역형성 갑상선 암종 및 두경부 편평 세포 암종의 환자 유래 이종 이식 모델의 확립 및 특성화

요약

PDX 모델이 중개 종양학 분야에서 빠르게 표준이 되고 있기 때문에 현재 프로토콜은 역형성 갑상선 암종(ATC) 및 두경부 편평 세포 암종(HNSCC)의 환자 유래 이종이식(PDX) 모델을 설정하고 특성화합니다.

초록

환자 유래 이종이식(PDX) 모델은 원발성 종양의 조직학적 및 유전적 특성을 충실히 보존하고 이질성을 유지합니다. PDX 모델을 기반으로 한 약력학 결과는 임상 실습과 높은 상관관계가 있습니다. 역형성 갑상선암(ATC)은 갑상선암의 가장 악성 아형으로 침습성이 강하고 예후가 좋지 않으며 치료가 제한적입니다. ATC의 발병률은 갑상선암의 2%-5%에 불과하지만 사망률은 15%-50%로 높습니다. 두경부 편평 세포 암종(HNSCC)은 가장 흔한 두경부 악성 종양 중 하나이며 매년 전 세계적으로 600,000건 이상의 새로운 사례가 발생합니다. 여기서는 ATC 및 HNSCC의 PDX 모델을 확립하기 위한 세부 프로토콜을 제시합니다. 본 연구에서는 모델 구축 성공률에 영향을 미치는 핵심 요인을 분석하고, PDX 모델과 원발성 종양 간의 조직병리학적 특징을 비교하였다. 또한, 성공적으로 구축된 PDX 모델에서 대표적인 임상적으로 사용된 약물의 생체 내 치료 효능을 평가함으로써 모델의 임상적 관련성을 검증하였다.

서문

PDX 모델은 인간 종양 조직을 면역결핍 마우스에 이식하여 마우스가 제공하는 환경에서 성장시키는 동물 모델이다¹. 전통적인 종양 세포주 모델은 이질성의 결여, 종양 미세 환경을 유지할 수 없음, 반복적인 시험관 내 계대 동안 유전적 변이에 대한 취약성, 열악한 임상 적용과 같은 몇 가지 단점을 가지고 있습니다 ^2,3. 유전자 조작 동물 모델의 주요 단점은 인간 종양의 게놈 특징의 잠재적 손실, 알려지지 않은 새로운 돌연변이의 도입, 마우스 종양과 인간 종양 사이의 상동성 정도를 식별하기 어렵다는 것이다⁴. 또한, 유전자 조작 동물 모델의 준비는 비용이 많이 들고, 시간이 많이 소요되며, 상대적으로 비효율적이다⁴.

PDX 모델은 종양 이질성을 반영한다는 점에서 다른 종양 모델에 비해 많은 이점을 가지고 있습니다. 조직병리학의 관점에서, 마우스 대응물이 시간이 지남에 따라 인간 기질을 대체하지만, PDX 모델은 원발성 종양의 형태학적 구조를 잘 보존합니다. 또한, PDX 모델은 적어도 4세대 동안 원발성 종양의 대사체적 동일성을 보존하고 종양 세포와 미세 환경 사이의 복잡한 상호 관계를 더 잘 반영하여 인간 종양 조직의 성장, 전이, 혈관신생 및 면역억제를 시뮬레이션하는 데 있어 독특합니다 ^5,6,7. 세포 및 분자 수준에서, PDX 모델은 유전자 발현 패턴, 돌연변이 상태, 복제 수, DNA 메틸화 및 단백질체학을 포함한 원래 암의 표현형 및 분자 특성뿐만 아니라 인간 종양의 종양 간 및 종양 내 이질성을 정확하게 반영한다 ^8,9. 상이한 계대(passage)를 갖는 PDX 모델은 약물 요법에 대해 동일한 민감도를 가지며, 이는 PDX 모델의 유전자 발현이 매우 안정적임을 나타낸다^10,11. 연구에 따르면 약물에 대한 PDX 모델의 반응과 해당 약물에 대한 환자의 임상 반응 사이에 우수한 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다^12,13. 따라서 PDX 모델은 특히 약물 스크리닝 및 임상 예후 예측을 위한 강력한 전임상 및 중개 연구 모델로 부상했습니다.

