師長宏
(空軍軍醫(yī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,西安 710032)
前列腺癌(PCa)是全球男性第二大惡性腫瘤,異質(zhì)性是其主要臨床特征[1]。雖然雄激素剝奪可有效控制腫瘤生長,但最終會(huì)形成去勢(shì)抵抗性前列腺癌(castration-resistant prostate cancer,CRPC),進(jìn)一步雄激素受體(AR)靶向治療在延長患者生存期的同時(shí)會(huì)誘導(dǎo)神經(jīng)內(nèi)分泌(neuroendocrine prostate cancer,NEPC) 和侵襲變異性(aggressive variant,AVPC)前列腺癌,出現(xiàn)特征性骨轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致難以治愈[2]。驅(qū)動(dòng)Pca 發(fā)生系列轉(zhuǎn)化的分子機(jī)制并不是很清楚,主要是缺乏模擬臨床特征的異質(zhì)性轉(zhuǎn)化模型。本文就前列腺癌的臨床異質(zhì)性進(jìn)行總結(jié),綜述基于臨床腫瘤病人異種移植(patient derived xenograft,PDX)模型的研究進(jìn)展,重點(diǎn)關(guān)注急需的Pca 異質(zhì)性轉(zhuǎn)化模型,以期為Pca 的轉(zhuǎn)化機(jī)制研究和靶向藥物篩選提供理想的動(dòng)物模型。
前列腺癌發(fā)生和發(fā)展的重要因素是雄激素傳導(dǎo)信號(hào)。手術(shù)或藥物去勢(shì)是進(jìn)展性PCa 患者標(biāo)準(zhǔn)治療方式,然而,大多數(shù)PCa 患者最初對(duì)雄激素剝奪治療有積極反應(yīng),但在去勢(shì)2 ~3 年后病情復(fù)發(fā),進(jìn)展為去勢(shì)抵抗性前列腺癌(CRPC)[2]。此時(shí)腫瘤細(xì)胞為了生長和存活由對(duì)雄激素具有不同程度依賴性的混合細(xì)胞組成,具有較強(qiáng)的異質(zhì)性[3](圖1)。在CRPC 中,疾病進(jìn)展最常見的是雄激素受體(androgen receptor,AR)信號(hào)的再激活,此時(shí),多西紫杉醇或新一代雄激素受體抑制劑,如恩雜魯胺(ENZ)和阿比特龍(ABI)被用于CRPC 的治療,在顯著提高生存率和生活質(zhì)量的同時(shí),大多數(shù)患者最終會(huì)對(duì)這些藥物也產(chǎn)生耐藥性,誘導(dǎo)出現(xiàn)NEPC 的轉(zhuǎn)化和AVPC[4],導(dǎo)致臨床難以治愈。因此,雄激素剝奪治療在誘導(dǎo)Pca 異質(zhì)性轉(zhuǎn)化中發(fā)揮了最重要作用。
NEPC 是 PCa 的一種惡性突變,保留了早期PCa 基因組特征并獲得新的分子變化,此時(shí)AR 信號(hào)減弱,具有高進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn),包括促使轉(zhuǎn)移的發(fā)生。雄激素阻斷是導(dǎo)致患者NEPC 發(fā)生的重要原因,已證實(shí) CRPC 病人治療后發(fā)生的 NEPC 克隆來自CRPC-腺癌前體,而不是預(yù)先存在的NEPC 克隆,可以基于不同的分子改變將CRPC-NEPC 從CRPC-腺癌中區(qū)分出來[5]。Beltran 等[6]對(duì)患者進(jìn)行了前列腺切除術(shù),發(fā)現(xiàn)伴有局部淋巴結(jié)受累,最初采用雄激素剝奪(androgen deprivation therapy,ADT)治療,然后在發(fā)生轉(zhuǎn)移和去勢(shì)抵抗時(shí)進(jìn)行化療,數(shù)月后,骨盆軟組織活檢發(fā)現(xiàn)已進(jìn)展為NEPC。
