微内窥镜技术实现肿瘤细胞周期性活体端到端成像及其在抗癌治疗评估中的应用

本文推荐一种创新的微内窥镜技术，通过光纤束（350 μm直径）结合荧光细胞周期指示系统（Fucci），实现了肿瘤小鼠模型中活体、端到端（end-to-end）的细胞级分辨率成像。该技术可动态监测肿瘤生长及抗癌药物（如阿霉素DXR、博来霉素BLM）作用下癌细胞增殖活性（S/G2/M期比例）与核尺寸变化，为肿瘤生物学和抗癌治疗研究提供了高时空分辨率的评估工具。

　　

引言

肿瘤进展受细胞增殖与死亡关系的调控，但肿瘤微/宏观环境中癌细胞行为存在显著异质性。传统成像技术（如CT、MRI）无法实现活体细胞级分辨率，而多光子显微镜仅能观察浅表区域（深度<1 mm）。本研究开发了一种基于光纤束的微内窥镜系统，结合荧光泛素化细胞周期指示器（Fucci(SA)5），实现了对肿瘤全层（深度>1 cm）的周期性活体成像，为揭示抗癌药物作用机制提供了新工具。

结果

微内窥镜系统的构建与验证

研究采用直径350 μm、含10,000根光纤的束状探头，尖端加工为60°竹矛形以降低插入损伤。该系统可清晰识别2 μm荧光微珠，空间分辨率满足细胞核观测需求（图1）。在HT1080/Fucci(SA)5纤维肉瘤小鼠模型中，微内窥镜以0.069 mm/s速度穿透肿瘤，2.5分钟内完成1 cm直径肿瘤的端到端成像（视频S1）。通过对比固定组织的共聚焦图像，证实内窥镜扫描深度约13.8 μm，细胞密度与15 μm厚切片相当（图2A）。

肿瘤异质性与动态监测

成像显示肿瘤表层（距边缘5%区域）S/G2/M期细胞比例显著高于中心区（图2I），而G1/G0期细胞在中心区富集。血管密度分析进一步揭示表层高增殖区与血管分布正相关（图S2C-E）。时间序列追踪发现，随着肿瘤生长，S/G2/M细胞比例下降，但核尺寸无显著变化（图2D′-D′′）。抗癌药物（DXR/BLM）处理后，S/G2/M比例迅速降低，停药后比例回升先于肿瘤复发（图4C-D）。

伪断层图像合成与机械参数分析

研究开发了四步算法从内窥视频生成2D伪断层图像（图3A）：（1）拉普拉斯-高斯滤波检测细胞；（2）追踪目标细胞；（3）平均化图像；（4）基于整合向量的坐标排列。该图像可直观展示细胞分布模式（图3D），并同步输出组织刚度相关参数（如细胞迁移速度/角度）（图3E）。

抗癌药物疗效评估

阿霉素（DXR）和博来霉素（BLM）显著抑制肿瘤生长并降低S/G2/M比例，而帕唑帕尼（PAZ）+丙戊酸钠（VAL）组效果较弱（图4A-D）。药物诱导的核增大呈现时空异质性：BLM主要影响S/G2/M期细胞，DXR则作用于G1/G0期细胞（图4K-L）。核增大现象在表层先出现，可能与药物血管渗透梯度相关（图S3C-D）。

讨论

该技术突破了现有成像设备的深度与分辨率限制，其低创伤性允许重复观测。核增大作为药物反应的标志物，可能与内复制（endoreplication）或细胞融合有关。未来可通过结合缺氧探针或Fucci(CA)5（区分S/G2期）进一步拓展应用。初步脑胶质瘤模型实验（图S5）证实了其在深部器官的适用性。

研究局限性

系统分辨率受单根光纤芯径（2 μm）限制，难以观察染色质等亚细胞结构。此外，组织固定过程可能造成共聚焦图像与内窥数据的轻微偏差（图S2B）。

资源与致谢

HT1080/Fucci(SA)5细胞由RIKEN BRC提供，伪断层合成代码已开源。研究受日本文部科学省（18H02724）及AMED（JP15dm0207001）资助。

作者贡献

T.G.、M.N.和S.D.主导动物实验；A.S.-S.和A. Miyawaki开发Fucci系统；I.N.编写图像合成程序；Y.K.和K.F.统筹研究。技术已申请专利（PCT/JP2022/015824）。