Orthotopische transplantatie van borsttumoren als preklinische modellen voor borstkanker
Summary
Patient-derived xenograft (PDX) modellen en transplanteerbare genetisch gemanipuleerde muismodellen getrouw de menselijke ziekte samenvatten en zijn voorkeursmodellen voor fundamenteel en translationeel borstkankeronderzoek. Hier wordt een methode beschreven om borsttumorfragmenten orthotopisch in het borstvetkussen te transplanteren om tumorbiologie te bestuderen en de respons van geneesmiddelen te evalueren.
Abstract
Preklinische modellen die tumorheterogeniteit en therapeutische respons getrouw samenvatten, zijn van cruciaal belang voor translationeel borstkankeronderzoek. Onsterfelijke cellijnen zijn gemakkelijk te kweken en genetisch te modificeren om moleculaire mechanismen te bestuderen, maar de selectieve druk van celkweek leidt vaak tot genetische en epigenetische veranderingen in de loop van de tijd. Patient-derived xenograft (PDX) modellen getrouw de heterogeniteit en geneesmiddelrespons van menselijke borsttumoren samenvatten. PDX-modellen vertonen een relatief korte latentie na orthotopische transplantatie die het onderzoek naar de biologie van borsttumoren en de respons op geneesmiddelen vergemakkelijkt. De transplanteerbare genetisch gemanipuleerde muismodellen maken de studie van borsttumorimmuniteit mogelijk. Het huidige protocol beschrijft de methode om borsttumorfragmenten orthotopisch in het borstvetkussen te transplanteren, gevolgd door medicamenteuze behandelingen. Deze preklinische modellen bieden waardevolle benaderingen voor het onderzoeken van borsttumorbiologie, medicijnrespons, ontdekking van biomarkers en mechanismen van medicijnresistentie.
Introduction
De meeste sterfgevallen door borstkanker kunnen worden toegeschreven aan terugkerende ziekten die resistent zijn tegen conventionele therapieën1,2. De inter- en intratumorale heterogeniteit van borstkankers dragen bij aan therapieresistentie. Bovendien kan tumorheterogeniteit van de juiste prognose beïnvloeden en het ziektebeheeruitdagen 3,4. Identificatie van voorspellende biomarkers van respons zal de klinische resultaten van patiënten met borstkanker aanzienlijk verbeteren. Hoewel de meeste soorten borstkanker immunologisch ‘koude’ tumoren zijn die waarschijnlijk niet reageren op immunotherapie, zijn immuuncheckpointremmers veelbelovend gebleken in klinische onderzoeken2,5. Een fase III-studie toonde bijvoorbeeld een verbeterde ziektevrije overleving (DFS) en voorlopig bewijs dat atezolizumab (monoklonaal antilichaam tegen PD-L1) in combinatie met nab-paclitaxel een algemeen overlevingsvoordeel kan bieden in vergelijking met nab-paclitaxel alleen in tumoren met ≥1% PD-L1-kleuring6. De ontwikkeling van therapieën die borsttumoren sensibiliseren voor immunotherapie zal een revolutie teweegbrengen in de behandelingsregimes.
Preklinische modellen die de heterogeniteit van menselijke borstkanker en medicijnrespons getrouw samenvatten, zijn van cruciaal belang om tumorbiologie te bestuderen en potentiële biomarkers voor gerichte therapie te identificeren. Onsterfelijke cellijnen worden veel gebruikt voor borstkankeronderzoek, omdat deze cellijnen gemakkelijk te kweken en genetisch te modificeren zijn om moleculaire mechanismen te bestuderen. Vanwege de selectieve druk van langdurige celkweek in vitro, kan genetische drift echter in de loop van de tijd optreden en kunnen borstkankercellijnen cellijnspecifieke genomische veranderingen dragen die verschillen van aberraties in primaire borsttumoren7,8,9.
Patiënt-afgeleide xenograft (PDX) tumorbrokken zijn in staat om de heterogeniteit van menselijke ziekten samen te vatten en zijn histologisch en immunohistochemisch vergelijkbaar met de tumor van oorsprong10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25,26,27,28,29. Belangrijk is dat PDX-modellen fenotypisch stabiel zijn over meerdere transplantaties, zoals blijkt uit histologie, transcriptoom, proteoom en genomische analyse10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25,26,27,28,29. PDX-modellen tonen behandelingsresponsen die vergelijkbaar zijn met die waargenomen klinisch10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24, 25,26,27,28,29. PDX-modellen voor oestrogeenreceptorpositief (ER+),progesteronreceptorpositief (PR+),epidermale groeifactor 2 positief (ERBB2+, HER2+) en triple negatieve borstkanker (TNBC) PDX-modellen zijn vastgesteld en bieden een uitstekend platform om endocriene, chemo- en gerichte therapieën te testen. Een belangrijk voorbehoud van PDX-modellen op dit moment is echter het ontbreken van een functioneel immuunsysteem in de muis.