AVPC 又稱間變性前列腺癌,在臨床上被定義為具有轉(zhuǎn)移特征的CRPC(mCRPC),包括內(nèi)臟轉(zhuǎn)移、骨轉(zhuǎn)移或骨盆中淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移等[7],其中骨轉(zhuǎn)移最常見。臨床證實(shí)具有侵襲性特征的CRPC 更適合鉑治療,如果在CRPC 進(jìn)展期間能夠及早檢測(cè)到NEPC 改變,則可選擇這些個(gè)體用于NEPC 治療(鉑化療)而不是AR 靶向治療[6]。因此,迫切需要與臨床相似的體內(nèi)模型來充分展示前列腺癌CRPC、NEPC 和AVPC 的進(jìn)展轉(zhuǎn)化特征,了解其異質(zhì)性,開發(fā)具有針對(duì)性的治療策略。
PCa 的研究由于缺乏模擬臨床特征的系統(tǒng)性模型一直受到影響。目前常用的細(xì)胞系移植(Cell derived xenograft,CDX)模型在 ATCC 已報(bào)道 1000個(gè)癌細(xì)胞系中僅有7 種Pca 細(xì)胞系[7-8],但這些細(xì)胞系和模型已應(yīng)用多年,在前列腺癌發(fā)病機(jī)制和藥物篩選研究方面發(fā)揮了重要作用。比如,AR 對(duì)于雄激素依賴性Pca 病情的發(fā)展至關(guān)重要,它激活雄激素后,調(diào)節(jié)前列腺特異抗原(prostate specific antigen,PSA)表達(dá)并誘導(dǎo)PCa 細(xì)胞的增殖,因此,Pca 細(xì)胞系應(yīng)關(guān)注完整AR 的表達(dá)和雄激素依賴特性。LNCaP 是雄激素依賴的代表性細(xì)胞系,可以進(jìn)一步形成AR 非依賴性的亞系LNCaP C4-2,該細(xì)胞具有突變的雄激素受體,對(duì)雄激素有反應(yīng)性,分泌PSA,更具臨床相關(guān)性,主要用于PCa 發(fā)病機(jī)制研究,但該細(xì)胞系在體內(nèi)致瘤性差,由于雄激素受體的配體結(jié)合域中的點(diǎn)突變導(dǎo)致其對(duì)抗雄激素的反應(yīng)異常,使其具有局限性[9]?!敖?jīng)典”模型是雄激素非依賴性的PC3 和DU145 細(xì)胞系,前者源于人PCa的骨轉(zhuǎn)移瘤,后者具有較低的轉(zhuǎn)移潛能,來源于人PCa 的腦轉(zhuǎn)移瘤,這兩種細(xì)胞裸鼠移植成瘤性較好,主要用于體內(nèi)篩選實(shí)驗(yàn)研究,但二者均缺乏AR 和PSA 的表達(dá)[10]。22Rv1 細(xì)胞源于原發(fā)性 PCa 骨轉(zhuǎn)移瘤,屬于雄激素非依賴性但具有雄激素反應(yīng)性,表達(dá)AR,但PSA 低表達(dá),可在裸鼠體內(nèi)形成腫瘤。NCI-H660 源于前列腺癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移灶,屬于雄激素非依賴性,半懸浮生長,形態(tài)為上皮神經(jīng)內(nèi)分泌樣,AR 和PSA 表達(dá)均為陰性。上述細(xì)胞系均只體現(xiàn)了前列腺癌某個(gè)階段特征,許多臨床表型未在細(xì)胞系中出現(xiàn),代表性有限,作為臨床前研究模型不甚理想[7]。在臨床多見的CRPC 病人中,治療的巨大選擇壓力可導(dǎo)致前列腺癌異質(zhì)性顯著增加,比如AR和PSA 表達(dá)水平的變化,雄激素受體的突變,NEPC表型的出現(xiàn)等。