李丹宇 周黎明
(四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué),華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院藥理教研室,四川 成都 610041)
惡性腫瘤已成為全球僅次于心血管疾病的死亡原因,據(jù)國際癌癥研究機構(gòu)研究估計,2018年,全球范圍內(nèi)將會有1810萬癌癥新發(fā)病例和960萬癌癥死亡病例。對于整體人群來講,肺癌是最常見的癌癥類型(占整體的11.6%),也是癌癥死亡的主要原因(占癌癥總死亡數(shù)的18.4%)[1]。其中,根據(jù)我國2014年登記數(shù)據(jù),全國惡性腫瘤新發(fā)病例數(shù)380.4萬例,死亡病例229.6萬例。臨床上,部分患者癌癥在發(fā)現(xiàn)時已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)移,其成為患者死亡的主要原因。肺是惡性腫瘤轉(zhuǎn)移最高發(fā)的器官,全身組織器官的腫瘤基本都可以通過血行播散、淋巴道轉(zhuǎn)移或鄰近器官直接侵犯轉(zhuǎn)移到肺。由于目前腫瘤轉(zhuǎn)移確切機制尚不明確,針對其有效靶向防治手段的缺失,故建立理想的實驗動物模型,成為研究肺轉(zhuǎn)移瘤分子機制、防治方法等的重要部分。本文對現(xiàn)有的腫瘤肺轉(zhuǎn)移實驗動物模型進行綜述,從建模方法、實驗動物品系、肺轉(zhuǎn)移率等方面分析比較五種建模方法的優(yōu)缺點,并對其最新應(yīng)用進行概述。
尾靜脈注射法即將腫瘤細(xì)胞懸液通過尾靜脈直接注入小鼠體內(nèi),其為目前應(yīng)用最廣泛的建模方法。
在對乳腺癌肺轉(zhuǎn)移進行研究時,給C3H小鼠(4~5周齡)尾靜脈注射C3H小鼠非自發(fā)性乳腺癌細(xì)胞懸液,細(xì)胞數(shù)為2*106個/只,d15開始,模型組小鼠的體重開始呈下降趨勢,d30模型組小鼠未見死亡,肺轉(zhuǎn)移率87.5%,肉眼可見肺部清晰轉(zhuǎn)移灶[2,3]。龔宏霞[4]等用Balb/c裸鼠(雌性,6周齡)建模,同樣有較高肺轉(zhuǎn)移率(100%)。將小鼠乳腺癌4T1-luc細(xì)胞懸液1*105個/只,尾靜脈注入,21d后肺組織包埋切片,病理組織學(xué)診斷為浸潤性癌。曹讓娟[5]等用SCID小鼠(雌性,4~6周齡)建模。因人乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞株形成的肺轉(zhuǎn)移為肺部彌散性浸潤難以量化評價,故用其穩(wěn)定表達(dá)綠色熒光蛋白(GFP)的細(xì)胞系:MDA-MB-231-GFP。以細(xì)胞數(shù)1.5*106個/只,將細(xì)胞懸液尾靜脈注入小鼠體內(nèi)。5周后,肺部的轉(zhuǎn)移灶在488 nm 激發(fā)光波長下呈現(xiàn)綠色, 表明自發(fā)性肺轉(zhuǎn)移模型成功建立。
