JoVE Journal > Cancer Research
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Cancer Research

Vaststelling en karakterisering van patiënt-afgeleide xenograftmodellen van anaplastisch schildkliercarcinoom en hoofd-hals plaveiselcelcarcinoom

Published: June 02, 2023
doi:
10.3791/64623
, , , , , , , , ,
1Precision Medicine Research Center, Sichuan Provincial Key Laboratory of Precision Medicine, National Clinical Research Center for Geriatrics, West China Hospital,Sichuan University, 2Department of Thyroid Surgery, West China Hospital,Sichuan University, 3Sichuan Kangcheng Biotech Co., 4Sichuan Cancer Hospital

Summary

Het huidige protocol stelt een patiënt-afgeleid xenograft (PDX) model van anaplastisch schildkliercarcinoom (ATC) en hoofd en nek plaveiselcelcarcinoom (HNSCC) vast en karakteriseert het, aangezien PDX-modellen snel de standaard worden op het gebied van translationele oncologie.

Abstract

Patiënt-afgeleide xenograft (PDX) modellen behouden getrouw de histologische en genetische kenmerken van de primaire tumor en behouden de heterogeniteit ervan. Farmacodynamische resultaten op basis van PDX-modellen zijn sterk gecorreleerd met de klinische praktijk. Anaplastisch schildkliercarcinoom (ATC) is het meest kwaadaardige subtype van schildklierkanker, met sterke invasiviteit, slechte prognose en beperkte behandeling. Hoewel de incidentie van ATC slechts 2% -5% van de schildklierkanker vertegenwoordigt, is het sterftecijfer zo hoog als 15% -50%. Hoofd-hals plaveiselcelcarcinoom (HNSCC) is een van de meest voorkomende hoofd-halsmaligniteiten, met meer dan 600.000 nieuwe gevallen wereldwijd per jaar. Hierin worden gedetailleerde protocollen gepresenteerd om PDX-modellen van ATC en HNSCC vast te stellen. In dit werk werden de belangrijkste factoren die van invloed zijn op het succespercentage van modelconstructie geanalyseerd en werden de histopathologische kenmerken vergeleken tussen het PDX-model en de primaire tumor. Bovendien werd de klinische relevantie van het model gevalideerd door de in vivo therapeutische werkzaamheid van representatieve klinisch gebruikte geneesmiddelen in de succesvol geconstrueerde PDX-modellen te evalueren.

Introduction

Het PDX-model is een diermodel waarin menselijk tumorweefsel wordt getransplanteerd in immunodeficiënte muizen en groeit in de omgeving die door de muizen wordt geleverd1. Traditionele tumorcellijnmodellen lijden aan verschillende nadelen, zoals het gebrek aan heterogeniteit, het onvermogen om de micro-omgeving van de tumor te behouden, de kwetsbaarheid voor genetische variaties tijdens herhaalde in vitro passages en de slechte klinische toepassing 2,3. De belangrijkste nadelen van genetisch gemanipuleerde diermodellen zijn het potentiële verlies van de genomische kenmerken van menselijke tumoren, de introductie van nieuwe onbekende mutaties en de moeilijkheid om de mate van homologie tussen muistumoren en menselijke tumoren te identificeren4. Bovendien is de voorbereiding van genetisch gemanipuleerde diermodellen duur, tijdrovend en relatief inefficiënt4.