갑상선암은 내분비계에서 흔히 발생하는 악성 종양으로, 최근 몇 년 동안 발병률이 급격히 증가하고 있는 인간 악성 종양이다¹⁴. 역형성 갑상선암(Anaplastic thyroid carcinoma, ATC)은 갑상선암의 가장 악성 종양으로, 환자 생존 평균 기간은 4.8개월에 불과하다¹⁵. 중국에서는 매년 소수의 갑상선암 환자만이 ATC 진단을 받지만 사망률은 100%에 가깝습니다^16,17,18. ATC는 일반적으로 빠르게 성장하여 경부 림프절뿐만 아니라 목의 인접 조직을 침범하며 환자의 약 절반이 원격 전이를 앓고 있습니다^19,20. 두경부 편평 세포 암종(HNSCC)은 세계에서 6번째로 흔한 암이며 암 사망의 주요 원인 중 하나이며 매년 약 600,000명이 HNSCC를 앓고 있습니다^21,22,23. HNSCC는 코, 부비동, 입, 편도선, 인두 및 후두를 포함하여 많은 수의 종양을 포함합니다²⁴. ATC와 HNSCC는 주요 두경부 악성 종양 중 두 가지입니다. 새로운 치료제 및 개인 맞춤형 치료제 개발을 촉진하기 위해서는 ATC 및 HNSCC의 PDX 모델과 같은 강력하고 진보된 전임상 동물 모델의 개발이 필요합니다.

본 논문에서는 ATC와 HNSCC의 피하 PDX 모델을 확립하는 상세한 방법을 소개하고, 모델 구성에서 종양 흡수율에 영향을 미치는 주요 요인을 분석하고, PDX 모델과 원발성 종양 간의 조직병리학적 특성을 비교한다. 한편, 본 연구에서는 임상적 타당성을 검증하기 위해 성공적으로 구축된 PDX 모델을 사용하여 생체 내 약력학 시험을 수행하였다.

프로토콜

모든 동물 실험은 쓰촨 대학교 화기병원 기관동물관리위원회에서 승인한 실험동물관리 평가 및 인증 협회 지침 및 프로토콜에 따라 수행되었습니다. 4-6주령의 NOD-SCID 면역결핍 마우스(남녀 모두)와 4-6주령의 암컷 Balb/c 누드 마우스를 본 연구에 사용했습니다. 동물들은 상업적 공급원으로부터 입수하였다 ( 재료의 표 참조). West China Hospital의 윤리 위원회는 인간 피험자를 대상으로 한 연구를 승인했습니다(프로토콜 번호 2020353). 각 환자는 서면 동의서를 제공했습니다.

1. 실험 준비

1. 일회용 칼날, 멸균 가위와 핀셋, 종양 이식에 필요한 기타 도구를 배치하고 초청정 작업대에 올려 놓고 사전에 자외선을 조사합니다.
2. 시험 중에 사용할 멸균 식염수와 페트리 접시를 준비하십시오.

2. 신선한 종양 조직의 획득 및 수송

1. 수술실에서 신선한 종양 샘플(일반적으로 크기가 5mm x 5mm보다 큼)을 채취하여 멸균 HTK 용액( 재료 표 참조) 또는 식염수가 들어 있는 15mL 또는 50mL 원심분리기 튜브에 넣습니다. 원심분리기 튜브에 라벨을 붙입니다.
   참고: ATC 또는 HNSCC 환자로부터 외과적 제거 또는 천자를 통해 신선한 종양 샘플을 얻었습니다.
2. 미리 준비된 아이스 박스에 원심분리기 튜브를 넣습니다.
   참고: 이 기간 동안 이식 작업자는 이식에 필요한 품목을 준비해야 합니다( 재료 표 참조).
3. PDX 구성을 위해 샘플을 채취한 후 실험실로 운송하는 데 걸리는 시간이 2시간을 초과하지 않도록 합니다. 운반하는 동안 조직 활동을 보존하기 위해 조직이 들어 있는 튜브를 얼음-물 혼합물 또는 얼음 팩으로 둘러쌉니다.