對于肝癌肺轉(zhuǎn)移模型,將小鼠肝癌H22細(xì)胞懸液1*106個/只,尾靜脈注入Balb/c小鼠(雄性,5~6周齡)。14d后小鼠存活率100%,肺轉(zhuǎn)移率100%,腫瘤轉(zhuǎn)移灶直徑在220μm左右,全肺平均轉(zhuǎn)移灶數(shù)為23個[6]。Ogawa[7]等用KSN裸鼠(雌性,8~10周齡)建模,他們分離出N1、L2、C2、C6、C1、C5F,6種小鼠肝癌細(xì)胞分別建模進行優(yōu)劣對比,尾靜脈注射細(xì)胞懸液細(xì)胞量為1*106個/只,5~6周處死。其中N1細(xì)胞(100%,肺轉(zhuǎn)移灶48.8±43.7個/cm2)、L2細(xì)胞(100%,肺轉(zhuǎn)移灶15.3±4.0個/cm2)造模成功率最高,C2細(xì)胞(67%,肺轉(zhuǎn)移灶4.7±5.5個/cm2)、C6細(xì)胞(25%,肺轉(zhuǎn)移灶1.6±2.9個/cm2)次之,C1細(xì)胞、C5F細(xì)胞肺轉(zhuǎn)移率為0。
李佳悅[8]等選用C57BL/6(6~7周齡,黑色)、KM(6~7周齡,白色)兩種品系的小鼠進行小鼠黑色素瘤B16細(xì)胞肺轉(zhuǎn)移建模。分別給兩種小鼠尾靜脈注射小鼠黑色素瘤B16細(xì)胞懸液1*106個/只。C57BL/6小鼠,12d出現(xiàn)死亡,15 d全部死亡,肺部結(jié)節(jié)直徑約0.3~3 mm,肺的顏色近乎黑。KM小鼠,22 d出現(xiàn)死亡,25 d全部死亡,局部瘤結(jié)節(jié)連接成線或密集成片。肺左葉上凸起直徑5mm的黑色腫瘤。B16細(xì)胞株在兩種小鼠均能穩(wěn)定建模,KM小鼠荷瘤時間更長,顏色對于黑色素瘤的觀察更有利。孟星君[9]等也選用C57BL/6品系(6~8周齡)的小鼠選用不同量B16F10細(xì)胞懸液,通過腹腔注射、尾靜脈注射、皮下注射三種方式,飼養(yǎng)不同時間進行對照實驗,尾靜脈注射實驗組轉(zhuǎn)移率可達(dá)100%,而腹腔注射及皮下注射的實驗組未發(fā)生肺轉(zhuǎn)移。其中當(dāng)細(xì)胞量為1*106個/只。
涎腺腺樣囊性癌是發(fā)生于涎腺的一種非常常見的惡性腫瘤,其重要特質(zhì)是嗜神經(jīng)侵襲。關(guān)曉峰[10]等用Balb/c裸鼠(雄性,3周齡)建立人涎腺腺樣囊性癌肺轉(zhuǎn)移模型。將人涎腺腺樣囊性癌ACC-M細(xì)胞懸液1*106個/只尾靜脈注入裸鼠體內(nèi),接種后3周內(nèi),腫瘤細(xì)胞夾破血管,在肺間質(zhì)內(nèi)形成微小轉(zhuǎn)移瘤。接種后4 周肉眼可見轉(zhuǎn)移灶。肉眼見轉(zhuǎn)移灶呈灰白色,半球狀。可位于肺膜下,亦可位于肺實質(zhì)內(nèi)。
由于操作方便、肺轉(zhuǎn)移率高(85%~100%),近幾年基于尾靜脈注射法建模,腫瘤肺轉(zhuǎn)移的防治方法的相關(guān)研究有了許多新突破。
皮下注射法即將腫瘤細(xì)胞懸液注入小鼠背部皮下或腋下,臨床上多用于肝素鈉皮下注射抗凝。此法雖操作方便簡單,但原位癌成瘤率低,故造模限制較多。
在建造乳腺癌肺轉(zhuǎn)移模型時,以皮下注射法建立自發(fā)性轉(zhuǎn)移模型。Balb/c裸鼠于左前肢腋下接種1.5*106個人乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞,8w后,肺部的轉(zhuǎn)移灶在488nm激發(fā)光波長下呈現(xiàn)綠色,說明造模成功[5]。
選用C57BL/6品系(6~8周齡)的小鼠,通過皮下注射進行黑色素瘤肺轉(zhuǎn)移建模實驗時,注入大量(3*106個/只)小鼠黑色素瘤B16F10細(xì)胞懸液,肺轉(zhuǎn)移率仍為0[9]。