Het PDX-model heeft veel voordelen ten opzichte van andere tumormodellen in termen van het weerspiegelen van tumorheterogeniteit. Vanuit het perspectief van histopathologie, hoewel de tegenhanger van de muis het menselijke stroma in de loop van de tijd vervangt, behoudt het PDX-model de morfologische structuur van de primaire tumor goed. Bovendien behoudt het PDX-model de metabolomische identiteit van de primaire tumor gedurende ten minste vier generaties en weerspiegelt het beter de complexe onderlinge relaties tussen tumorcellen en hun micro-omgeving, waardoor het uniek is in het simuleren van de groei, metastase, angiogenese en immunosuppressie van menselijk tumorweefsel 5,6,7. Op cellulair en moleculair niveau weerspiegelt het PDX-model nauwkeurig de inter- en intratumor heterogeniteit van menselijke tumoren, evenals de fenotypische en moleculaire kenmerken van oorspronkelijke kanker, waaronder genexpressiepatronen, mutatiestatus, kopienummer en DNA-methylatie en proteomics 8,9. PDX-modellen met verschillende passages hebben dezelfde gevoeligheid voor medicamenteuze therapie, wat aangeeft dat de genexpressie van PDX-modellen zeer stabiel is10,11. Studies hebben een uitstekende correlatie aangetoond tussen de respons van het PDX-model op een geneesmiddel en de klinische reacties van patiënten op dat geneesmiddel12,13. Daarom is het PDX-model naar voren gekomen als een krachtig preklinisch en translationeel onderzoeksmodel, met name voor geneesmiddelenscreening en klinische prognosevoorspelling.

Schildklierkanker is een veel voorkomende kwaadaardige tumor van het endocriene systeem en is een menselijke maligniteit die de afgelopen jaren een snelle toename van de incidentie heeft laten zien14. Anaplastisch schildkliercarcinoom (ATC) is de meest kwaadaardige schildklierkanker, met een mediane overleving van de patiënt van slechts 4,8 maanden15. Hoewel slechts een minderheid van de schildklierkankerpatiënten elk jaar in China met ATC wordt gediagnosticeerd, is het sterftecijfer bijna 100% 16,17,18. ATC groeit meestal snel en dringt de aangrenzende weefsels van de nek en de cervicale lymfeklieren binnen, en ongeveer de helft van de patiënten heeft metastasen op afstand 19,20. Hoofd-hals plaveiselcelcarcinoom (HNSCC) is de zesde meest voorkomende kanker ter wereld en een van de belangrijkste oorzaken van sterfgevallen door kanker, met naar schatting 600.000 mensen die lijden aan HNSCC per jaar21,22,23. HNSCC omvat een groot aantal tumoren, waaronder die in de neus, sinussen, mond, amandelen, keelholte en strottenhoofd24. ATC en HNSCC zijn twee van de belangrijkste hoofd-halsmaligniteiten. Om de ontwikkeling van nieuwe therapeutische middelen en gepersonaliseerde behandelingen te vergemakkelijken, is het noodzakelijk om robuuste en geavanceerde preklinische diermodellen te ontwikkelen, zoals PDX-modellen van ATC en HNSCC.

Dit artikel introduceert gedetailleerde methoden voor het vaststellen van het subcutane PDX-model van ATC en HNSCC, analyseert de belangrijkste factoren die van invloed zijn op de tumoropnamesnelheid in modelconstructie en vergelijkt de histopathologische kenmerken tussen het PDX-model en de primaire tumor. Ondertussen werden in dit werk in vivo farmacodynamische tests uitgevoerd met behulp van de met succes geconstrueerde PDX-modellen om hun klinische relevantie te valideren.

Protocol

Alle dierproeven werden uitgevoerd in overeenstemming met de richtlijnen en protocollen van de Association for Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care, goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee van het West China Hospital, Sichuan University. NOD-SCID immunodeficiënte muizen van 4-6 weken oud (van beide geslachten) en vrouwelijke Balb/c naakte muizen van 4-6 weken oud werden gebruikt voor deze studie. De dieren werden verkregen uit een commerciële bron (zie tabel met materia…

Representative Results

Een totaal van 18 schildklierkanker specimens werden getransplanteerd, en vijf PDX-modellen van schildklierkanker werden met succes geconstrueerd (27,8% tumor take rate), waaronder vier gevallen van ongedifferentieerde schildklierkanker en één geval van anaplastische schildklierkanker. De correlatie tussen het succespercentage van modelconstructie en de leeftijd, geslacht, tumordiameter, tumorgraad en differentiatie werden geanalyseerd. Hoewel het succespercentage van graad 4 tumormonsters hoger was dan voor monsters m…

