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PDX模型，全稱為病人來源腫瘤異種移植（Patient-derived tumor xenograft, PDX）模型，是將來源于患者的腫瘤組織、原代細胞植入免疫缺陷鼠的體內形成的移植瘤模型。PDX模型在組織病理學、分子生物學和基因水平上保留了大部分原代腫瘤的特點、具有較好的臨床療效預測性。因此，PDX模型在新藥研發的諸多關鍵節點（如藥物篩選，藥效驗證，臨床試驗病人篩選等）得到了越來越廣泛的應用。

PDX模式圖

1、PDX模型的歷史

人類使用動物模型研究疾病的歷史悠久，最早的文字記載可以追溯到古希臘的亞里士多德，近代的科學家們對于將人類腫瘤移植到動物體內則做了更多的嘗試。

• 1775年，法國外科醫生Peyrilhe將人類乳腺癌的粗提物注射到一只狗體內，實驗最終失敗；

• 1807年，Dupuytren嘗試了包括將腫瘤組織接種到動物腹部，注射腫瘤組織混合液到動物腹腔或者靜脈、接種潰瘍性癌癥患者的膿液等各種方法將人類腫瘤移植進動物體內；

• 1840年，Langenbeck向狗的靜脈中注射了人類肱骨髓樣癌組織液，在接種的2個月后，他在狗的肺中發現了幾個圓形結節；

• 1851年，Lebert和Follin將乳狀乳腺癌組織注射到一只狗的頸靜脈中，這只小狗在15天后死亡，但尸檢發現心臟周圍已經有結節產生。

• 1938年，Greene成功的將人類子宮腺瘤移植到兔子體內的皮下組織、肌肉、腹膜腔、睪丸和眼前房當中，其中眼內的腫瘤成功地通過連續轉移進行了6代的生長[2]。

• 1951年，Toolan設計了在移植前對大鼠和小鼠進行X射線照射而成功移植腫瘤的方案。動物在X射線照射后，皮下注射了100例人類腫瘤的細胞懸液，最終有33例移植瘤生長了兩代或更多[3]。 

這些早期PDX模型建立的成功率極低，現在我們已經明白這在很大程度上是由于宿主免疫系統對移植物質排斥導致的。雖然使用X射線可以抑制宿主免疫系統，但X射線用在動物上的缺點和副作用都很多，隨后科學家們又嘗試了切除動物胸腺再移植腫瘤等方法，均沒有很好地解決PDX模型構建的問題，PDX模型真正發展起來實際上是在1962年裸鼠橫空出世之后。1969年，丹麥學者Rygaard首次成功地將人類結腸癌腫瘤移植于3只裸鼠體內，腫瘤移植的6天后，在移植部位發現了腫瘤組織，而對照組的正常小鼠的體內并未發現腫瘤生長的跡象[4]。此后，科學家們將各種腫瘤組織移植到裸鼠體內，建立了許多PDX腫瘤模型。  

裸鼠

不過當年PDX模型并未成為主流 ，同時代的CDX模型獲得了更多的關注和使用。1972年第一例通過細胞系注射構建的小鼠CDX模型誕生，與稍早建立的直接來源于患者的PDX模型相比，細胞系容易獲得，建模難度低，且有大量關于其細胞功能、藥理藥效等的文獻數據可供參考，這些優勢使得CDX模型取代PDX模型成為腫瘤篩選模型的首選，在隨后的幾十年里CDX模型都是風光無限。

但是一個問題始終困擾著大家，在臨床前細胞模型或者動物模型上展現出很好療效的藥物，應用在人體上的療效卻大大降低甚至無效，臨床前到最終臨床試驗轉化成功率不到10%。比如，有研究發現，在一些抗癌化合物的試驗當中，臨床II期的結果和CDX模型的結果相關性非常差；其他研究還發現CDX模型可能會丟失腫瘤異質性以及原發腫瘤的各種基因組學特征。

各類腫瘤模型文獻發表情況[6]

而PDX模型，不僅可以保留腫瘤的異質性，關鍵基因的突變，還可以在傳代過程中保持各個通路的相關活性。這使得PDX在過去的5年里重新得到了研究者的重視，各種科研機構和醫藥創新企業紛紛開始構建數百例甚至數千例PDX模型構成的模型庫。

