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Perché un modello ectopico può essere usato per monitorare facilmente la tumorigenicità e la crescita tumorale, molti ricercatori hanno utilizzato questo modello per la valutazione dell’efficacia anticancro (10-12). Il volume del tumore (V) è calcolato dalla lunghezza maggiore e dalla lunghezza minore del tumore (Equazione 1). Da diversi parametri basati su questi dati, l’attività anticancro può essere valutata. Il rapporto tra il gruppo trattato (T) e il gruppo di controllo (C) (% ottimale T/C), il ritardo della crescita tumorale e la regressione tumorale sono stati utilizzati (13-15). Sono stati determinati i decessi legati alla droga (DRD) e il cambiamento del peso corporeo come parametri di tossicità. DRD era presunta la morte degli animali entro 15 giorni, e oltre il 20% di perdita di peso corporeo del topo trattato rispetto al controllo era considerato un effetto avverso.

Questi parametri aiutano a trarre il composto principale dallo screening dei farmaci. Occasionalmente, la risposta ai farmaci a seconda dei tipi di cancro potrebbe essere confrontata senza differenze individuali, perché due tipi di cellule tumorali potrebbero essere trapiantate spontaneamente nello stesso topo e i due tumori possono mostrare differenze di crescita (16). Inoltre, il modello ectopico è molto riproducibile, omogeneo e facile da usare.

Tuttavia, non tutti i tumori possono essere usati come strumento di valutazione perché alcuni tumori mostrano necrosi durante la tumorigenicità e alcuni tumori non sono solidi (non sostanziali). I topi immunosoppressi utilizzati per realizzare modelli animali rappresentano un microambiente diverso da quello del cancro umano. Pertanto, la valutazione dell’invasione e delle metastasi è limitata in questo modello.

Modello di xenotrapianto tumorale ortotopico. Sono stati sviluppati modelli alternativi per la valutazione della sensibilità del tumore. Il modello xenograft di tumore ortotopico (modello ortotopico) è uno strumento avanzato, ma si basa su un microambiente murino immunosoppressivo. Nel modello ortotopico, le cellule tumorali umane sono trapiantate nello stesso sito di origine del tumore. Per esempio, le cellule tumorali del polmone sono state direttamente iniettate nel polmone del topo per il modello ortotopico (Fig. 1B). In questo modello, un esperto ben addestrato con competenze chirurgiche è necessario per garantire la riproducibilità. Il tasso di presa di tumorigenicità è difficile da calcolare perché quasi tutti i tumori tranne il melanoma sono invisibili ad occhio nudo. Inoltre, i modelli ortotopici sono limitati alla misurazione della crescita tumorale senza sacrificio a differenza dei modelli ectopici sottocutanei. Ad oggi, l’imaging è il metodo scelto per monitorare la progressione dei tumori in crescita nei modelli ortotopici. Attualmente, i modelli ortotopici con linee di cellule tumorali che esprimono fluorescenza o luciferasi sono osservati tramite imaging ottico, tomografia computerizzata (CT) o risonanza magnetica (MRI) (17). Per valutare la carcinogenesi e determinare la crescita del tumore senza sacrifici, sono necessarie attrezzature costose, quindi la disponibilità di questo modello è limitata. Tuttavia, questo modello è clinicamente rilevante per il processo di progressione simile a quello del paziente (per esempio, l’invasione). Secondo la relazione di Ho e dei suoi colleghi, i tumori ortotopici mostrano una crescita tumorale più rapida nella fase iniziale, angiogenesi e iperpermeabilità dei vasi sanguigni rispetto ai tumori ectopici (18). In alcuni tipi di cancro, sono state osservate anche metastasi. Per esempio, il modello ortotopico di impianto del tumore del cuscinetto di grasso mammario è anche un buon modello per il cancro al seno. In questo modello, le metastasi tumorali spontanee assomigliano alla progressione naturale del cancro al seno umano (19). Pertanto, l’attività antitumorale e l’inibizione delle metastasi potrebbero essere valutate nello stesso modello. Il modello di metastasi è descritto di seguito in dettaglio.

Modello di cancro metastatico. I tumori che si formano localmente con l’esposizione ai raggi ultravioletti, alle radiazioni ionizzanti e agli agenti cancerogeni circolano all’interno dei vasi e dei linfonodi attraverso l’invasione, causando metastasi (cancro secondario) in siti che sono suscettibili di invasione. Secondo l’ipotesi del seme e del terreno di Paget, la cellula tumorale primaria (seme) inizia le metastasi in un ambiente adatto (terreno) come il polmone, il fegato, l’osso, la linfa e il cervello (20). La ricerca recente ha stimolato lo sviluppo di inibitori di metastasi e di farmaci preventivi basati sugli studi dei meccanismi di metastasi, ma non c’è stato uno strumento di valutazione preclinica per definire le linee guida per l’approvazione di una sperimentazione clinica.