因此,需要大量不同的CRPC 系列模型來代表不同的抗性機(jī)制[9],尤其是動(dòng)態(tài)模型來體現(xiàn)其轉(zhuǎn)化特征。而CDX 模型僅體現(xiàn)出臨床病人某一階段的靜態(tài)特征,在模擬前列腺癌多樣性和疾病進(jìn)展過程方面明顯不足,因此,發(fā)展一種基于同一標(biāo)本能夠誘導(dǎo)反映前列腺癌轉(zhuǎn)化全部過程的模型就成為當(dāng)前研究的必然趨勢(shì)。
圖1 前列腺癌臨床異質(zhì)性特征Figure 1 Clinical heterogeneity character of prostate cancer
將Pca 病人新鮮的腫瘤組織移植到免疫缺陷小鼠建立的原發(fā)性PDX(patient derived xenograft)模型較好地保持了原發(fā)瘤的異質(zhì)性[11]。由于植入免疫缺陷小鼠的Pca 瘤組織是對(duì)雄激素具有不同程度依賴性的混合細(xì)胞組成,在未處理的雄性小鼠中,雄激素依賴性細(xì)胞有生長優(yōu)勢(shì)并最終發(fā)展成雄激素敏感的移植模型;雄激素非依賴的腫瘤細(xì)胞在去勢(shì)小鼠體內(nèi)生長,顯示去勢(shì)抗性,最終表現(xiàn)為激素依賴(hormone na?ve primary prostate cancer,HNPC)或CRPC 特征。該類模型可用于基因組和轉(zhuǎn)錄組的分析,評(píng)估人PCa 中異常遺傳變化和基因譜,研究模型對(duì)雄激素剝奪和多西他賽等藥物治療的反應(yīng)[12-13]?;蚪M表征顯示,在PCa 患者中檢測(cè)到的特定基因組異常,例如PTEN 抑制基因的突變和特定基因的遺傳改變?cè)赑DX 移植瘤中很普遍,因此該類模型適合于闡明Pca 的發(fā)生機(jī)制[14]。目前,前列腺癌PDX 模型總體成功率較低(10% ~30%),首代成瘤時(shí)間最長為12 個(gè)月,再次傳代需要4 ~16周[15]。大多數(shù)前列腺癌PDX 模型為原發(fā)性激素依賴型,缺乏模擬臨床特征的CRPC 轉(zhuǎn)化模型。
2016 年 ~2017 年P(guān)rostate 連續(xù)發(fā)文報(bào)道了前列腺癌KuCaP 系列[16]和LuCaP 系列[17]PDX 模型,去勢(shì)后可發(fā)生 CRPC 和 NEPC 的轉(zhuǎn)化,提示誘導(dǎo)PDX 模型發(fā)生轉(zhuǎn)化的可行性。KuCaP 系列PDX 模型來自不同類型的Pca 臨床標(biāo)本,移植于SCID 小鼠形成腫瘤模型[16]。KuCaP1 來自雄激素抵抗的PCa患者肝轉(zhuǎn)移標(biāo)本,AR 突變?yōu)閃742C,移植小鼠去勢(shì)后腫瘤快速消失,長時(shí)間不再復(fù)發(fā),AR 和PSA 陽性,為雄激素依賴性PDX 模型。KuCaP2 來自于經(jīng)根治性前列腺切除術(shù)后的局部復(fù)發(fā)腫瘤,雄激素依賴,攜帶野生型AR,產(chǎn)生PSA,去勢(shì)后腫瘤快速消退,1 ~ 2 月后重新生長,發(fā)展為 CRPC。KUCaP3 來自CRPC 患者,移植小鼠去勢(shì)后快速消退,多月后重新生長,模擬臨床 CRPC 癥狀,AR 和 PSA 表達(dá)陽性,神經(jīng)內(nèi)分泌標(biāo)志物CGA 陽性,具有人類NEPC特征。LuCaP 系列來自轉(zhuǎn)移灶的外科手術(shù)標(biāo)本,包括了21 種PCa PDX 模型,初始生長時(shí)間從4 個(gè)月到12 個(gè)月[17]。一些PDX 模型腫瘤在去勢(shì)后消退,還有一些去勢(shì)后重新生長的腫瘤植入去勢(shì)小鼠,建立去勢(shì)抗性模型。該系列模型重現(xiàn)了腫瘤患者組織學(xué)特征,包括分化良好的腺癌,低分化腺癌和神經(jīng)內(nèi)分泌癌[18]。代表了人類Pca 的主要基因組和表型特征,包括雄激素受體的擴(kuò)增,PTEN 缺失,TP53 缺失和突變,RB1 缺失,反映了CRPC 的多樣化分子組成。