2.PDX模型的構建方法

一般來說，判斷PDX模型建立成功需要符合以下幾個條件：移植瘤傳至第2或3代能夠穩定生長；生長曲線一致性較高，潛伏期趨于穩定；成瘤時間一般不超過12周;復蘇后重新移植于小鼠體內，能夠穩定生長。此外，為了保證與原發腫瘤的一致性，PDX模型傳代次數一般不超過10代[11]。

PDX模型傳代過程中的變化（結直腸癌PDX的基質逐步向鼠源基質轉變）

PDX模型的宿主一般選擇免疫缺陷程度較高的小鼠，如M-NSG/NOD-SCID等，結直腸癌等部分容易成瘤的腫瘤也可以選擇裸鼠。由于雌激素有一定的免疫保護作用，我們一般選擇雄鼠造模，周齡選擇上4-6周剛成年的小鼠。此外還要準備胎牛血清包裹腫瘤組織提高成瘤率，腫瘤可以大致分為實體瘤和血液瘤，我們分別以肝癌PDX模型和血液瘤PDX模型為例介紹一下PDX建模方法。

各類免疫缺陷小鼠構建PDX模型的成功率

上表統計了當前各類免疫缺陷小鼠用于構建PDX模型時的成功率，可以看到免疫缺陷程度越高的小鼠在構建PDX模型時成功率越高！南模生物自主研發的重度免疫缺陷小鼠M-NSG是當前免疫缺陷程度最高的小鼠之一，缺失成熟T細胞、B細胞和NK細胞，非常適合作為各類PDX模型移植的宿主小鼠。有意向購買M-NSG小鼠的老師可以通過以下途徑聯系我們！

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小鼠大明星|M-NSG重度免疫缺陷小鼠多用途揭秘

接收到新鮮肝癌腫瘤組織后，要4℃保存運輸，并盡量在2h內開始造模。造模時，要先清理掉壞死的腫瘤組織，將腫瘤切成3*3*3毫米的小塊，每塊腫瘤沾上matrigel和培養基混合物。一般選擇小鼠腹側部位接種，接種后，每天觀察動物成瘤情況，在動物體表瘤生長至5mm*5mm開始對成瘤小鼠進行測量與稱重并且記錄電子表，對無可見成瘤動物觀察4~6個月，如還未見成瘤，可視為不能成瘤。成瘤的腫瘤組織稱為F1 PDX，F1 PDX生長至800~1000mm3后處死小鼠，取腫瘤組織，重復上述操作，獲得F2 PDX，繼續重復上述操作，獲得F3 PDX。每一代PDX都可以固定和凍存一部分組織，以備實驗需要。

實體瘤PDX建模大致流程[7]

南模生物成功構建了60多種肝癌PDX模型，下圖展示的是肝癌PDX注射不同藥物配伍治療后腫瘤的生長曲線。

肝癌PDX不同藥物配伍治療后腫瘤生長曲線

 2.2血液瘤PDX造模   ?

血液瘤造模前一般需要對小鼠進行全身輻照處理，進一步抑制小鼠免疫系統。血液瘤PDX造模首選尾靜脈注射，將患者骨髓或外周血分離的單個核細胞、腫瘤細胞經尾靜脈或骨內注射至小鼠體內，腫瘤可通過小鼠血液循環擴散至全身并局部浸潤靶器官，更準確地模擬臨床 患者體內腫瘤生長特點，但是這種造模方法必須借助流式等檢測手段來判斷成瘤情況；也可以選擇肝內注射及腎包膜下移植，這些地方血管豐富，不僅能顯著提高模型的成瘤率，還可以縮短成瘤周期。但是手術技術要求高，對小鼠的損傷大，也會增加小鼠感染的概率。

部分腫瘤PDX模型的平均成瘤率[10]

考慮到病人腫瘤樣本的珍貴性，PDX模型成瘤率60-70%才是比較可以接受的，但是當前部分癌種還是難以做到這一點的，例如肝癌、ALL、AML等。此外，病人的腫瘤組織能成功構建出PDX模型，往往意味著病人的腫瘤已經具備了更強的侵襲性，這些病人的預后一般更差，這一點在乳腺癌和腎癌患者上非常明顯[8,9]。