De genetisch gemanipuleerde muismodellen (GEMM), zoals Trp53 homozygote null, cMyc, Wnt1, PyMT of Her2 overexpressiemodellen, maken de studie van spontane tumorinitiatie, progressie en metastase mogelijk in de context van een intact immuunsysteem. De tumorlatentie is echter lang, waardoor het moeilijk is om preklinische onderzoeken uit te voeren met meerdere armen30,31. GEMM kan echter worden getransplanteerd naar syngenetische gastheren om voldoende tumoren te genereren die menselijke tumoren nauw samenvatten32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45, 46,47,48,49,50,51,52,53,54,55. Het borstepitheel van een p53-nul BALB / c-muis werd bijvoorbeeld getransplanteerd in de geklaarde vetkussens van syngenetische wild-type ontvangende muizen om primaire tumoren te vormen, die verder kunnen worden getransplanteerd in syngenetische gastheren56,57. De p53-nul tumoren recapituleerden verschillende subtypes van menselijke tumoren.
De combinatie van PDX-modellen en transplanteerbare GEMM biedt waardevolle preklinische hulpmiddelen om de biologie van borsttumoren, geneesmiddelrespons en antitumorimmuniteit te onderzoeken. In het huidige protocol wordt een methode van orthotopische transplantatie van PDX- en GEMM-tumorfragmenten in de borstvetmat van de muis beschreven. Deze modellen zijn vatbaar voor seriële passages en behouden meestal een stabiel fenotype. Om het risico op genetische drift of verlies van heterogeniteit over passages in de loop van de tijd te verminderen, worden meerdere weefselfragmenten bij elke passage gecryopreserveerd voor daaropvolgende transplantatie in het geval dat biologische of morfologische veranderingen in de loop van de tijd worden waargenomen29,58.
Protocol
Representative Results
Discussion
Om variaties in tumorgroei tussen dieren te verminderen, is het van cruciaal belang om het tumorweefsel in 1 mm3-fragmenten te snijden voor transplantatie. Modellen die zacht weefsel kweken zijn moeilijker om mee te werken en de tumorfragmenten moeten iets groter worden gesneden (1−2 mm3). Wanneer u het weefsel in de borstvetzak plaatst, moet u ervoor zorgen dat het weefsel niet in meerdere stukken wordt gesplitst, omdat dit zal resulteren in meerdere kleine tumoren of vreemd gevormde tumoren.
…Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (R37CA228304 en R01HL146642 aan Xi Chen, CA148761 aan Jeffrey M. Rosen), het Amerikaanse ministerie van Defensie (W81XWH-19-1-0524 aan Xi Chen, W81XWH-19-1-0035 aan Xiangdong Lv), American Cancer Society (RSG-18-181-01-TBE aan Xi Chen) en cancer prevention and research institute of Texas (RR150009 CPRIT Scholar in Cancer Research Award aan Xi Chen), de Patient-Derived Xenograft and Advanced In Vivo Models Core aan het Baylor College of Medicine (financiering van RP170691 CPRIT Core Facility Award en NCI-CA125123 P30 Cancer Center Support Grant).
Materials
| 1 mg/mL Buprenorphine-SR | ZooPharm (via BCM veterinarians) | Sterile | |
| 26G syringe | BD | 148232E | Sterile |
| Betadine Scrub | Fisher | 19-027132 | |
| Cotton Swabs | VWR International Laboratory | 89031-272 | Sterile |
| DMEM | Fisher | MT 10-013-CM | Sterile |
| Electric shaver | Oster | 78005-050 | |
| Glass beads sterilizer (Germinator) | Roboz Surgical Store | DS-401 | |
| Lubricant ophthalmic ointment | Akorn Animal Health | 17478-062-35 | |
| Micro Dissecting Forceps; Serrated, Angular (regular forceps) | Roboz Surgical Store | RS-5139 | Sterile |
| Micro Dissecting Spring Scissors (fat pad cutter) | Roboz Surgical Store | RS-5658BT | Sterile |
| Micro Forceps (tissue placing forceps) | Roboz Surgical Store | RS-5069 | Sterile |
| Petri Dish | Fisher | 08-757- 100D | Sterile |
| Sterile drape | Sai Infusion Technology | PSS-SD1 | Sterile |
| Surgery scissors | Roboz Surgical Store | RS-5960 | Sterile |
| Tissue Forceps (claw forceps) | Roboz Surgical Store | RS-5158 | Sterile |
| Wound clip applier | BD Autoclip Wound System | 01-804 | Sterile |
| Wound clip remover | BD Autoclip Wound System | 01-804-15 | Sterile |
| Wound clips | BD Autoclip Wound System | 01-804-5 | Sterile |
Referências
- Waks, A. G., Winer, E. P. Breast Cancer Treatment: A Review. JAMA. 321 (3), 288-300 (2019).
