In de afgelopen drie decennia hebben talloze laboratoria geprobeerd muismodellen van menselijke kankers te maken door menselijke kanker-geassocieerde mutaties in het muizengenoom te introduceren of door een genproduct tot overexpressie te brengen dat tot overexpressie wordt gebracht in menselijke kankers. De resulterende genetisch gemanipuleerde muismodellen (GEM) kunnen voor verschillende doeleinden worden gebruikt, zoals het vaststellen dat de nieuw geïntroduceerde genomische modificatie tumorigenese initieert, het identificeren van andere later optredende genetische of epigenetische veranderingen die bijdragen aan tumorprogressie, en het definiëren van de belangrijkste signaalroutes die tumorinitiatie en -progressie stimuleren. In tegenstelling tot orthotope xenotransplantaatmodellen, die afhankelijk zijn van het gebruik van immunodeficiënte muizen, hebben GEM-kankermodellen een volledig functioneel immuunsysteem en modelleren ze dus nauwkeuriger reacties op kandidaat-therapeutische middelen. Bij het gebruik van GEM-kankermodellen voor doeleinden als deze, is het echter essentieel dat onderzoekers bevestigen dat waarnemingen met GEM-neoplasmata relevant zijn voor hun menselijke tegenhangers. Deze validatie moet een grondige beoordeling van de pathologie van de GEM-neoplasmata omvatten en een bepaling of de pathologische kenmerken van de GEM-neoplasmata de pathologie van het overeenkomstige menselijke tumortype recapituleren.
Het tumorgevoeligheidssyndroom neurofibromatose type 1 (NF1) is de meest voorkomende genetische ziekte die het menselijk zenuwstelsel aantast en voorkomt bij ongeveer 1 op de 3.000-3.500 levendgeborenen 1,2,3. Personen die lijden aan NF1 ontwikkelen meerdere goedaardige perifere zenuwschedetumoren die bekend staan als neurofibromen in hun huid (dermale neurofibromen) en in grote zenuwen en zenuwplexussen (plexiforme neurofibromen). Hoewel zowel dermale als plexiforme neurofibromen de kwaliteit van leven van de patiënt verslechteren door fysieke, gedrags- en/of sociale beperkingen te veroorzaken, zijn plexiforme neurofibromen (PN's) bijzonder gevaarlijk 4,5. Dit komt omdat PN's vaak veranderen in kwaadaardige perifere zenuwschedetumoren (MPNST's), dit zijn agressieve spindelcelneoplasmata met een uitzonderlijk laag overlevingspercentage 1,2. Voor een groot deel is dit lage overlevingspercentage te wijten aan het feit dat de radio- en chemotherapeutische regimes die momenteel worden gebruikt om MPNST's te behandelen, niet effectief zijn. Het ontwikkelen van nieuwe, effectievere therapieën was echter een uitdaging. Dit komt omdat, ondanks hoe vaak MPNST's voorkomen bij NF1-patiënten, het nog steeds zeldzame neoplasmata zijn. Als gevolg hiervan is het erg moeilijk om grote aantallen menselijke tumoren voor onderzoek te verkrijgen; het is ook een uitdaging om voldoende patiënten met MPNST's te rekruteren voor klinische onderzoeken. Om deze beperkingen te overwinnen, zijn verschillende GEM-modellen gegenereerd met als doel meer inzicht te krijgen in de afwijkingen die de pathogenese van neurofibroom en de progressie van PN-MPNST aansturen en om preklinische proeven met kandidaat-therapeutische middelen te vergemakkelijken.
NF1-patiënten hebben inactiverende mutaties in één kopie van het NF1-gen. De pathogenese van neurofibroom wordt geactiveerd wanneer een inactiverende mutatie in het resterende functionele NF1-gen optreedt in een cel in de Schwann-cellijn. Verrassend genoeg echter, toen muizen werden gegenereerd met kiembaaninactiverende Nf1-mutaties, ontwikkelden ze geen neurofibromen 6,7. De daaropvolgende demonstratie dat muizen met Nf1-null Schwann-cellen en Nf1 haplo-insufficiëntie in alle andere celtypen (Krox20-Cre;Nf1flox/- muizen) ontwikkelde plexiforme neurofibromen suggereerden dat een verlaagde dosering van het Nf1-gen in extra celtypen vereist was voor de pathogenese van neurofibroom8. Zelfs dan, de plexiforme neurofibromen in Krox20-Cre; Nf1flox/- muizen ontwikkelden zich niet tot MPNST's en bootsten dus slechts gedeeltelijk de biologie van hun menselijke tegenhangers na. MPNST-pathogenese trad op wanneer Nf1-mutaties gepaard gingen met mutaties in aanvullende tumorsuppressorgenen zoals Trp539 of Cdkn2a10, maar MPNST's in deze GEM-modellen ontwikkelden zich de novo of uit atypische neurofibromateuze neoplasmata van onzeker biologisch potentieel (ANNUBP's)11,12, in plaats van uit reeds bestaande goedaardige plexiforme neurofibromen (zie13,14 voor uitstekende beoordelingen van deze modellen en andere modellen die aanvullende MPNST-geassocieerde mutaties met functieverlies introduceren in genen zoals Suz12 en Pten15).