南模生物除可以提供PDX模型的完美宿主M-NSG重度免疫缺陷小鼠外，還有豐富的PDX模型構建經驗，只要您能提供有倫理證明的臨床組織，我們都可以為您構建PDX模型，您也可以加入我們的PDX模型庫，共享PDX項目成果。

3.PDX模型的應用

本世紀初德國科學家率先使用PDX模型進行藥物篩選，經過十余年的驗證，大家發現利用PDX模型進行藥物篩選的結果跟臨床的相關性高達89%~90%，相較于CDX模型不到10%的臨床相關性是一個質的飛躍，所以全球的藥廠現在都逐步采用PDX模型進行腫瘤藥物的篩選，美國國家癌癥研究所（NCI）、16個歐洲機構聯合組成的EurOPDX、諾華等醫藥巨頭紛紛組建了自己的PDX模型庫，規模均已達到數千種。

PDX模型保留了原始腫瘤的組織病理學和遺傳特征[5]

目前已有不少利用PDX模型篩選出的抗腫瘤新藥走上了臨床，例如貝伐單抗（針對VEGF的一種單克隆抗體）就是使用PDX模型篩選出的，其在針對結直腸癌和腎癌的臨床試驗中取得了較好的效果并取得了FDA的批準。除了實體瘤以外，各類血液瘤的PDX模型也相繼得到建立，來自PDX模型的候選藥物已經成功應用于多發性骨髓瘤的臨床試驗當中。

臨床前模型通常很難反映患者的腫瘤異質性，包括腫瘤細胞的異質性（不同腫瘤細胞的基因組和表觀遺傳發生改變）或者非腫瘤細胞的異質性（如基質的異質性）等，而PDX模型就可以捕捉到腫瘤的瘤間異質性與瘤內異質性，相對于傳統的其他模型就有了很明顯的優勢。

PDX模型的應用場景

此外，PDX模型還是研究腫瘤起始細胞（tumor initiating cells，TIC）以及腫瘤干細胞的重要工具。實體腫瘤或者血液瘤都可能攜帶一個獨特的TIC亞群，這個亞群可以自我更新和分化，TIC在腫瘤細胞中僅占一小部分，并且缺少特異性標記物，所以很難從原發腫瘤中分選出足夠的TIC用于后續的研究和分析。不過在PDX模型的加持下，獲得足夠的TIC不再像過去那樣困難，PDX可以幫助研究TIC在原發腫瘤生長或者轉移的過程中起到的作用。

在當前的治療中，手術以后化療和靶向藥物治療存在著很多的隨機性與盲目性，而使用病人腫瘤組織構建的PDX模型，可替代腫瘤患者對不同的治療藥物或方案進行體內藥效學檢測，更是試藥的完美替身。例如，在最近的一項研究中，22名患者成功構建了PDX模型，并在3-6個月的時間當中進行化療藥物的篩選。6名患者在產生實際治療數據前死亡，其余的81%的患者當中觀察到了PDX結果與臨床結果之間的高度相關性。

替身模型指導用藥

此外，PDX模型還可以用來判斷耐藥性。例如，結直腸癌的PDX模型結果顯示KRAS突變腫瘤對EGFR抗體西妥昔單抗沒有反應，因此基因測序結果顯示KRAS突變的結直腸癌病人就得選擇其它更合適的治療方案。

4.PDX模型展望

雖然PDX模型具有保留腫瘤異質性，具有良好的臨床療效預測性等優點，但也是存在一些缺陷的，例如建模難度高周期長成功率低，建模和維持成本高，不能完全模擬體原始腫瘤，存在淋巴瘤的自發形成現象等。但這些缺點對于PDX模型來講都是可以克服的，建模成本高周期長成功率低這些隨著PDX的規模化應用必將逐步改善；使用人源化動物模型作為PDX的宿主也可以克服免疫缺陷小鼠的主要缺點。未來，在抗腫瘤藥物篩選和評估、臨床用藥指導、腫瘤患者個性化治療等方面，PDX模型的需求和利用必將日益擴大。