- Harbeck, N., et al. Breast cancer. Nature Reviews Disease Primers. 5 (1), 66 (2019).
- Harbeck, N., Salem, M., Nitz, U., Gluz, O., Liedtke, C. Personalized treatment of early-stage breast cancer: present concepts and future directions. Cancer Treatment Reviews. 36 (8), 584-594 (2010).
- Zardavas, D., Irrthum, A., Swanton, C., Piccart, M. Clinical management of breast cancer heterogeneity. Nature Reviews Clinical Oncology. 12 (7), 381 (2015).
- Esteva, F. J., Hubbard-Lucey, V. M., Tang, J., Pusztai, L. Immunotherapy and targeted therapy combinations in metastatic breast cancer. The Lancet Oncology. 20 (3), e175-e186 (2019).
- Schmid, P., et al. Atezolizumab and nab-paclitaxel in advanced triple-negative breast cancer. New England Journal of Medicine. 379 (22), 2108-2121 (2018).
- Tsuji, K., et al. Breast cancer cell lines carry cell line-specific genomic alterations that are distinct from aberrations in breast cancer tissues: comparison of the CGH profiles between cancer cell lines and primary cancer tissues. BMC Cancer. 10 (1), 15 (2010).
- Neve, R. M., et al. A collection of breast cancer cell lines for the study of functionally distinct cancer subtypes. Cancer Cell. 10 (6), 515-527 (2006).
- Clarke, R. Human breast cancer cell line xenografts as models of breast cancer-the immunobiologies of recipient mice and the characteristics of several tumorigenic cell lines. Breast Cancer Research and Treatment. 39 (1), 69-86 (1996).
- DeRose, Y. S., et al. Tumor grafts derived from women with breast cancer authentically reflect tumor pathology, growth, metastasis and disease outcomes. Nature Medicine. 17 (11), 1514 (2011).
- Kuperwasser, C., et al. Reconstruction of functionally normal and malignant human breast tissues in mice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America of the United States of America. 101 (14), 4966-4971 (2004).
- Vaillant, F., et al. Targeting BCL-2 with the BH3 mimetic ABT-199 in estrogen receptor-positive breast cancer. Cancer Cell. 24 (1), 120-129 (2013).
- Li, S., et al. Endocrine-therapy-resistant ESR1 variants revealed by genomic characterization of breast-cancer-derived xenografts. Cell Reports. 4 (6), 1116-1130 (2013).
- DeRose, Y. S., et al. Patient-derived models of human breast cancer: protocols for in vitro and in vivo applications in tumor biology and translational medicine. Current Protocols in Pharmacology. 60 (1), 14.23.11-14.23.43 (2013).
- Al-Hajj, M., Wicha, M. S., Benito-Hernandez, A., Morrison, S. J., Clarke, M. F. Prospective identification of tumorigenic breast cancer cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (7), 3983-3988 (2003).
- Marangoni, E., et al. A new model of patient tumor-derived breast cancer xenografts for preclinical assays. Clinical Cancer Research. 13 (13), 3989-3998 (2007).
- Zhang, H., et al. Patient-derived xenografts of triple-negative breast cancer reproduce molecular features of patient tumors and respond to mTOR inhibition. Breast Cancer Research. 16 (2), R36 (2014).
- Shultz, L. D., Ishikawa, F., Greiner, D. L. Humanized mice in translational biomedical research. Nature Reviews Immunology. 7 (2), 118 (2007).
- Sheffield, L. G., Welsch, C. W. Transplantation of human breast epithelia to mammary-gland-free fat-pads of athymic nude mice: Influence of mammotrophic hormones on growth of breast epithelia. International Journal of Cancer. 41 (5), 713-719 (1988).