3. 종양 이식

1. 종양 조직이 실험실에 도착하면 기록하고 번호를 다시 매깁니다.
   참고: 본 연구를 위해 환자 정보는 엄격하게 기밀로 유지되었습니다. 절차의 나머지 단계는 생물안전성 레벨 2(BSL-2) 실험실에서 수행되었습니다. 실험실에 들어갈 때는 작업복이나 보호복 위에 작업복을 착용하고 모자와 마스크를 착용하는 것이 좋습니다. 종양 조직의 치료는 생물 안전 캐비닛에서 수행됩니다.
2. 종양 조직이 들어있는 원심 분리기 튜브를 75 % 알코올로 소독하고 수술대에 놓습니다. 멸균 된 안과 겸자를 사용하여 종양 조직을 식염수로 채워진 6cm 페트리 접시로 옮깁니다. 그런 다음 칼날을 사용하여 약 2mm x 2mm 및 3mm x 3mm의 작은 조각으로 자릅니다.
3. 종양 조직 조각을 적당량의 식염수가 들어있는 6cm 페트리 접시에 옮기고 밀봉 필름으로 접시를 싸서 아이스 박스에 넣고 필요한 도구 (가위, 집게 및 접종 바늘).
4. 아래 단계에 따라 동물을 준비하십시오.
   1. 4-6주령 암컷 또는 수컷 NOD-SCID 면역결핍 마우스의 오른쪽 외측 흉부의 털을 제거하고 75% 알코올로 피부를 소독합니다. 80mg/kg 케타민과 10mg/kg 자일라진( 재료 표 참조)을 복강내 주사하여 마우스를 마취시키고 건조를 방지하기 위해 수의사 연고로 눈을 닦습니다. 페달 반사 상실을 통해 마취 깊이를 확인합니다.
   2. 생쥐의 오른쪽 측면 흉부 중앙에 있는 피부를 가위로 2mm 절개합니다.
5. 페트리 접시에서 종양 조각을 꺼내 집게로 2.4mm x 2.0mm 투관침 바늘( 재료 표 참조)에 넣습니다.
6. 마우스를 잡고 천자 부위의 피부를 조이고 종양 조각이 들어 있는 투관침을 사용하여 초기 2mm 피부 절개를 통해 종양을 삽입하고 어깨 뒤쪽으로 이동한 다음 투관침 코어를 밉니다.
7. 종양 조각이 밖으로 밀려나고 투관침 천자에 의해 형성된 과도기 부비동에 남아 있는지 확인한 다음 투관침을 빼냅니다.
8. 종양이 빠져 나올 때 바늘과 함께 움직이면 투관침을 사용하여 재설정하고 절개 부위를 봉합하십시오.
   참고: 이 연구에서는 각 마우스를 등쪽 앞다리와 뒷다리에 접종했습니다. 종양 크기에 기초하여 각 환자로부터 종양 샘플 당 1 내지 3마리의 마우스를 접종하였다.

4. 종양 조직 보존, 고정 및 단백질 동결

참고: 나머지 종양 조직은 각각 종자 보존, 고정 및 DNA/RNA/단백질 동결에 사용되었습니다.

1. 종양 표면이 과도하게 젖지 않도록 냉동 보존 튜브에 넣기 전에 멸균 거즈로 종양 표면에서 식염수를 제거합니다.
2. 2 mL 세포 동결 보존 튜브에 2 mm x 2 mm 종양 조직 4-6 개를 넣고 90 % 소 태아 혈청 (FBS)과 10 % 디메틸 설폭 사이드 (DMSO)로 구성된 동결 보존 용액 1 mL를 튜브에 넣고 튜브를 그라데이션 냉각 상자에 넣고 -80 °C에서 밤새 동결시킨 후 마지막으로, 액체 질소로 옮깁니다.
3. 병리학적 검사를 위한 조직 고정을 위해 3mm x 3mm 종양 조직 블록을 10% 완충 포르말린에 넣습니다.
4. 3mm x 3mm 조직 블록을 2mL 세포 동결 보존 튜브에 넣고 액체 질소로 빠르게 동결한 다음 DNA/RNA 및 단백질 추출을 위해 -80°C 냉장고로 옮깁니다.
5. HNSCC 환자의 흡연 이력, 종양 크기, 분화, 병리학적 아형, 암 등급, 암 병기, 원격 전이, 기원, 병력, 면역조직화학, 인유두종바이러스(HPV) 감염 및 치료 약물과 같은 환자의 임상 정보를 수집합니다.

5. PDX 모델 종양의 계대배양, 냉동보존 및 소생술

1. 일주일에 한 번 버니어 캘리퍼스를 사용하여 마우스의 피하 종양의 길이와 너비를 측정하고 다음 공식에 따라 종양 부피를 계산합니다 : 종양 부피 = 0.5 × 길이 × 너비². 종양 성장 곡선을 그립니다.
2. PDX 종양이 2,000^mm3에 도달하면, 이를 차세대 마우스로 계대시키고, 종양 재이식을 시행한다. 4단계에 따라 기기 준비를 수행합니다.
3. 80mg/kg 케타민으로 마취한 후 자궁경부 탈구로 마우스를 안락사시킵니다.
4. 75 % 알코올로 피부를 소독하십시오. 그런 다음 가위로 종양 주위의 피부를 자른 다음 집게로 종양을 제거하고 페트리 접시에 넣습니다.
5. 3 단계에 따라 종양 이식 절차를 수행하십시오.
6. 단계 4에 따라 PDX 모델 종양의 보존 및 냉동 보존을 수행합니다.
7. 종양 조직의 소생술을 위해서는 천천히 얼고 빠르게 용해되는 원리를 따르십시오. 액체 질소에서 극저온 액체를 꺼낸 후 빠른 용해를 위해 37°C의 수조에 빠르게 넣습니다.
8. 해동 과정을 가속화하기 위해 수조에서 극저온 액체를 부드럽게 흔듭니다.
9. 해동하고, 세척을 위해 준비된 생리 식염수로 종양 조각을 옮긴 다음, 다음 세대의 마우스를 접종하십시오. 구체적인 수술은 3단계의 조직 이식 시술을 참고하시기 바랍니다.