Per stabilire un modello di metastasi, sono stati sviluppati vari metodi e ci sono due tipi di modelli xenografici umani. In primo luogo, nel trapianto ortotopico, le cellule tumorali trapiantate danno origine al tumore primario, il tumore viene rimosso e poi si osservano le metastasi. Per esempio, le cellule di melanoma WM239 sono state trapiantate in topi con immunodeficienza combinata grave (SCID) e il tumore primario è stato isolato dopo 4 settimane. Poi, sono state osservate metastasi polmonari (21). Il modello ortotopico è stato fatto da cellule di cancro alla prostata (DU145), e il linfonodo rimosso è stato coltivato e le cellule tumorali isolate sono state reiniettate nei topi per ottenere un modello di metastasi (22). In secondo luogo, le cellule tumorali sono state iniettate per via endovenosa in topi nudi (Fig. 1C) o SCID, dove hanno circolato come cellule staminali tumorali e hanno innescato le metastasi (23). Questo modello è stato generato più velocemente del primo modello. Nell’ibrido dei modelli ectopici e ortotopici, le cellule HT- 29 (cancro del colon umano) che esprimono fluorescenza vengono iniettate per via sottocutanea nel sito ectopico e diversi pezzi di tumori derivati dalle cellule HT-29 vengono trapiantati nel colon, e quindi si osservano metastasi (24). In generale, un modello di metastasi è più facilmente ottenibile nei topi SCID che nei topi nudi. Poiché le metastasi, come nel modello ortotopico, sono difficili da osservare in apparenza, tranne nel caso del cancro della pelle (25), sono state utilizzate linee cellulari geneticamente modificate (fluorescenza (24) o cellule che esprimono luciferasi (26)) e monitorate utilizzando l’imaging ottico in vivo. Frequentemente, questo modello viene applicato per la teragnosi, che prevede l’imaging mediante risonanza magnetica o tomografia a emissione di positroni (PET) (27) per diagnosticare e determinare contemporaneamente la terapia anti-cancro appropriata. Ad oggi, le linee guida per l’utilizzo delle metastasi come strumento di valutazione per lo sviluppo di farmaci non sono state stabilite. Sono necessari ulteriori studi sulla riproducibilità, sui meccanismi alla base delle metastasi e sui marcatori.

Modello di xenotrapianto tumorale derivato dal paziente. I modelli di xenotrapianto, nonostante i loro vantaggi, sono limitati nella loro capacità di dimostrare come un paziente con cancro risponderebbe a un particolare trattamento. La previsione affidabile della risposta ai farmaci in uno studio clinico è necessaria, e i modelli attuali non sono sufficienti. Nel tentativo di affrontare le carenze di questi modelli, è stato sviluppato e utilizzato uno xenotrapianto di tumore derivato dal paziente (PDTX) (28,29). Poiché il PDTX comporta il trapianto di tessuti di pazienti affetti da cancro direttamente in topi immunocompromessi (Fig. 1D), le informazioni genetiche e i marcatori immunoistologici sono correlati al paziente e possono essere applicati per valutare nuovi farmaci antitumorali (30) e terapie personalizzate del cancro. I diversi vantaggi di PDTX possono essere riassunti come segue: 1

Tuttavia, il modello PDTX ha dei limiti tecnici, ed è costoso e richiede tempo. Soprattutto, i tumori umani primari appena escissi devono essere consegnati dalla sala operatoria al laboratorio entro diverse ore. Contemporaneamente, un campione dei tumori umani primari deve essere esaminato mediante analisi immunoistologica. Pertanto, è necessaria la cooperazione tra il chirurgo, l’istologo e il ricercatore. Poi, i tumori umani primari originali possono essere confrontati con i tessuti tumorali del trapianto tumorale passato. Inoltre, è necessaria l’approvazione di un comitato di revisione istituzionale (IRB) perché l’utilizzo di tessuto tumorale derivato dal paziente comporta considerazioni cliniche ed etiche. Nonostante questi sforzi, il tasso di assunzione di PDTX è circa il 25% (31-33), e l’istituzione di PDTX richiede circa tre mesi al primo passaggio (dati non mostrati). Come per il trapianto di xeno-organi, il primo trapianto in topi SCID è necessario per sfuggire all’immunoreiezione acuta, e questo è costoso. Inoltre, il volume del tessuto tumorale derivato dal paziente è molto limitato, quindi il numero di popolazione di PDTX deve essere aumentato tramite il passaggio del tessuto tumorale. Contemporaneamente, ogni passaggio di tessuti tumorali deve essere analizzato istopatologicamente e confrontato con il tessuto originale. Dal secondo passaggio, i topi nudi possono essere utilizzati. I pezzi di tessuto tumorale possono essere congelati e conservati in azoto liquido.

Nonostante questi ostacoli, il modello PDTX stabilito è disponibile per la convalida della sensibilità dei farmaci anticancro e la previsione della prognosi del paziente. PDTX è certamente un modello estremamente promettente per la terapia personalizzata del cancro. Di conseguenza, i centri di ricerca globali si preoccupano di stabilire una banca di risorse di PDTX. Negli ultimi dieci anni, il modello PDTX si è sviluppato rapidamente. Questo modello è uno strumento promettente per lo sviluppo di farmaci antitumorali e biomarcatori predittivi.