Deze muismodellen zijn van onschatbare waarde geweest voor het vaststellen van de rol die genen zoals NF1, TP53 en CDKN2A spelen in de pathogenese van NF1-geassocieerde neoplasmata van het perifere zenuwstelsel en voor preklinische onderzoeken die kandidaat-therapeutische middelen testen. We hebben echter nog steeds een onvolledig begrip van het proces waardoor plexiforme neurofibromen zich ontwikkelen tot atypische neurofibromateuze neoplasmata met een onzeker biologisch potentieel (ANNUBP's16) en vervolgens MPNST's. Er is onlangs enige vooruitgang geboekt in het begrijpen van dit proces met het recente rapport dat muizen met deleties in Nf1 en Arf ANNUBP's ontwikkelen die evolueren naar MPNST's11. Er bestaan echter nog geen op Nf1-mutatie gebaseerde muismodellen die het proces van plexiforme neurofibroom-MPNST-progressie bij mensen volledig samenvatten. Bovendien is het niet duidelijk of er meerdere verschillende routes zijn die leiden tot de ontwikkeling van MPNST's. Daarom is het mogelijk dat de hierboven beschreven GEM's slechts een subset van verschillende routes modelleren die leiden tot neurofibroom-MPNST-progressie en MPNST-pathogenese. Dit punt wordt benadrukt door het feit dat MPNST's ook sporadisch voorkomen en dat sommige sporadische MPNST's blijkbaar geen NF1-mutaties hebben17,18.
Hoewel dit laatste punt is aangevochten door de recente suggestie van Magollon-Lorenz et al. dat ten minste enkele sporadische MPNST's zonder NF1-mutaties melanomen of een ander type sarcoomzijn 19, hebben we onlangs een sporadische MPNST en een cellijn afgeleid van deze tumor (2XSB-cellen) gerapporteerd die NF1 wildtype20 was. Tijdens de karakterisering van de moedertumor en de 2XSB-cellijn hebben we systematisch alternatieve diagnostische mogelijkheden uitgesloten, waaronder melanoom en de vele andere sarcoomtypes die routinematig worden overwogen in de differentiële diagnose van een sporadische kwaadaardige perifere zenuwschedetumor20. Bovendien merken we op dat Magollon-Lorenz et al. erkenden dat hun bevindingen in de drie sporadische MPNST-cellijnen die ze bestudeerden niet konden worden gegeneraliseerd om aan te geven dat alle tumoren die als sporadische MPNST's worden geïdentificeerd, geen MPNST's zijn.
Om een GEM-model te construeren waarin neurofibroom en MPNST-pathogenese niet noodzakelijkerwijs afhankelijk waren van specifieke tumorsuppressorgenmutaties, genereerden we transgene muizen waarin overexpressie van het krachtige Schwann-celmitogeen neureguline-1 (NRG1) werd aangedreven door de Schwann-celspecifieke myeline-eiwit nul (P0) promotor (P 0-GGFβ3-muizen)21. We hebben eerder aangetoond dat menselijke neurofibromen, MPNST's en MPNST-cellijnen verschillende NRG1-isovormen tot expressie brengen, samen met de erbB-receptortyrosinekinasen (erbB2, erbB3 en erbB4) die NRG1-signalering mediëren en dat deze erbB-receptoren constitutief worden geactiveerd22. We hebben ook aangetoond dat farmacologische remmers van de erbB-kinasen de proliferatie van MPNST22, overleving23 en migratie24 krachtig remmen. In overeenstemming met onze waarnemingen bij mensen, ontwikkelen P 0-GGFβ3-muizen plexiforme neurofibromen25 die zich ontwikkelen tot MPNST's met een hoge frequentie21,25. We hebben aangetoond dat P 0-GGFβ3 MPNST's, net als hun menselijke tegenhangers, vaak mutaties van Trp53 en Cdkn2a ontwikkelen, evenals tal van andere genomische afwijkingen die mogelijk bijdragen aan tumorigenese25. MPNST's die voorkomen in P 0-GGFβ3-muizen hebben geen inactiverende Nf1-mutaties. Met behulp van genetische complementatie toonden we echter aan dat NRG1 tumorigenese bevordert bij P 0-GGFβ3-muizen, voornamelijk via dezelfde signaalcascades die worden veranderd door Nf1-verlies 26; deze conclusie is gebaseerd op onze bevinding dat het vervangen van NRG1-overexpressie door Nf1-verlies in aanwezigheid van Trp53-haplo-insufficiëntie (P 0-GGFβ3;Trp53+/- muizen) produceert dieren waarin MPNST's zich de novo ontwikkelen, zoals te zien is in cis-Nf1+/-; Trp53+/- muizen27.
Om deze en andere informatie te verkrijgen die aantoont dat P 0-GGFβ3-muizen nauwkeurig de processen van pathogenese van neurofibroom en progressie van neurofibroom-MPNST modelleren die worden gezien bij mensen met NF1, hebben we gespecialiseerde methodologieën ontwikkeld voor het verwerken van weefsels van deze dieren, het nauwkeurig diagnosticeren van hun tumoren, het beoordelen van de MPNST's die bij deze muizen ontstaan, het vaststellen en karakteriseren van vroege passage P0-GGFβ3 en P0-GGFβ3; Trp53+/- MPNST-culturen en kritische vergelijking van de pathologie van P 0-GGFβ3 PN's en MPNST's en P0-GGFβ3; Trp53+/- MPNST's aan die van hun menselijke tegenhangers. Veel van deze methodologieën zijn generaliseerbaar naar andere GEM-modellen van neoplasie van het zenuwstelsel. Bovendien zijn verschillende van deze methodologieën breder toepasbaar op GEM-modellen waarin neoplasmata ontstaan in andere orgaansites. Daarom geven we hier een gedetailleerde beschrijving van deze methodologieën.