6. ATC PDX 모델에서 렌바티닙과 시스플라틴의 치료 효능 결정

참고: ATC PDX 모델을 사용하여 티로신 키나제 억제제 렌바티닙과 화학요법 약물인 시스플라틴^25,26,27의 치료 효과를 테스트했습니다.

1. ATC PDX 모델(THY-017)의 P5 생성 종양 조직을 선택하고 2-4mm³ 개의 조직 조각으로 절단하고 4-6주 암컷 Balb/c 누드 마우스 10마리의 오른쪽 등에 피하 접종(3단계)합니다.
2. 종양 부피가 50-150 mm³ 인 15 마리의 마우스를 선택하고 세 그룹으로 나눕니다.
3. 1군에 렌바티닙(10mg/kg)을 1일 1회 15일간 위주사하고, 시스플라틴(3mg/kg)을 3일에 한 군에 복강주사하여 총 6회 투여하고, 대조군에게는 동일한 용량의 생리식염수를 투여한다.
4. 일주일에 두 번 마우스의 체중과 종양 부피를 측정합니다.
5. 시험이 끝나면 마우스를 안락사시키고(단계 5.3), 종양의 무게를 잰다.

결과

총 18개의 갑상선암 검체를 이식하여 미분화 갑상선암 4건과 역형성 갑상선암 1건을 포함하여 5개의 갑상선암 PDX 모델을 성공적으로 구축했습니다(종양 발생률 27.8%). 모델 구축 성공률과 연령, 성별, 종양 직경, 종양 등급 및 분화 간의 상관관계를 분석하였다. 4등급 종양 샘플의 모델 성공률은 등급이 낮은 샘플보다 높았고, 미분화 종양 샘플의 성공률도 고도로 분화된 샘플의 성공률보다 높았지만...

토론

이 연구는 ATC 및 HNSCC의 피하 PDX 모델을 성공적으로 확립했습니다. PDX 모델 구축 과정에서 주의해야 할 측면이 많다. 종양 조직이 환자에게서 분리되면 가능한 한 빨리 아이스 박스에 넣고 접종을 위해 실험실로 보내야합니다. 종양이 실험실에 도착한 후 작업자는 멸균 필드를 유지하고 무균 절차를 수행하는 데주의를 기울여야합니다. 바늘 생검 샘플의 경우 종양 조직이 특히 작기 때문에 샘플을 ...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
2.4 mm x 2.0 mm trocar	Shenzhen Huayang Biotechnology Co., Ltd	18-9065
Balb/c nude mice	Beijing Vital River Laboratory Animal Technology Co., Ltd.	401
Biosafety cabinet	Suzhou Antai	BSC-1300IIA2
Blade	Shenzhen Huayang Biotechnology Co., Ltd	18-0823
Centrifuge tube	Corning	430791/430829
Cryopreservation tube	Chengdu Dianrui Experimental Instrument Co., Ltd	/
Custodiol HTK-Solution	Custodiol	2103417
Dimethyl sulfoxide(DMSO)	SIGMA-ALORICH	D5879-500mL
Electronic balance	METTLER	ME104
Electronic digital caliper	Chengdu Chengliang Tool Group Co., Ltd	0-220
fetal bovine serum(FBS)	VivaCell	C04001-500
IBM SPSS Statistics 26	IBM
Ketamine	Jiangsu Zhongmu Beikang Pharmaceutical Co., Ltd	100761663
Lenvatinib	ApexBio	A2174
NOD-SCID immunodeficient mice	Beijing Vital River Laboratory Animal Technology Co., Ltd.	406
Pen-Strep Solution	Biological Industries	03-03101BCS
Petri dish	WHB	WHB-60/WHB-100
Saline	Sichuan Kelun	W220051705
Scissor	Shenzhen Huayang Biotechnology Co., Ltd	18-0110
Tweezer	Shenzhen Huayang Biotechnology Co., Ltd	18-1241
Vet ointment	Pfizer Inc.	P10015353
Xylazine	Dunhua Shengda Animal Medicine Co., Ltd	070031777