Discussion

Deze studie heeft met succes de subcutane PDX-modellen van ATC en HNSCC vastgesteld. Er zijn veel aspecten om op te letten tijdens het proces van PDX-modelbouw. Wanneer het tumorweefsel van de patiënt is gescheiden, moet het in de ijskast worden geplaatst en zo snel mogelijk naar het laboratorium worden gestuurd voor inenting. Nadat de tumor in het laboratorium is aangekomen, moet de operator aandacht besteden aan het onderhouden van een steriel veld en aseptische procedures uitvoeren. Voor naaldbiopsiemonsters, omdat h…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd ondersteund door het Sichuan Province Science and Technology Support Program (Grant Nos. 2019JDRC0019 en 2021ZYD0097), het 1.3.5-project voor disciplines van uitmuntendheid, West China Hospital, Sichuan University (Grant No. ZYJC18026), het 1.3.5-project voor disciplines van excellentie-Clinical Research Incubation Project, West China Hospital, Sichuan University (Grant No. 2020HXFH023), de Fundamental Research Funds for the Central Universities (SCU2022D025), het International Cooperation Project van Chengdu Science and Technology Bureau (Grant No. 2022-GH02-00023-HZ), het Innovation Spark Project van Sichuan University (Grant No. 2019SCUH0015), en het Talent Training Fund for Medical-engineering Integration of West China Hospital – University of Electronic Science and Technology (Grant No. HXDZ22012).