對于肝癌肺轉(zhuǎn)移模型,Ogawa[7]等有一些新的發(fā)現(xiàn)。他們分離出的N1、L2、C2、C6、C1、C5F,6種小鼠肝癌細(xì)胞大量(5*106個/只)皮下注射法建模與尾靜脈注射法建模相比,各個細(xì)胞的肺轉(zhuǎn)移率及肺轉(zhuǎn)移灶數(shù)目都有了變化。首先,C1細(xì)胞(肺轉(zhuǎn)移率67%,肺轉(zhuǎn)移灶17.5±27.7個/cm2)、C5F細(xì)胞(肺轉(zhuǎn)移率89%,肺轉(zhuǎn)移灶46.1±56.5個/cm2)通過皮下注射法都成功建模,并且有不低的肺轉(zhuǎn)移率。其次,N1細(xì)胞(肺轉(zhuǎn)移率64%,肺轉(zhuǎn)移灶4.2±5.9個/cm2)、L2細(xì)胞(肺轉(zhuǎn)移率20%,肺轉(zhuǎn)移灶1.0±2.3個/cm2)肺轉(zhuǎn)移率明顯降低。最后,對比尾靜脈注射法,C2細(xì)胞(肺轉(zhuǎn)移率33%,肺轉(zhuǎn)移灶0.5±0.9個/cm2)肺轉(zhuǎn)移率有所下降,但C6細(xì)胞(肺轉(zhuǎn)移率50%,肺轉(zhuǎn)移灶1.4±2.2個/cm2)提高。
鼻咽癌是一種非常常見的惡性腫瘤,其發(fā)病快、病程短,研究其肺轉(zhuǎn)移模型也有一定的意義。選用BALB/c-nu 裸鼠(雌性,4~6周齡),皮下注射人鼻咽癌SUNE-1細(xì)胞2*106個/只,成瘤時間約10天,瘤重約2.2g,肺轉(zhuǎn)移率70%,每只肺轉(zhuǎn)移灶約45個[13]。
原位注射法即將腫瘤細(xì)胞懸液注入小鼠原發(fā)部位。例如將小鼠麻醉后,切開右側(cè)胸壁皮膚1cm,暴露第2對乳腺脂肪墊, 向其中注入細(xì)胞懸液[16]。此法雖操作困難,但由于腫瘤細(xì)胞能從原發(fā)癌灶侵入血循環(huán)到達(dá)肺組織,故許多研究選擇此法進行腫瘤肺轉(zhuǎn)移模型建模。
腎癌無明顯臨床癥狀,多數(shù)患者就診時已發(fā)生腫瘤遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移,肺為最常見轉(zhuǎn)移部位。Balb/c裸鼠(4~5周齡)為常選擇的建模動物。曾四平[17]等在裸鼠麻醉后,右側(cè)腰背部縱切口, 裸露右側(cè)腎包膜及腎臟, 將人腎癌SN12-PM6細(xì)胞懸液1*106個/只,種入裸鼠右腎實質(zhì)。5周后肺轉(zhuǎn)移率50%,7周轉(zhuǎn)移率達(dá)到100%,但肺大體形態(tài)未見明顯改變,顯微鏡下可見肺部為轉(zhuǎn)移灶,與腎臟移植瘤細(xì)胞形態(tài)一致。將人腎癌RCC-949細(xì)胞懸液1*106個/只,注入裸鼠左側(cè)腎包膜內(nèi),成瘤率40%,肺臟無轉(zhuǎn)移[18]。
骨肉瘤為死亡率和致殘率很高的原發(fā)性惡性骨腫瘤,初期癥狀不明顯,但晚期多會發(fā)生擴散轉(zhuǎn)移。建立具有人類骨肉瘤特性的動物模型,是研究和防治其的基礎(chǔ)。骨肉瘤肺轉(zhuǎn)移模型多采用后肢脛骨結(jié)節(jié)處穿刺至骨髓腔注射細(xì)胞懸液的方法。選用SD大鼠(3周齡)骨髓腔注射大鼠骨肉瘤UMR106細(xì)胞2*106個/只。轉(zhuǎn)移率100%,成瘤時間約10d,瘤灶多呈栗粒樣遍布雙肺,小而密集[19]。姜珍[20]將人骨肉瘤MG63(1.5*106個/只)、HOS(2*106個/只)細(xì)胞懸液骨髓腔注入BALB/c-nu/nu 裸鼠(3~5周齡)。MG63細(xì)胞6周原位成瘤率為 100%,且肺轉(zhuǎn)移率100%。HOS細(xì)胞組未出現(xiàn)原位瘤及肺轉(zhuǎn)移。
