LeGO-3D：基于光片荧光显微镜的肺转移瘤三维成像及血管化研究

《npj Imaging》：LeGO-3D: 3D imaging of lung metastases and vascularisation using light sheet fluorescence microscopy

本研究针对乳腺癌转移过程中克隆异质性与肺血管微环境的相互作用机制不明确的问题，通过光学条形码（LeGO）技术结合血管铸型（vessel casting）和光片显微镜（light sheet microscopy），实现了全肺叶三维成像。研究发现，多色转移灶（polychromatic metastases）虽数量较少，但更靠近血管且体积更大，提示血管邻近性可能促进多克隆转移的形成。该技术为大规模组织微环境中癌症动态研究提供了新范式。

　　

癌症转移是导致乳腺癌患者死亡的主要原因，其过程涉及癌细胞从原发灶脱落，通过淋巴或血液循环系统迁移至远端器官并形成转移灶。这一过程中，不同克隆的癌细胞在次级器官中的分布、生长及其与微环境的相互作用尚不明确。尤其肺作为乳腺癌常见的转移靶器官，其组织结构的区域异性和叶间不对称性，使得传统成像技术难以全面揭示转移灶的空间分布特征。

为解决上述问题，Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research的Sabrina M. Lewis团队在《npj Imaging》发表了题为“LeGO-3D: 3D imaging of lung metastases and vascularisation using light sheet fluorescence microscopy”的研究。该研究通过优化光学条形码（LeGO）技术，结合血管铸型和组织透明化方法，首次实现了全肺叶水平的三维光片显微镜成像，系统分析了乳腺癌细胞在肺内的克隆组成及与血管网络的空间关系。

关键技术方法

研究采用三色荧光蛋白（tSapphire, Venus, tdTomato）标记MDA-MB-231细胞，生成7种可追踪的条形码种群（BPs）。通过尾静脉注射（IV）或乳腺脂肪垫移植（MFP）建立转移模型，利用BSA-Alexa 647血管铸型标记肺血管网络，并通过PACT（passive clarity technique）组织透明化处理全肺叶。成像使用Zeiss Z.7光片显微镜，并开发半自动化分析流程（基于Ilastik和Python）量化转移灶体积、血管距离及表面接触面积等参数。

研究结果

1. 全肺叶三维成像与分析方法优化

通过光片显微镜成像和自定义分析流程，研究者实现了对肺叶内数千个转移灶的高通量三维定量分析。该流程包括通道分割、条形码分类（通过“位编码”识别7种BPs）、血管直径映射（局部厚度算法）及转移灶-血管距离计算（距离映射算法）。

2. MFP与IV模型转移灶特征对比

在IV注射（绕过 intravasation 过程）和MFP注射（自发转移模型）小鼠中，肺转移灶的克隆多样性无显著差异。但IV组出现更多超大体积转移灶（>5×10⁷ μm³），提示直接血道注入可能加速转移灶生长。此外，多色转移灶数量显著少于单色转移灶，但体积更大，与既往研究一致。

3. 转移灶与血管的空间关系

多色转移灶在所有体积分组中均比单色转移灶更靠近血管（p<0.05），且与血管的接触面积无显著差异。在IV模型中，多色转移灶邻近的血管直径更大，提示循环肿瘤细胞（CTC）簇可能通过较大血管发生优势外渗。

结论与意义

本研究建立的LeGO-3D平台首次将光学条形码、血管铸型和光片显微镜整合，实现了全肺叶尺度下转移克隆与血管微环境的动态分析。结果表明，血管邻近性可能通过促进多克隆协作或CTC簇外渗驱动多色转移灶形成。该技术可拓展至同系模型或患者来源异种移植（PDX）模型，为揭示器官特异性转移机制及治疗靶点筛选提供了重要工具。