- Sebesteny, A., et al. Primary human breast carcinomas transplantable in the nude mouse. Journal of the National Cancer Institute. 63 (6), 1331-1337 (1979).
- Sakakibara, T., et al. Growth and metastasis of surgical specimens of human breast carcinomas in SCID mice. The Cancer Journal from Scientific American. 2 (5), 291-300 (1996).
- Rae-Venter, B., Reid, L. M. Growth of human breast carcinomas in nude mice and subsequent establishment in tissue culture. Pesquisa do Câncer. 40 (1), 95-100 (1980).
- Outzen, H., Custer, R. Brief communication: Growth of human normal and neoplastic mammary tissues in the cleared mammary fat pad of the nude mouse. Journal of the National Cancer Institute. 55 (6), 1461-1466 (1975).
- Noël, A., et al. Heterotransplantation of primary and established human tumour cells in nude mice. Anticancer Research. 15 (1), 1-7 (1995).
- Naundorf, H., Fichtner, I., Büttner, B., Frege, J. Establishment and characterization of a new human oestradiol-and progesterone-receptor-positive mammary carcinoma serially transplantable in nude mice. Journal of Cancer Research and Clinical Oncology. 119 (1), 35-40 (1992).
- Murthy, M. S., Scanlon, E. F., Jelachich, M. L., Klipstein, S., Goldschmidt, R. A. Growth and metastasis of human breast cancers in athymic nude mice. Clinical and Experimental Metastasis. 13 (1), 3-15 (1995).
- Fichtner, I., Becker, M., Zeisig, R., Sommer, A. In vivo models for endocrine-dependent breast carcinomas: special considerations of clinical relevance. European Journal of Cancer. 40 (6), 845-851 (2004).
- Ding, L., et al. Genome remodelling in a basal-like breast cancer metastasis and xenograft. Nature. 464 (7291), 999 (2010).
- Zhang, X., et al. A renewable tissue resource of phenotypically stable, biologically and ethnically diverse, patient-derived human breast cancer xenograft models. Pesquisa do Câncer. 73 (15), 4885-4897 (2013).
- Borowsky, A. D. Choosing a mouse model: experimental biology in context-the utility and limitations of mouse models of breast cancer. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 3 (9), a009670 (2011).
- Caligiuri, I., Rizzolio, F., Boffo, S., Giordano, A., Toffoli, G. Critical choices for modeling breast cancer in transgenic mouse models. Journal of Cellular Physiology. 227 (8), 2988-2991 (2012).
- Backlund, M. G., et al. Impact of ionizing radiation and genetic background on mammary tumorigenesis in p53-deficient mice. Pesquisa do Câncer. 61 (17), 6577-6582 (2001).
- Jerry, D., et al. A mammary-specific model demonstrates the role of the p53 tumor suppressor gene in tumor development. Oncogene. 19 (8), 1052-1058 (2000).
- Hüsler, M. R., et al. Lactation-induced WAP-SV40 Tag transgene expression in C57BL/6J mice leads to mammary carcinoma. Transgenic Research. 7 (4), 253-263 (1998).
- Simin, K., et al. pRb inactivation in mammary cells reveals common mechanisms for tumor initiation and progression in divergent epithelia. PLoS Biology. 2 (2), e22 (2004).
- Sandgren, E. P., et al. Inhibition of mammary gland involution is associated with transforming growth factor α but not c-myc-induced tumorigenesis in transgenic mice. Pesquisa do Câncer. 55 (17), 3915-3927 (1995).
- Gallahan, D., et al. Expression of a truncated Int3 gene in developing secretory mammary epithelium specifically retards lobular differentiation resulting in tumorigenesis. Pesquisa do Câncer. 56 (8), 1775-1785 (1996).
- Tsukamoto, A. S., Grosschedl, R., Guzman, R. C., Parslow, T., Varmus, H. E. Expression of the int-1 gene in transgenic mice is associated with mammary gland hyperplasia and adenocarcinomas in male and female mice. Cell. 55 (4), 619-625 (1988).
- Guy, C. T., Cardiff, R., Muller, W. J. Induction of mammary tumors by expression of polyomavirus middle T oncogene: a transgenic mouse model for metastatic disease. Molecular and Cellular Biology. 12 (3), 954-961 (1992).
- Guy, C. T., et al. Expression of the neu protooncogene in the mammary epithelium of transgenic mice induces metastatic disease. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 89 (22), 10578-10582 (1992).
