INTRODUCTION
Les modèles animaux jouent un rôle important dans le développement des médicaments et les études des mécanismes biologiques moléculaires. Historiquement, le modèle de cancer de la peau induit par le goudron de houille chez le lapin a déclenché le développement d’un modèle de souris induit par des carcinogènes. Divers modèles animaux ont été établis comme outil d’évaluation pour la prédiction des carcinogènes et l’étude des mécanismes carcinogènes (1). Cependant, l’approche consistant à utiliser une exposition chronique à un agent cancérigène demande beaucoup de temps et d’argent, ce qui limite son application dans le développement de médicaments. Néanmoins, les modèles de souris restent plus attrayants que les modèles de gros animaux en raison de leur faible coût, de leur facilité de manipulation et de leur information génétique connue (2). Plus récemment, un modèle de souris syngénique injecté avec des lignées cellulaires murines a été développé (3). Les avantages de ce modèle sont la reproductibilité, la capacité d’induire facilement différents types de tumeurs et l’immunocompétence. En revanche, ce modèle présente souvent une réponse différente par rapport aux résultats des essais in vitro sur des cellules cancéreuses humaines. Pour surmonter cet inconvénient, le National Cancer Institute (NCI) a utilisé une méthode dans laquelle des cellules cancéreuses humaines sont injectées dans une souris immunodéficiente. Une batterie de modèles de xénogreffes a été développée à partir de huit lignées cellulaires cancéreuses différentes du NCI (cerveau, côlon, leucémie, poumon, mélanome, ovaire, prostate et rein). En outre, diverses méthodes de génération de modèles de souris ont été établies pour l’évaluation de l’efficacité et de la toxicité de nouveaux médicaments. L’un de ces modèles est le modèle de souris génétiquement modifiée (GEMM), qui est une méthode avancée pour évaluer les mécanismes de la carcinogenèse et la résistance aux médicaments (4). Des souris immunocompétentes sont utilisées pour le modèle GEMM, comme pour un modèle syngénique. Ainsi, ce modèle permet l’application du développement d’adjuvants immunitaires pour le cancer. En outre, ce modèle est utile pour élucider les processus biologiques et étudier les cellules tumorales et leur microenvironnement, mais il est très coûteux, hétérogène et compliqué. De plus, la fréquence, le développement et la croissance des tumeurs ne coïncident pas dans le modèle GEMM (4-7). De nombreux chercheurs ont mis au point une stratégie d’évaluation préclinique pour déterminer le potentiel thérapeutique et imiter l’environnement tumoral humain. Outre le modèle GEMM, les modèles de xénogreffe in vivo utilisent des souris nude athymiques et des souris souffrant d’un déficit immunitaire combiné sévère (SCID) pour l’implantation de cellules cancéreuses humaines ou de tissus tumoraux de patients dans la recherche translationnelle en vue d’essais cliniques (8,9). Dans cette revue, les types et les caractéristiques des modèles de xénogreffe de tumeur sont axés sur l’utilisation dans le développement de médicaments anticancéreux.
Modèle de xénogreffe de tumeur ectopique. Généralement, les cellules cancéreuses humaines sont injectées par voie sous-cutanée dans la patte arrière ou le dos des souris (Fig. 1A). Dans un modèle de xénogreffe de tumeur ectopique (modèle ectopique), le site de transplantation est différent de l’origine des cellules cultivées. Le modèle ectopique est le modèle standard de cancer utilisé pour la validation et l’évaluation dans les études oncologiques. Après l’établissement de lignées de cellules cancéreuses pour le dépistage anticancéreux au NCI, des modèles de xénogreffe dérivés de ces lignées cellulaires ont été développés. Soixante lignées cellulaires dérivées de huit organes ont été utilisées pour l’établissement de modèles de xénogreffes et des informations telles que le temps de doublement de la tumeur et le taux de tumorigénicité ont été rapportées (1). Dans le tableau 1, pour les lignées cellulaires cancéreuses humaines, le taux de prise reproductible du modèle de xénogreffe était supérieur à 90 %. Pour l’évaluation des composés principaux obtenus à partir d’un test de criblage in vitro, ce modèle a démontré que les mêmes cellules cancéreuses peuvent être utiles et prédictives, ce qui est utile pour la sélection d’un composé cancéreux applicable pour la traduction en essai clinique.
