中的營養物質、藥物小分子和組織塊代謝產物可以自由擴散。同時，凝固的凝膠還能對腫瘤組織塊形成一定的側壓力，因此，這種方法高度還原了腫瘤在患者體內的生存狀態，基於該方法進行的藥敏檢測準確性得到很大提高。而且，HDST成本低廉，檢測週期短，5天就可以出結果。只要用於檢測的腫瘤組織活性達到要求，HDST的檢測成功率幾近100%。目前，PDX-HDST組合平臺已成功應用於新藥研發和臨床個體化治療。
HDST藥敏檢測在腫瘤個體化治療中的應用
結語
結直腸癌PDX模型因其攜帶了臨床結直腸癌患者的腫瘤異質性和微環境，能夠更準確的預測臨床結果，因此在新藥發現、個體化治療、免疫治療、生物標記物等領域已廣泛應用。但由於成本高、週期長和資源稀缺等缺點，PDX模型的應用受到限制。目前，PDO被認為是代替PDX模型的腫瘤研究方法。但由於技術限制，PDO成功率只有60%左右，其廣泛應用仍然受到很多限制。HDST是新近開發的一種腫瘤微組織塊藥敏檢測技術，其保留了患者的腫瘤異質性和微環境，很好地再現了腫瘤在體內的狀態，能夠快速準確地進行藥物反應檢測。透過PDX-HDST聯合，可能是未來新藥研發和臨床個體化治療的新方向。
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