Materials

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Toolan, H. W. Successful subcutaneous growth and transplantation of human tumors in X-irradiated laboratory animals. Proceedings of The Society for Experimental Biology and Medicine. 77 (3), 572-578 (1951).
  2. Gillet, J. P., et al. Redefining the relevance of established cancer cell lines to the study of mechanisms of clinical anti-cancer drug resistance. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (46), 18708-18713 (2011).
  3. Hausser, H. J., Brenner, R. E. Phenotypic instability of Saos-2 cells in long-term culture. Biochemical & Biophysical Research Communications. 333 (1), 216-222 (2005).
  4. Pérez-Mancera, P., Guerra, C., Barbacid, M., Tuvesonet, D. A. What we have learned about pancreatic cancer from mouse models. Gastroenterology. 142 (5), 1079-1092 (2012).
  5. Bruna, A., et al. A biobank of breast cancer explants with preserved intra-tumor heterogeneity to screen anticancer compounds. Cell. 167 (1), 260-274 (2016).
  6. Choi, S., et al. Lessons from patient-derived xenografts for better in vitro modeling of human cancer. Advanced Drug Delivery Reviews. 79-80, 222-237 (2014).
  7. Blomme, A., et al. Murine stroma adopts a human-like metabolic phenotype in the PDX model of colorectal cancer and liver metastases. Oncogene. 37 (9), 1237-1250 (2018).
  8. Wang, D., et al. Molecular heterogeneity of non-small cell lung carcinoma patient-derived xenografts closely reflect their primary tumors. International Journal of Cancer. 140 (3), 662-673 (2016).
  9. Jung, J., et al. Generation and molecular characterization of pancreatic cancer patient-derived xenografts reveals their heterologous nature. Oncotarget. 7 (38), 62533-62546 (2016).
  10. Keysar, S., et al. A patient tumor transplant model of squamous cell cancer identifies PI3K inhibitors as candidate therapeutics in defined molecular bins. Molecular Oncology. 7 (4), 776-790 (2013).
  11. Rubio-Viqueira, B., et al. An in vivo platform for translational drug development in pancreatic cancer. Clinical Cancer Research. 12 (15), 4652-4661 (2006).
  12. Fiebig, H. H., et al. Development of three human small cell lung cancer models in nude mice. Recent Results in Cancer Research. 97, 77-86 (1985).
  13. Morelli, M. P., et al. Prioritizing phase I treatment options through preclinical testing on personalized tumorgraft. Journal of Clinical Oncology. 30 (4), 45-48 (2012).
  14. Bray, F., et al. Global cancer statistics 2018: GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA. 68 (6), 394-424 (2018).
  15. Onoda, N., et al. Evaluation of the 8th edition TNM classification for anaplastic thyroid carcinoma. Cancers. 12 (3), 552 (2020).
  16. Nel, C., et al. Anaplastic carcinoma of the thyroid: A clinicopathologic study of 82 cases. Mayo Clinic Proceedings. 60 (1), 51-58 (1985).
  17. Mazzaferri, E. L. Increasing incidence of thyroid cancer in the United States, 1973-2002. Yearbook of Medicine. 2007, 496-499 (2007).
  18. Kebebew, E., Greenspan, F. S., Clark, O. H., Woeber, K. A., Mcmillan, A. Anaplastic thyroid carcinoma. Treatment outcome and prognostic factors. Cancer. 103 (7), 1330-1335 (2005).
  19. Lin, B., et al. The incidence and survival analysis for anaplastic thyroid cancer: A SEER database analysis. American Journal of Translational Research. 11 (9), 5888-5896 (2019).
  20. Maniakas, A., Dadu, R., Busaidy, N. L., Wang, J. R., Zafereo, M. Evaluation of overall survival in patients with anaplastic thyroid carcinoma, 2000-2019. JAMA Oncology. 6 (9), 1397-1404 (2020).
  21. Gilardi, M., et al. Tipifarnib as a precision therapy for HRAS-mutant head and neck squamous cell carcinomas. Molecular Cancer Therapeutics. 19 (9), 1784-1796 (2020).
  22. Siegel, R. L., Miller, K. D., Jemal, A. Cancer statistics, 2016. CA. 66 (1), 7-30 (2016).
  23. Chow, L. Q. M. Head and neck cancer. New England Journal of Medicine. 382 (1), 60-72 (2020).
  24. Swiecicki, P. L., Brennan, J. R., Mierzwa, M., Spector, M. E., Brenner, J. C. Head and neck squamous cell carcinoma detection and surveillance: Advances of liquid biomarkers. Laryngoscope. 129 (8), 1836-1843 (2019).
  25. Wang, R., et al. Distribution and activity of lenvatinib in brain tumor models of human anaplastic thyroid cancer cells in severe combined immune deficient mice. Molecular Cancer Therapeutics. 18 (5), 947-956 (2019).
  26. Takahashi, S., et al. A phase II study of the safety and efficacy of lenvatinib in patients with advanced thyroid cancer. Future Oncology. 15 (7), 717-726 (2019).
  27. Ferrari, S. M., et al. Lenvatinib exhibits antineoplastic activity in anaplastic thyroid cancer in vitro and in vivo. Oncology Reports. 39 (5), 2225-2234 (2018).