Tableau 1.
Lignes cellulaires humaines utilisées pour le modèle de xénogreffe à un stade précoce.de xénogreffe de stade précoce
| Origine tumorale | Bonne lignée de culture cellulaire | Lignée de culture cellulaire acceptable |
|---|---|---|
| Colon | SW-620, KM12, HCT-116, HCT-15 | HCC-2998, DLD-1, KM20L2, COLO 205, HT29 |
| CNS | SF-295, SNB-75, U251 | |
| Poumon (Non-petites cellules) | NCI-H460, NCI-H522, NCI-H23 | NCI-H322M, EKVX, HOP-92 |
| Poumon (petites cellules) | DMS273 | DMS114 |
| Mammaire | ZR-75-1, MX-1 | UISO-BCA-1, MDA-MB-231, MCF-7, MCF-7/ADR-res,MDA-MB-435, MDA-N |
| Mélanome | LOX-IMVI, SK-MEL-28 | UACC-257, M14, SK-MEL-5 |
| Ovaire | OVCAR-5, SK-OV-3 | OVCAR-3, OVCAR-4, IGROV1 |
| Prostate | PC-3 | DU-145 |
| Rénal | CAKI-1, RXF393 | RXF631, A498,SN12C |
Les données ont été modifiées à partir de Ref. (1).
CNS, système nerveux central.
Parce qu’un modèle ectopique peut être utilisé pour surveiller facilement la tumorigénicité et la croissance tumorale, de nombreux chercheurs ont utilisé ce modèle pour évaluer l’efficacité anticancéreuse (10-12). Le volume de la tumeur (V) est calculé à partir de la plus grande longueur et de la plus petite longueur de la tumeur (équation1). A partir de plusieurs paramètres basés sur ces données, l’activité anticancéreuse peut être évaluée. Le rapport entre le groupe traité (T) et le groupe témoin (C) (% optimal T/C), le retard de croissance de la tumeur et la régression de la tumeur ont été utilisés (13-15). Les décès liés au médicament (DRD) et la variation du poids corporel ont été déterminés comme paramètres de toxicité. La DRD était présumée être des décès d’animaux dans les 15 jours, et une perte de plus de 20% du poids corporel des souris traitées par rapport au contrôle était considérée comme un effet indésirable.
Ces paramètres aident à tirer le composé principal du dépistage des médicaments. Parfois, la réponse aux médicaments selon les types de cancer pourrait être comparée sans différences individuelles, car deux types de cellules cancéreuses pourraient être transplantés spontanément dans la même souris et les deux tumeurs peuvent montrer des différences de croissance (16). De plus, le modèle ectopique est très reproductible, homogène et facile à utiliser.
Cependant, toutes les tumeurs ne peuvent pas être utilisées comme outil d’évaluation car certaines tumeurs montrent une nécrose pendant la tumorigénicité et certaines tumeurs ne sont pas solides (non substantielles). Les souris immunodéprimées utilisées pour fabriquer des modèles animaux représentent un microenvironnement différent de celui du cancer humain. Par conséquent, l’évaluation de l’invasion et des métastases est limitée dans ce modèle.