近年來,隨著我國居民飲食結(jié)構(gòu)及飲食習(xí)慣改變 ,我國結(jié)直腸癌的發(fā)病率和病死率均呈上升趨勢。結(jié)直腸癌患者中10%~15%會出現(xiàn)肺轉(zhuǎn)移。選用BALB/c裸鼠(5周齡),建造結(jié)直腸癌肺轉(zhuǎn)移模型。裸鼠被麻醉后,從右下腹開腹,使盲腸完全暴露于腹腔外,將2*106個/只人結(jié)直腸癌HCT116-luc細(xì)胞注入盲腸壁的黏膜與基層間,30d后,成瘤率58.33%,肺轉(zhuǎn)移率65.71%[21]。
乳墊注射是乳腺癌肺轉(zhuǎn)移模型建模時常選擇的建模方法。將人乳腺癌MDA-MB-435s細(xì)胞懸液2*105個/只,注射入SCID小鼠(雌性,16~20周齡)右側(cè)第二對脂肪墊內(nèi)。17周后小鼠存活率約為50%,轉(zhuǎn)移率100%,每只小鼠約有1~3個肺轉(zhuǎn)移灶, 直徑1~2mm[16]。Paschall[22]等選用Balb/c小鼠造模,他們同樣選擇給小鼠一側(cè)乳墊注射少量小鼠乳腺癌4T1-lu細(xì)胞懸液(1*104個/只),30 d后,肺轉(zhuǎn)移率達(dá)100%。他們還提出一種準(zhǔn)確計算肺結(jié)節(jié)的方法:將荷瘤小鼠的肺用印度墨水填充膨脹,固定在費克特溶液中,肺上的白點即為轉(zhuǎn)移結(jié)節(jié)。
異種移植肝癌轉(zhuǎn)移模型,即人肝癌種植于動物體內(nèi),觀察人肝癌在動物體內(nèi)發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)移的過程。我國建立了較多的人肝癌裸鼠模型,Tian J[23]等選用BALB/c-nu-nu裸鼠,肝內(nèi)接種人肝癌MHCC97細(xì)胞懸液>1*106個/只,接種35d后肺轉(zhuǎn)移率100%。Ogawa[7]等給 KSN裸鼠(雌性,8~10周齡)肝臟注射1*106個/只六種小鼠肝癌細(xì)胞懸液后(N1、L2、C2、C6、C1、C5F),自然死亡或5周處死后,只有C6細(xì)胞(肺轉(zhuǎn)移率50%,肺轉(zhuǎn)移灶1.2±1.7個/cm2)和C5F細(xì)胞(肺轉(zhuǎn)移率25%,肺轉(zhuǎn)移灶8.5±11.9個/cm2)造模成功。
原位注射法能很好的模擬人癌癥的轉(zhuǎn)移過程,故較多研究選擇此法建模。Suoyuan Li[24]等用Balb/c裸鼠骨髓腔內(nèi)注射細(xì)胞懸液,建立骨肉瘤肺轉(zhuǎn)移模型,研究納米凝膠(STP-NG)增強紫草素(SHK)的細(xì)胞內(nèi)傳遞,用于發(fā)揮抗肺轉(zhuǎn)移的作用。研究發(fā)現(xiàn)STP-NG/SHK能有效抑制腫瘤生長,降低肺轉(zhuǎn)移。Hong Zhang[25]等在乳墊注射細(xì)胞懸液,以Balb/c小鼠建模,研究發(fā)現(xiàn)奇異變形桿菌可以有效抑制體內(nèi)自發(fā)性乳腺癌肺轉(zhuǎn)移,并且其安全性也同時得到驗證。但此法也有操作困難、成瘤率及轉(zhuǎn)移率低、周期長等缺點限制其應(yīng)用。
應(yīng)用組織原位移植法建造肺轉(zhuǎn)移模型,即取肺部轉(zhuǎn)移瘤結(jié)節(jié),按常規(guī)制成2mm3小塊,移植于同系小鼠原發(fā)部位。與原位注射法相比,組織移植法成瘤時間更短,成瘤率更高,肺轉(zhuǎn)移率更高。