  28. Cabanillas, M. E., Habra, M. A. Lenvatinib: Role in thyroid cancer and other solid tumors. Cancer Treatment Reviews. 42, 47-55 (2016).
  29. Jung, J., Seol, H. S., Chang, S. The generation and application of patient-derived xenograft model for cancer research. Cancer Research and Treatment. 50 (1), 1-10 (2018).
  30. Peng, S., et al. Tumor grafts derived from patients with head and neck squamous carcinoma authentically maintain the molecular and histologic characteristics of human cancers. Journal of Translational Medicine. 11, 198 (2013).
  31. 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), 1514-1520 (2011).
  32. Chen, X., Shen, C., Wei, Z., Zhang, R., Xiao, K. Patient-derived non-small cell lung cancer xenograft mirrors complex tumor heterogeneity. Cancer Biology and Medicine. 18 (1), 184-198 (2021).
  33. Choi, Y. Y., et al. Establishment and characterisation of patient-derived xenografts as paraclinical models for gastric cancer. Scientific Reports. 6, 22172 (2016).
  34. Maider, I. V., Andrés, C., Alberto, B. Preclinical models for precision oncology. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Reviews on Cancer. 1872 (2), 239-246 (2018).
  35. Okada, S., Vaeteewoottacharn, K., Kariya, R. Establishment of a patient-derived tumor xenograft model and application for precision cancer medicine. Chemical & Pharmaceutical Bulletin. 66 (3), 225-230 (2018).
  36. Michael, G., et al. Tumor take rate optimization for colorectal carcinoma patient-derived xenograft models. BioMed Research International. 2016, 1715053 (2016).
  37. Bernardo, C., Costa, C., Sousa, N., Amado, F., Santos, L. Patient-derived bladder cancer xenografts: a systematic review. Translational Research. 166 (4), 324-331 (2015).
  38. Facompre, N. D., et al. Barriers to generating PDX models of HPV-related head and neck. Laryngoscope. 127 (12), 2777-2783 (2017).
  39. Kang, H. N., Kim, J. H., Park, A. Y., Choi, J. W., Kim, H. R. Establishment and characterization of patient-derived xenografts as paraclinical models for head and neck cancer. BMC Cancer. 20 (1), 316 (2020).
  40. Ahn, S. H., et al. An orthotopic model of papillary thyroid carcinoma in athymic nude mice. Archives of Otolaryngology-Head & Neck Surgery. 134 (2), 190-197 (2008).
  41. Nucera, C., et al. A novel orthotopic mouse model of human anaplastic thyroid carcinoma. Thyroid. 19 (10), 1077-1084 (2009).
  42. De Rose, F., et al. Galectin-3 targeting in thyroid orthotopic tumors opens new ways to characterize thyroid cancer. Journal of Nuclear Medicine. 60 (6), 770-776 (2019).
  43. Pearson, A. T., et al. Patient-derived xenograft (PDX) tumors increase growth rate with time. Oncotarget. 7 (7), 7993-8005 (2016).
  44. Huo, K. G., D’Arcangelo, E., Tsao, M. S. Patient-derived cell line, xenograft and organoid models in lung cancer therapy. Translational Lung Cancer Research. 9 (5), 2214-2232 (2020).
  45. Kumari, R., Xu, X., Li, H. Q. Translational and clinical relevance of PDX-derived organoid models in oncology drug discovery and development. Current Protocols. 2 (7), e431 (2022).
  46. Takahashi, N., et al. Construction of in vitro patient-derived tumor models to evaluate anticancer agents and cancer immunotherapy. Oncology Letters. 21 (5), 406 (2021).
  47. Barasch, A., et al. Photobiomodulation effects on head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) in an orthotopic animal model. Supportive Care in Cancer. 28 (6), 2721-2727 (2020).
  48. Wang, M., et al. Humanized mice in studying efficacy and mechanisms of PD-1-targeted cancer immunotherapy. FASEB Journal. 32 (3), 1537-1549 (2018).
  49. Wu, C., Wang, X., Shang, H., Wei, H. Construction of a humanized PBMC-PDX model to study the efficacy of a bacterial marker in lung cancer immunotherapy. Disease Markers. 2022, 1479246 (2022).
  50. Yao, L. C., et al. Creation of PDX-bearing humanized mice to study immuno-oncology. Methods in Molecular Biology. 1953, 241-252 (2019).

Tags

Patient-derived XenograftPDXAnaplastic Thyroid CarcinomaATCHead And Neck Squamous Cell CarcinomaHNSCCTumor HeterogeneityMolecular DiversityPersonalized TreatmentAnti-cancer Drug Sensitivity ScreeningTumor TransplantationSubcutaneousCryopreservationTumor Growth Curve

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Wu, M., Liu, Y., Zhao, Y., Zhang, Y., Huang, L., Du, Q., Zhang, T., Zhong, Z., Luo, H., Xiao, K. Establishment and Characterization of Patient-Derived Xenograft Models of Anaplastic Thyroid Carcinoma and Head and Neck Squamous Cell Carcinoma. J. Vis. Exp. (196), e64623, doi:10.3791/64623 (2023).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image