Modèle de xénogreffe de tumeur orthotopique. Des modèles alternatifs pour l’évaluation de la sensibilité des tumeurs ont été développés. Le modèle de xénogreffe de tumeur orthotopique (modèle orthotopique) est un outil avancé, mais il est basé sur un microenvironnement murin immunosuppressif. Dans le modèle orthotopique, les cellules cancéreuses humaines sont transplantées dans le même site d’origine de la tumeur. Par exemple, les cellules cancéreuses du poumon ont été directement injectées dans le poumon de la souris pour le modèle orthotopique (Fig. 1B). Dans ce modèle, un expert bien formé et doté de compétences chirurgicales est nécessaire pour garantir la reproductibilité. Le taux de prise de la tumorigénicité est difficile à calculer car presque toutes les tumeurs, à l’exception du mélanome, sont invisibles à l’œil nu. De plus, les modèles orthotopiques sont limités à la mesure de la croissance tumorale sans sacrifice contrairement aux modèles ectopiques sous-cutanés. À ce jour, l’imagerie est la méthode choisie pour suivre la progression des tumeurs en croissance dans les modèles orthotopiques. Actuellement, les modèles orthotopiques avec des lignées de cellules cancéreuses exprimant la fluorescence ou la luciférase sont observés par imagerie optique, tomographie informatisée (CT) ou imagerie par résonance magnétique (IRM) (17). Pour évaluer la carcinogenèse et déterminer la croissance tumorale sans sacrifice, un équipement coûteux est nécessaire, de sorte que la disponibilité de ce modèle est limitée. Néanmoins, ce modèle est cliniquement pertinent pour le processus de progression semblable à celui du patient (par exemple, l’invasion). Selon le rapport de Ho et de ses collègues, les tumeurs orthotopiques présentent une croissance tumorale, une angiogenèse et une hyperperméabilité des vaisseaux sanguins plus rapides au stade précoce que les tumeurs ectopiques (18). Dans certains types de cancer, des métastases ont également été observées. Par exemple, le modèle d’implant orthotopique de tumeur du coussinet adipeux mammaire est également un bon modèle pour le cancer du sein. Dans ce modèle, les métastases tumorales spontanées ressemblent à la progression naturelle du cancer du sein humain (19). Par conséquent, l’activité anticancéreuse et l’inhibition des métastases peuvent être évaluées dans le même modèle. Le modèle de métastase est décrit ci-dessous en détail.
Modèle de cancer métastatique. Les tumeurs qui se forment localement par l’exposition aux rayons ultraviolets, aux rayonnements ionisants et aux substances cancérigènes circulent dans les vaisseaux et les ganglions lymphatiques par invasion, provoquant des métastases (cancer secondaire) dans les sites qui se prêtent à l’invasion. Selon l’hypothèse de la graine et du sol de Paget, la cellule cancéreuse primaire (graine) initie la métastase dans un environnement approprié (sol) tel que le poumon, le foie, les os, la lymphe et le cerveau (20). Les recherches récentes ont stimulé le développement d’inhibiteurs de métastases et de médicaments préventifs basés sur des études des mécanismes de métastases, mais il n’y a pas eu d’outil d’évaluation préclinique pour définir des lignes directrices pour l’approbation d’un essai clinique.
Pour l’établissement d’un modèle de métastase, diverses méthodes ont été développées et il existe deux types de modèles de xénogreffes humaines. Premièrement, dans la transplantation orthotopique, les cellules tumorales transplantées donnent naissance à la tumeur primaire, la tumeur est retirée, puis les métastases sont observées. Par exemple, des cellules de mélanome WM239 ont été transplantées dans des souris présentant un déficit immunitaire combiné sévère (SCID) et la tumeur primaire a été isolée après 4 semaines. Ensuite, des métastases pulmonaires ont été observées (21). Le modèle orthotopique a été réalisé à partir de cellules de cancer de la prostate (DU145), et le ganglion lymphatique retiré a été mis en culture et les cellules tumorales isolées ont été réinjectées aux souris pour obtenir un modèle de métastase (22). Ensuite, des cellules cancéreuses ont été injectées par voie intraveineuse à des souris nude (Fig. 1C) ou SCID, où elles ont circulé comme des cellules souches cancéreuses et ont déclenché des métastases (23). Ce modèle est généré plus rapidement que le premier modèle. Dans l’hybride des modèles ectopique et orthotopique, des cellules HT- 29 (cancer du côlon humain) exprimant la fluorescence sont injectées par voie sous-cutanée dans le site ectopique et plusieurs morceaux de tumeurs dérivées de cellules HT-29 sont transplantés dans le côlon, puis des métastases sont observées (24). En général, un modèle de métastase est plus facilement obtenu chez les souris SCID que chez les souris nude. Étant donné que les métastases, comme dans le modèle orthotopique, sont difficiles à observer en apparence, sauf dans le cas du cancer de la peau (25), des lignées cellulaires génétiquement modifiées (cellules exprimant la fluorescence (24) ou la luciférase (26)) ont été utilisées et surveillées par imagerie optique in vivo. Ce modèle est souvent utilisé pour le thermodiagnostic, qui implique l’imagerie par IRM ou par tomographie par émission de positons (TEP) (27), afin de poser simultanément un diagnostic et de déterminer la thérapie anticancéreuse appropriée. À ce jour, les lignes directrices de l’utilisation des métastases comme outil d’évaluation pour le développement de médicaments n’ont pas été établies. Des études supplémentaires sur la reproductibilité, les mécanismes sous-jacents aux métastases et les marqueurs sont nécessaires.