- Xu, X., et al. Conditional mutation of Brca1 in mammary epithelial cells results in blunted ductal morphogenesis and tumour formation. Nature Genetics. 22 (1), 37 (1999).
- Maroulakou, I. G., Anver, M., Garrett, L., Green, J. E. Prostate and mammary adenocarcinoma in transgenic mice carrying a rat C3 (1) simian virus 40 large tumor antigen fusion gene. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (23), 11236-11240 (1994).
- Yin, Y., et al. Characterization of medroxyprogesterone and DMBA-induced multilineage mammary tumors by gene expression profiling. Molecular Carcinogenesis. 44 (1), 42-50 (2005).
- Cressman, V. L., et al. Mammary tumor formation in p53-and BRCA1-deficient mice. Cell Growth and Differentiation-Publication American Association for Cancer Research. 10 (1), 1-10 (1999).
- Li, Z., et al. ETV6-NTRK3 fusion oncogene initiates breast cancer from committed mammary progenitors via activation of AP1 complex. Cancer Cell. 12 (6), 542-558 (2007).
- Pond, A. C., et al. Fibroblast growth factor receptor signaling dramatically accelerates tumorigenesis and enhances oncoprotein translation in the mouse mammary tumor virus-Wnt-1 mouse model of breast cancer. Pesquisa do Câncer. 70 (12), 4868-4879 (2010).
- Sinn, E., et al. Coexpression of MMTV/v-Ha-ras and MMTV/c-myc genes in transgenic mice: synergistic action of oncogenes in vivo. Cell. 49 (4), 465-475 (1987).
- Muller, W. J., et al. The int-2 gene product acts as an epithelial growth factor in transgenic mice. The EMBO Journal. 9 (3), 907-913 (1990).
- Liu, S., et al. Expression of autotaxin and lysophosphatidic acid receptors increases mammary tumorigenesis, invasion, and metastases. Cancer Cell. 15 (6), 539-550 (2009).
- Torres-Arzayus, M. I., et al. High tumor incidence and activation of the PI3K/AKT pathway in transgenic mice define AIB1 as an oncogene. Cancer Cell. 6 (3), 263-274 (2004).
- Chan, S. R., et al. STAT1-deficient mice spontaneously develop estrogen receptor α-positive luminal mammary carcinomas. Breast Cancer Research. 14 (1), R16 (2012).
- Jiang, Z., et al. Rb deletion in mouse mammary progenitors induces luminal-B or basal-like/EMT tumor subtypes depending on p53 status. The Journal of Clinical Investigation. 120 (9), 3296-3309 (2010).
- Adams, J. R., et al. Cooperation between Pik3ca and p53 mutations in mouse mammary tumor formation. Pesquisa do Câncer. 71 (7), 2706-2717 (2011).
- Pei, X. H., et al. CDK inhibitor p18INK4c is a downstream target of GATA3 and restrains mammary luminal progenitor cell proliferation and tumorigenesis. Cancer Cell. 15 (5), 389-401 (2009).
- Bultman, S., et al. Characterization of mammary tumors from Brg1 heterozygous mice. Oncogene. 27 (4), 460 (2008).
- Jerry, D., et al. A mammary-specific model demonstrates the role of the p53 tumor suppressor gene in tumor development. Oncogene. 19 (8), 1052 (2000).
- Zhang, M., et al. Identification of tumor-initiating cells in a p53-null mouse model of breast cancer. Pesquisa do Câncer. 68 (12), 4674-4682 (2008).
- Landis, M. D., Lehmann, B. D., Pietenpol, J. A., Chang, J. C. Patient-derived breast tumor xenografts facilitating personalized cancer therapy. Breast Cancer Research. 15 (1), 201 (2013).
- Zhang, X., Lewis, M. T. Establishment of Patient-Derived Xenograft (PDX) Models of Human Breast Cancer. Current Protocols in Mouse Biology. 3 (1), 21-29 (2013).
- Chi, V., Chandy, K. G. Immunohistochemistry: paraffin sections using the Vectastain ABC kit from vector labs. Journal of Visualized Experiments. (8), e308 (2007).
- Zhao, N., et al. Pharmacological targeting of MYC-regulated IRE1/XBP1 pathway suppresses MYC-driven breast cancer. Journal of Clinical Investigation. 128 (4), 1283-1299 (2018).
- DeOme, K., Faulkin, L., Bern, H. A., Blair, P. B. Development of mammary tumors from hyperplastic alveolar nodules transplanted into gland-free mammary fat pads of female C3H mice. Pesquisa do Câncer. 19 (5), 515 (1959).
