小动物活体光学成像技术在肿瘤研究中的应用

【字体: 时间:2014年04月21日 来源:基因有限公司

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  随着肿瘤研究的深入,应用传统方法(如卡尺测量肿瘤体积、肿瘤组织切片等)进行肿瘤研究已存在诸多限制。而利用灵敏的生物发光成像技术在肿瘤发生早期即可进行有效观测,从而对肿瘤的整个发展过程进行全程监测,有力弥补了传统方法的缺陷。

随着肿瘤研究的深入,应用传统方法(如卡尺测量肿瘤体积、肿瘤组织切片等)进行肿瘤研究已存在诸多限制。如进行组织切片观测前需要处死小鼠取出肿瘤组织,因此,在不同时间点或不同实验组都需要处死一批实验小鼠以获取足够的统计学数据,这样不但大大增加了实验成本,而且很难消除由于小鼠个体差异而产生的误差,无法获取可靠的重复性数据,同时,在制作切片时也无法保证实验的准确性,而利用活体光学成像技术可以对同一批小鼠进行不同时间点的长时间观测,进而大幅降低实验成本,并获取重复可靠的实验数据;又如通过利用卡尺测量肿瘤体积的方法,只能等肿瘤发展至可以测量的程度才能开展实验,因此,无法进行肿瘤早期观测及微小转移灶的观测。而利用灵敏的生物发光成像技术在肿瘤发生早期即可进行有效观测,从而对肿瘤的整个发展过程进行全程监测,有力弥补了传统方法的缺陷。

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常用于肿瘤活体成像的光学标记方法包括:

1、利用萤火虫荧光素酶(Firefly Luciferase)或荧光蛋白作为报告基因,通过转基因技术体外标记肿瘤细胞而直接观测肿瘤的发展变化,或标记特定基因而研究肿瘤相关基因在肿瘤发展中的作用;

2、通过外源注射功能性荧光探针,观测肿瘤发展过程中的分子事件,进而反映肿瘤的发展变化。
以下图例是使用萤火虫荧光素酶标记4T1乳腺癌细胞建立的皮下肿瘤模型,通过IVIS成像系统长期监测肿瘤的生长情况,在肿瘤细胞皮下注射的当天即可灵敏的观测到由5个被标记肿瘤细胞发出的光信号。
 
figure1:

定量分析显示,利用传统卡尺测量的方式(蓝色曲线)到30天左右才能明显看出肿瘤生长的差异,而利用生物发光成像技术(绿色曲线)在细胞皮下注射7天即可观测到肿瘤的生长,并对随后的发展变化进行长期观测。(Kim J-B, et al. (2010)  PLoS ONE 5(2):e9364)

另外,小动物光学活体成像技术在抗肿瘤药物的研发中也发挥重要的作用,利用荧光素酶标记肿瘤细胞,并移植入动物体内建立肿瘤疾病动物模型,应用小动物活体光学成像技术观测给药后肿瘤光学信号的变化情况,进而评价不同药物、特定的给药途径、时间、剂量等给药策略对于肿瘤的治疗效果。

例如figure2:利用萤火虫荧光素酶标记的MDA-MB-435乳腺癌细胞株,构建肾包膜肿瘤模型,对3种不同药物或不同剂量的治疗效果进行评价。

(A,C)应用IVIS 成像系统长期观测3种药物对肾包膜乳腺癌移植瘤的治疗效果,并进行定量分析,结果显示30 mg/kg Docetaxel(TXT)对肿瘤的生长抑制效果最好; (B,D)应用IVIS 成像系统长期观测3种药物对肾包膜乳腺癌移植瘤肺部转移的抑制效果,并进行定量分析,结果显示30 mg/kg Docetaxel(TXT)对肿瘤转移的抑制效果最好。(Cathy Zhang, et al. Clin Cancer Res  2009 )

相对于触诊、肿瘤体积测量等传统方法,利用高灵敏度的生物发光成像技术进行药物评价,可以更灵敏的发现残余病灶点或尽早发现肿瘤的复发,从而更准确的对药物治疗效果进行判定。利用生物发光成像技术进行药效评价的另一独特优势在于,可以明确判断药物是否有效杀死肿瘤活细胞。这是由于生物发光的原理是基于活细胞环境的酶促反应,因此,能够发光的细胞必定是具有活性的。

除了应用生物发光技术研究药物对于肿瘤的治疗效果之外,荧光成像技术同样可以应用于此类研究,主要方式为通过外源注射功能性荧光试剂观测药物对于肿瘤某一方面的治疗情况,如利用反映血管生成的荧光试剂观测药物对于肿瘤血管新生的抑制情况(figure 3);又如利用反映细胞凋亡的荧光试剂观测由于药物治疗而诱发的肿瘤细胞凋亡情况(figure 4)。

figure 3:应用AngioSense 680荧光试剂研究CT322药物在抑制肿瘤血管新生方面的作用效果。
M Ackermann , et al. INTERNATIONAL JOURNAL OF ONCOLOGY  2011

figure 4:应用Annexin-Vivo 750靶向类荧光试剂观测药物处理后引发的肿瘤细胞凋亡,定量结果显示应用荧光成像技术能够灵敏观测到药物诱导的细胞凋亡发生,而肿瘤体积测量数据显示对照组和治疗组的肿瘤体积无明显差异,因而无法反映药物诱导的细胞凋亡情况。
Kristof Schutters , et al. Apoptosis 2010

除了在肿瘤研究中的应用,小动物活体光学成像技术因其可实时监测活体内生物学事件的发生发展,以及操作极其简单、所得结果直观、灵敏度高等特点,在刚刚发展起来的几年时间内已在生命科学基础研究、临床前医学研究及药物研发等领域得到广泛应用。

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