孫慧[26]等建立乳腺癌肺轉(zhuǎn)移模型,取TA2小鼠自發(fā)肺部轉(zhuǎn)移瘤結(jié)節(jié),制成2mm3小塊,移植于同系(8周齡)小鼠左側(cè)下腹乳腺區(qū)域,每只2塊。移植成活率100%,潛伏期平均4.78±0.49d,小鼠平均存活約57.71±13.83d,自發(fā)肺轉(zhuǎn)移率約55.84%
Quan Rao[27]等選擇C57BL/6野生型小鼠(6~8w齡)及Balb/c裸鼠(6~8w齡),分別建模進行比較。其取下皮下瘤后,從腫瘤中取出組織,切成1mm3碎片,植入小鼠肝左葉。C57BL6小鼠植入3~7周,局部生長、局部浸潤和肝臟自發(fā)轉(zhuǎn)移更加明顯,肺轉(zhuǎn)移率25%。裸鼠成瘤率88%,未發(fā)生肺轉(zhuǎn)移。這提示不同遺傳背景的受體小鼠可能會影響腫瘤的形成。
張玉俠[18]等對比了用原位注射法及組織移植法建立腎癌肺轉(zhuǎn)移模型。他們選取生長旺盛的皮下瘤組織, 剪成直徑約0.5 mm3的瘤塊, 將適量腫瘤組織移植于Balb/c裸鼠(4~5w齡)的腎包膜下。此法成瘤率為75%,肺轉(zhuǎn)移率為53.3%不論成瘤率還是轉(zhuǎn)移率,均高于原位注射法。
外科原位移植技術(shù)建立的前列腺癌模型, 可以較好地保留了腫瘤細(xì)胞的生物學(xué)習(xí)性。王元天[28]等建立人類前列腺癌裸鼠原位腫瘤模型,其選擇Balb/c裸鼠(4~6w齡,雄性),下腹切口,牽開膀胱和精囊, 剪開前列腺背側(cè)葉1 mm,將PC-3腫瘤組織塊放入被膜下。9~12w,該模型成瘤率90%,肺轉(zhuǎn)移率22.2%。肺轉(zhuǎn)移的大體標(biāo)本可見肺內(nèi)散在的腫瘤結(jié)節(jié), 鏡下可見小的癌巢。
此法建立模型原位癌成瘤率高,對周圍組織破壞強,但肺轉(zhuǎn)移率不高,且建模部位受限。故運用此法時多有改良。Chen Y L[29]等采用生物膠糊技術(shù)原位移植構(gòu)建人胃癌轉(zhuǎn)移裸鼠模型。用胃癌SGC-7901細(xì)胞,構(gòu)建移植的胃癌組織塊,用OB生物膠貼在BALB/C裸鼠胃壁上。將此創(chuàng)新方法與傳統(tǒng)胃囊法進行比較。此法原位移植成功率(100%)及肺轉(zhuǎn)移率(62.5%)更高。有效證實了此法更容易建立胃癌轉(zhuǎn)移模型,代表了臨床轉(zhuǎn)移過程。
PDX模型是一種將腫瘤患者的腫瘤組織移植至免疫缺陷型小鼠體內(nèi),并使腫瘤組織在小鼠體內(nèi)生長而構(gòu)建成的一種腫瘤模型。其建模方法為將10-20 mm3的患者來源的腫瘤組織碎塊移植到免疫缺陷小鼠皮下或體內(nèi)腫瘤原發(fā)部位,大多選擇NOD-SCID小鼠構(gòu)建模型。PDX模型建模時間相對較長(2~16個月),且原代移植成功率較低。但其移植的腫瘤組織并沒有經(jīng)過任何人工培養(yǎng),所以其生物學(xué)特性保持的更加完整,從而與臨床相似度更高,是現(xiàn)階段最理想的腫瘤動物模型。
肖凱[30]等構(gòu)建了一種肺癌PDX標(biāo)準(zhǔn)化模型庫。其步驟大致如下:(1)將中國患者新鮮腫瘤組著標(biāo)本分為三個部分(a.快速液氮冷凍,用于提取DNA/RNA;b.福爾馬林固定,石蠟包埋,用于病理學(xué)檢查;c.無菌條件下切成10~20mm3腫瘤組織塊,通過套管針皮下植入到免疫缺陷小鼠);(2)使用生長因子輔助免疫缺陷小鼠腫瘤細(xì)胞增長,待腫瘤長至一定體積(500~1500 mm3),對移植腫瘤進行體內(nèi)傳代;(3)腫瘤組織病理學(xué)鑒定;(4)基因分子遺傳學(xué)鑒定。該法腫瘤體積與移植時間呈正比,第45d平均約為1000mm3。