模擬臨床手術(shù)去勢(shì)是誘導(dǎo)前列腺癌PDX 模型發(fā)生CRPC 的重要手段。Hao 等[19]將10 例雄激素依賴性PDX 模型進(jìn)行去勢(shì)手術(shù),腫瘤體積急劇減小,血清 PSA 水平降低。12 周后,7 例重新生長,血清中PSA 水平增加,形成與臨床ADT 手術(shù)病人相似的CRPC,同時(shí)發(fā)現(xiàn)生長因子受體結(jié)合蛋白10(GRB10)驅(qū)動(dòng)了CRPC 的發(fā)生。KuCaP2 移植瘤小鼠去勢(shì)后腫瘤快速消退,1 ~2 月后重新生長,發(fā)展為CRPC,Array 分析發(fā)現(xiàn)前列腺素E 受體EP4 亞型表達(dá)顯著上調(diào),特異性EP4 拮抗劑可用于CRPC 治療[20]。提示誘導(dǎo)發(fā)生CRPC 的PDX 模型可為臨床CRPC 的治療提供新靶點(diǎn)。
Lin 等[21]成功建立了可以由ADT 誘導(dǎo)的前列腺癌向NEPC 轉(zhuǎn)化的前列腺癌PDX 模型LTL331,原發(fā)模型是典型的腺癌,在雄激素刺激下表達(dá)AR和PSA,去勢(shì)后可出現(xiàn)抗性生長并轉(zhuǎn)化為NEPC 特征的LTL331R,表達(dá)一系列神經(jīng)內(nèi)分泌標(biāo)志物,包括SYP ( Synaptophysin), CGA ( ChromograninA) 和CD56。當(dāng)移植到未去勢(shì)和去勢(shì)的小鼠,LTL331R 保留其NEPC 表型和雄激素非依賴性生長,這表明NEPC 轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定和不可逆性[14]。該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)胎盤基因PEG10(growth factor receptor bound protein 10)在轉(zhuǎn)化過程中表達(dá)顯著升高,NEPC 分化過程中PEG10 受AR 和E2F/RB 信號(hào)分子動(dòng)態(tài)調(diào)控,并且PEG10 促進(jìn)NEPC 細(xì)胞的增殖和侵襲[22]。同樣,Jongsma 等[23]將雄激素依賴性前列腺癌異種移植物PC-310,經(jīng)過長時(shí)間的雄激素剝奪處理后,也可分化出現(xiàn)NEPC 表型。
AVPC 的主要特征是形成轉(zhuǎn)移性前列腺癌,目前尚無有效的治療方法,缺乏對(duì)疾病進(jìn)展機(jī)制的了解[7]。轉(zhuǎn)移的發(fā)生受腫瘤內(nèi)在因素和移植微環(huán)境的共同影響,在mCRPC 階段出現(xiàn)特征性成骨細(xì)胞骨轉(zhuǎn)移是造成PCa 發(fā)病和死亡的主要原因?,F(xiàn)有的前列腺癌PDX 模型少有骨轉(zhuǎn)移的發(fā)生,主要是因?yàn)镻ca 骨轉(zhuǎn)移的發(fā)生不僅受腫瘤內(nèi)在因素的影響(具有骨轉(zhuǎn)移潛能),而且受促進(jìn)腫瘤細(xì)胞亞群轉(zhuǎn)移的微環(huán)境控制[12]。