Modèle de xénogreffe de tumeur dérivé du patient. Les modèles de xénogreffe, malgré leurs avantages, sont limités dans leur capacité à démontrer comment un patient cancéreux répondrait à un traitement particulier. La prédiction fiable de la réponse à un médicament dans un essai clinique est nécessaire, et les modèles actuels ne sont pas suffisants. Afin de remédier aux lacunes de ces modèles, une xénogreffe de tumeur dérivée d’un patient (PDTX) a été développée et utilisée (28,29). Comme la PDTX implique la transplantation de tissus de patients cancéreux directement dans des souris immunodéprimées (Fig. 1D), les informations génétiques et les marqueurs immunohistologiques sont en corrélation avec le patient et peuvent être appliqués pour évaluer de nouveaux médicaments anticancéreux (30) et des thérapies anticancéreuses personnalisées. Les différents avantages du PDTX peuvent être résumés comme suit : 1
Cependant, le modèle PDTX présente des contraintes techniques, et est coûteux et long. Avant tout, les tumeurs humaines primaires fraîchement excisées doivent être acheminées de la salle d’opération au laboratoire en quelques heures. Simultanément, un échantillon des tumeurs humaines primaires doit être examiné par analyse immunohistologique. Il est donc nécessaire d’établir une coopération entre le chirurgien, l’histologiste et le chercheur. Ensuite, les tumeurs humaines primaires d’origine peuvent être comparées aux tissus tumoraux de la greffe de tumeur passée. En outre, l’approbation d’un comité d’examen institutionnel (IRB) est nécessaire car l’utilisation de tissus tumoraux provenant de patients implique des considérations cliniques et éthiques. Malgré ces efforts, le taux de prise de PDTX est d’environ 25 % (31-33), et l’établissement de PDTX prend environ trois mois avant le premier passage (données non présentées). Comme pour la transplantation de xéno-organes, la première transplantation sur des souris SCID est nécessaire pour échapper à l’immunorejet aigu, ce qui est coûteux. En outre, le volume de tissu tumoral dérivé du patient est très limité, de sorte que le nombre de PDTX doit être augmenté par le passage de tissu tumoral. Simultanément, chaque passage de tissu tumoral doit être analysé histopathologiquement et comparé au tissu original. A partir du deuxième passage, des souris nude peuvent être utilisées. Les morceaux de tissus tumoraux peuvent être congelés et conservés dans l’azote liquide.
Malgré ces obstacles, le modèle PDTX établi est disponible pour la validation de la sensibilité des médicaments anticancéreux et la prédiction du pronostic des patients. Le PDTX est certainement un modèle extrêmement prometteur pour la thérapie personnalisée du cancer. Par conséquent, les centres de recherche mondiaux s’efforcent d’établir une banque de ressources de PDTX. Au cours de la dernière décennie, le modèle PDTX a connu un développement rapide. Ce modèle est un outil prometteur pour le développement de médicaments anticancéreux et de biomarqueurs prédictifs.