多区域非小细胞肺癌患者衍生异种移植模型中基因组水平瘤内肿瘤异质性的表现

2024-06-07 Fri
多区域非小细胞肺癌患者衍生异种移植模型中基因组水平瘤内肿瘤异质性的表现学术背景与研究动机患者衍生异种移植（Patient-Derived Xenograft，PDX）模型在癌症研究中被广泛应用。PDX模型通过将人类肿瘤移植到免疫缺陷小鼠体内进行繁殖。因此，PDX模型被认为比传统的细胞系更能模拟肿瘤的生物学特性，它们保留了体内细胞-细胞间和/或细胞-基质间的相互作用、三维结构及其较新的衍生特性。很多研究显示，PDX模型的药物反应与患者个体或患者群体的药物反应一致，这使得PDX模型被用于个体化医学和临床前药物试验中，成为癌症生物学的重要模型。
然而，PDX模型的基因组保真度（Fidelity）对于其在临床前肿瘤学应用中的重要性不言而喻。其中一个关键问题是这些模型在基因层面上能否准确反映原发肿瘤的异质性（Heterogeneity）。在此背景下，罗伯特·E·Hyde等研究人员尝试系统性地评估PDX模型在非小细胞肺癌（Non-Small Cell Lung Cancer，NSCLC）中的基因组表征。
研究来源与作者这篇研究由罗伯特·E·Hyde、Ariana Huebner、David R. Pearce等共同撰写，主要研究人员分别来自几个不同的研究机构，如University College London，Francis Crick Institute等。这篇论文发表在《Nature Communications》上，接受时间为2024年3月28日。
研究方法与流程该研究基于调查来自于TRACERx研究项目的22名患者的48个PDX模型，其具体流程包括以下几个步骤：
多区域肿瘤取样与PDX模型建立：
使用定义的取样协议，研究人员从原发NSCLC的多个区域取样，并通过皮下注射法在NOD SCID Gamma (NSG)小鼠中创建PDX模型。研究团队从患者区域特异的肿瘤样本中制作PDX模型，并观察这些模型的植入成功率及其传代扩展的时间特性。
全外显子测序（Whole-Exome Sequencing, WES）：
初代（P0）PDX模型与传代三次的PDX模型（P3）及其匹配的原发肿瘤样本的WES数据比较，使得研究人员能够分析肿瘤样本与PDX模型之间的基因异质性。WES 数据处理不光涉及序列比对和变异检测，还引入了一个适应性老鼠参考基因组来分离来自小鼠的读数。
基因组瓶颈和异质性分析：
研究表明，在PDX模型建立过程中，往往会出现基因组瓶颈现象（Genomic Bottleneck），PDX模型通常会代表单一肿瘤子克隆，虽然独立模型中能代表不同的肿瘤亚克隆。这个瓶颈限制了PDX模型全面反映肿瘤内异质性的能力。
信号滤除与数据分析：
特别开发了一个NSG-适用的参考基因组，以有效地过滤掉由于样本中存在小鼠DNA所带来的背景信号。此外，数据分析使用多种工具和算法如BamCpm、GATK、Somatic Variants，进一步确保实验数据的高质量和准确性。
主要研究结果PDX模型的建立与扩展：
成功率约为33.1%，在患者层面为50.0%。多区域取样显著提升了所有病理亚型的模型建立成功率。其中，对于初代P0 PDX模型的平均增长时间为85天，而随着传代次数的增加，PDX模型的增长速度加快，P1-P3的中位增长时间为51天。
Histological一致性：
大部分PDX模型在组织学特性上与原发肿瘤保持高度一致。但在少数情况下，这些模型在初代P0或传代P3中出现了组织学差异，如肾透明细胞成分的增多和上皮细胞分化的变化。
基因组学分析：
PDX建模是以单一或多个克隆的形式进行的。研究发现，PDX模型与其原始肿瘤区域相比表现出显著的基因差异。部分原因在于PDX建模过程中的瓶颈效应，导致单一子克隆主导整个PDX模型的局面。此外，还发现PDX模型在传代过程中依然存在一定的基因变异和进化。
基因组相似度：
研究计算了突变距离和拷贝数距离，结果显示P0 PDX模型与其原始肿瘤区域的基因组相似度最高，而传代三次后的P3 PDX模型表现出的变异主要归因于传代过程中的基因进化。
研究结论与价值该研究得出的主要结论有以下几点：
1. PDX模型的局限性：
单一PDX模型往往不能完整再现原发肿瘤的基因组异质性，特别是在存在多个肿瘤子克隆的情况下。这一瓶颈现象在模型建立初期尤为明显。
多区域取样的重要性：
PDX模型的多区域取样显著增加了解PDX模型代表肿瘤内异质性的能力。建立反映不同原发肿瘤区域的多种PDX模型将有助于全面捕获肿瘤的内在异质性。
建模与分析方法的优化：
为了保障PDX数据的准确性，研究开发了适应性老鼠参考基因组这一创新工具，提高了PDX数据的准确性和可行性。
研究亮点该研究在方法学上的创新，如开发NSG适应参考基因组，以及对于PDX模型在基因组保真度上的系统性评估，具有重要的学术贡献。其结论为PDX模型在临床前研究和个体化医学中的应用提供了新的视角和依据。