MDA-PCa-118a 和 MDA-PCa-118b 均來自PCa 骨轉(zhuǎn)移標(biāo)本,移植于去勢(shì)的雄性裸鼠皮下可以生長,組織病理學(xué)分析顯示移植瘤周圍被成骨細(xì)胞組成的骨基質(zhì)包圍,骨與腫瘤交界處存在成骨細(xì)胞、鈣化基質(zhì)和破骨細(xì)胞[24]。注射到SCID 小鼠的股骨表現(xiàn)出強(qiáng)烈的成骨細(xì)胞反應(yīng),誘導(dǎo)新生骨形成,但沒有觀察到與臨床相似的骨轉(zhuǎn)移發(fā)生。將來自LuCaP 的PDX 腫瘤細(xì)胞直接注射到小鼠脛骨中,發(fā)現(xiàn)只有部分能在骨中增殖,同樣,該模型也不能自發(fā)地從皮下轉(zhuǎn)移到骨[25]。目前所有可用的成骨細(xì)胞骨轉(zhuǎn)移模型都是雄激素響應(yīng),但是,是否需要雄激素受體用于PCa 細(xì)胞誘導(dǎo)新骨形成,以及誘導(dǎo)的新骨如何影響PCa 細(xì)胞在骨的生長和存活,相應(yīng)機(jī)制尚不完全清楚,主要是因?yàn)楹苌儆心P椭噩F(xiàn)PCa 與骨的相互作用[15]。
目前針對(duì)NEPC 的治療效果不佳,由于缺乏相應(yīng)的轉(zhuǎn)化模型,無法深入研究NEPC 表觀遺傳特性,使得NEPC 臨床診斷變得困難[6]。如果能夠利用PDX 模型復(fù)制Pca 從腺癌到NEPC 的演變則可以深入揭示NEPC 的發(fā)生機(jī)制,評(píng)估腫瘤對(duì)NEPC 靶向藥物的反應(yīng),闡明Pca 進(jìn)展和治療抵抗的機(jī)制。KuCaP 和LuCaP 兩種系列PDX 模型雖然具有前列腺癌主要臨床特征,但未能有效體現(xiàn)NEPC 復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過程。由于臨床Pca 病人大部分通過治療存在雄激素依賴向非依賴的轉(zhuǎn)化,因此,理想的前列腺癌PDX 模型應(yīng)該是通過控制雄激素,模仿臨床的主要特征,即 CRPC 和 NEPC 復(fù)雜的轉(zhuǎn)換過程[23]。AR 信號(hào)是前列腺發(fā)育過程中上皮細(xì)胞分化所必需的因素,其抑制劑可促發(fā)前列腺癌細(xì)胞重編程,通過轉(zhuǎn)分化機(jī)制發(fā)展為NEPC。所以,AR 靶向藥物用于CRPC 的治療,在提高病人存活期的同時(shí),大多數(shù)患者會(huì)產(chǎn)生耐藥,誘導(dǎo)NEPC 和AVPC 的發(fā)生。新型的AR 靶向藥物阿比特龍(或是恩雜魯胺)被批準(zhǔn)用于臨床 CRPC 的治療,但大多數(shù)患者會(huì)誘導(dǎo)NEPC 和 AVPC 前列腺癌的發(fā)生,產(chǎn)生耐藥性[7]。因此,AR 靶向抑制劑可誘導(dǎo)前列腺癌PDX 模型發(fā)生NEPC 和 AVPC 轉(zhuǎn)化。
根據(jù)基因型特征篩選具有轉(zhuǎn)移潛能的前列腺癌標(biāo)本可能促發(fā)骨轉(zhuǎn)移。Y 染色體特有的去甲基酶JARIDID 具有抑制前列腺癌侵襲的作用,其機(jī)制為JARIDID 可特異性結(jié)合侵襲轉(zhuǎn)移相關(guān)基因的啟動(dòng)子,抑制轉(zhuǎn)移的發(fā)生,實(shí)驗(yàn)證實(shí)在轉(zhuǎn)移性 Pca 中JARID1D 的表達(dá)通常是缺失的[26-27]。單胺氧化酶A(monoamine oxidase A,MAOA)是線粒體膜結(jié)合酶。已證實(shí)MAOA 是通過激活腫瘤基質(zhì)中的旁分泌Shh 信號(hào),成為臨床上PCa 骨和內(nèi)臟轉(zhuǎn)移的重要介質(zhì)[28]。