為了預(yù)測肺癌有效的肝素化治療,Amit Katz[31]等構(gòu)建非小細(xì)胞肺癌(腺癌及鱗癌)PDX模型。手術(shù)樣本(3h內(nèi))切割為2~3mm小片,經(jīng)皮下植入小鼠側(cè)腹。觸診當(dāng)腫瘤直徑達(dá)到1~1.5cm,切除腫瘤,切割為2~3mm小片,重新植入二代小鼠皮下。10~20d后腫瘤可觸及。其中,建模成功率鱗癌(85%)顯著高于腺癌(37%)。
Fichtner[32]等研究發(fā)現(xiàn),在靶向治療中,患者源性非小細(xì)胞肺癌異種移植模型可以作為預(yù)測性分層生物標(biāo)志物。其腫瘤組織標(biāo)本來源于非小細(xì)胞癌患者(鱗癌、腺癌及多表型癌)。手術(shù)腫瘤標(biāo)本切成3-4mm的碎片,根據(jù)患者性別選擇小鼠,在30分鐘內(nèi)移植于NOD-SCID小鼠皮下。觀察小鼠生長情況,當(dāng)腫瘤體積達(dá)到1cm3時切除腫瘤,傳代至裸鼠。總移植率25%,其中腺癌占24%,鱗癌占48%,其余為多表型癌。此研究建立了廣泛的病人源性非小細(xì)胞肺癌異種移植物模型,為臨床前新藥測試提供了適當(dāng)模型。
對于肺癌患者來說,最初化療方案的選擇至關(guān)重要。為了給患者提供有效的個性化治療,現(xiàn)需要可靠及可快速反應(yīng)的模型工具。Xin Dong[33]等建立了患者源性第一代非小細(xì)胞肺癌異種移植模型。將新鮮腫瘤組織切成1*3*3 mm3小塊,腎包膜移植于NOD-SCID小鼠(6~8周齡),28d后分組用藥,8周后評估藥物作用,發(fā)現(xiàn)不同藥物應(yīng)答率有差別,總體移植成功率為90%。此模型適用于快速評估(6-8周)患者癌癥的藥物化學(xué)敏感性,有望應(yīng)用于非小細(xì)胞肺癌患者的個性化化療。
腫瘤肺轉(zhuǎn)移模型是進行腫瘤科學(xué)研究的重要手段和平臺,根據(jù)腫瘤本身特點和實驗需求選擇合適的建模方法,對腫瘤肺轉(zhuǎn)移的發(fā)生特點、轉(zhuǎn)移機制、診斷及治療的研究具有十分重要的意義。對于腫瘤轉(zhuǎn)移的研究以及抗轉(zhuǎn)移治療,可將模型建造與其他技術(shù)手段結(jié)合起來,為其研究創(chuàng)建更好的平臺。例如運用活體成像技術(shù)來監(jiān)測腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移。Masaki[34]等應(yīng)用熒光素酶標(biāo)記癌細(xì)胞,實時在體外及非手術(shù)條件下監(jiān)測癌細(xì)胞的生長,彌補了傳統(tǒng)試驗方法的不足。基因的檢測和篩選是研究轉(zhuǎn)移癌的機制必不可少的手段。Shi Zhongju[35]等分析骨肉瘤原發(fā)性腫瘤和肺轉(zhuǎn)移瘤中的高通量基因表達(dá)獲得了差異表達(dá)基因。建立蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò),分析鑒定出2493個差異表達(dá)基因及骨肉瘤轉(zhuǎn)移十大核心基因,核心基因?qū)ο乱徊津炞C骨肉瘤肺轉(zhuǎn)移相關(guān)通路有重要意義。