MAOA 通過刺激IL-6 從成骨細(xì)胞釋放,利于骨微環(huán)境中的腫瘤細(xì)胞生長,并通過成骨細(xì)胞產(chǎn)生核因子κ B 受體活化因子配體RANKL(receptor activator of nuclear factor-κ B ligand)和 IL-6 活化破骨細(xì)胞,觸發(fā)骨骼定植[29]。已證實(shí)MAOA 高表達(dá)的前列腺癌標(biāo)本具有強(qiáng)的骨轉(zhuǎn)移潛能。成纖維細(xì)胞生長因子9(fibroblast growth factor 9,FGF9)是FGF 家族的成員之一,在前列腺癌細(xì)胞中表達(dá)[30]。骨轉(zhuǎn)移標(biāo)本MDA PCa 118a 和118b 植入后SCID 小鼠股骨后誘導(dǎo)了強(qiáng)烈的成骨反應(yīng),基因表達(dá)譜顯示FGF9 是上調(diào)最多的基因,誘導(dǎo)成骨細(xì)胞增殖[22]。聯(lián)合進(jìn)行上述三個(gè)基因的篩查可能獲得高轉(zhuǎn)移潛能的PDX 模型
前列腺癌轉(zhuǎn)移的發(fā)生與移植微環(huán)境密切相關(guān)。無論是小鼠腎包膜移植還是皮下移植,都少有骨轉(zhuǎn)移的發(fā)生。Wang 等[31]報(bào)道將Pca 患者的腫瘤組織移植到補(bǔ)充有睪酮的雄性NOD-SCID 小鼠腎包膜。連續(xù)移植5 次后,將瘤組織移植到小鼠前列腺中,將淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移灶(Pca-met-1)再次移植小鼠前列腺中,可發(fā)生多個(gè)器官轉(zhuǎn)移,包括肺、肝、淋巴結(jié)和骨,出現(xiàn)溶骨現(xiàn)象,AR 和PSA 的表達(dá)與原發(fā)瘤一致,提示前列腺原位移植是促發(fā)Pca 骨轉(zhuǎn)移的重要條件。
與其他腫瘤相比,前列腺癌PDX 模型數(shù)量較少,能夠形成一系列模擬疾病進(jìn)展的模型更有限,且關(guān)于前列腺癌PDX 模型的數(shù)據(jù)庫尚不完善。雖然AR 信號(hào)是調(diào)控Pca 異質(zhì)性轉(zhuǎn)化的重要因素,但缺乏其調(diào)控骨轉(zhuǎn)移的直接證據(jù),主要是缺乏與臨床相近的Pca 模型來動(dòng)態(tài)展示雄激素依賴到非依賴直至骨轉(zhuǎn)移的發(fā)生。
已報(bào)道的KuCaP 系列和LuCaP 系列PDX 模型也具有部分臨床轉(zhuǎn)化特征,但均為各個(gè)階段的孤立模型,形成不同的系列組合,不能完整反映Pca 臨床轉(zhuǎn)化進(jìn)程,且未發(fā)生骨轉(zhuǎn)移;上述模型的標(biāo)本來自進(jìn)展性或轉(zhuǎn)移病人,僅代表一小部分癌癥表型,不能完全概括其異質(zhì)性[27];一些模型缺乏Pca 細(xì)胞的標(biāo)志,如 AR 和 PSA 的表達(dá)[6]。因此,完整的模擬臨床特征的動(dòng)物模型應(yīng)反映PCa 進(jìn)展的早期階段至晚期直至轉(zhuǎn)移期的生物學(xué)特性,包括CRPC 的發(fā)生、從腺癌到NEPC 的轉(zhuǎn)化以及轉(zhuǎn)移的發(fā)生,特別是同一標(biāo)本能夠誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的全部過程,獲得配對(duì)比較模型,用于基因型和表型的比較研究,探索其異質(zhì)性發(fā)生的機(jī)制。