作者:张冬冬 来源:中国科学报 发布时间:2014-5-12 10:53:28
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活体成像:把癌症抓个现行
影像学新技术成医学发展利器

 
在我们展示影片时,当人们看到肿瘤病变如何演化,都惊讶地站了起来。这是一种认知上的改变。
 

活小鼠体内癌症细胞的影像显示了黑色素瘤细胞如何侵入皮肤组织。图片来源:Bettina Weigelin & Peter Friedl
 
当Mikala Egeblad完成第一个活鼠体内肿瘤细胞的活动影片时,她兴奋不已。在那之前,她已经对显微切片上的样本进行了研究。不过在活的动物体内观察细胞则令人产生更为鲜活的感知。“就像你打开显微镜观察活的老鼠,相同的细胞突然间疯狂地动来动去。”美国纽约冷泉港实验室癌症研究员Egeblad说道,“它真的改变了我的想法。”
 
越来越多的癌症研究人员正在寻找机会观察原生环境中的单个肿瘤细胞。在静态组织培养研究中,研究人员不得不推断肿瘤附近的癌细胞和其他细胞可能在做什么以及它们可能会如何相互作用。一种被称为活体成像的方法能够追踪活的动物体内的癌变,可以将这些互动表现出来,并允许生物学家放大显示导致疾病或抵抗治疗的肿瘤中的少数危险细胞。
 
这项技术出现的时间并不长,实验室仍在研究如何最好地分析生成的视频数据。不过过去10年里活体成像技术的不断使用已经帮助科学家拼凑出了关键的细胞和分子时间的时间轴,例如肿瘤细胞进入血管的过程等。这样的线索产生了关于癌症如何生长、传播和抵抗治疗的新假设。这些信息最终会使药物开发者了解为何无法治疗一些癌细胞。
 
成像技术很快引起了人们的注意。“在我们展示影片时,当人们看到肿瘤病变如何演化,都惊讶地站了起来。”荷兰内梅亨大学的Peter Friedl说道,“这是一种认知上的改变。”
 
深入观测
 
活体成像技术在20世纪90年代末被癌症生物学家首次使用,包括使用强大的显微镜直接观察活的麻醉老鼠的暴露组织。由于技术改进令其可以进一步窥测组织,现在可深达20个细胞处,并梳理出微弱的信号,更多的实验室已经采用了活体成像技术。不断增长的分子标记库令研究人员能够可视化8种不同类型的细胞与结构,包括血管中的各种免疫细胞和内皮细胞。“分子标记和显微镜技术是一个强大的组合。”南旧金山Genentech生物科技公司分管分子肿瘤领域的副总裁Frederic de Sauvage表示。
 
这些因素共同构建了一个全面的癌症图景,展示了这种细胞迁移、扩散和交互的复杂生态系统。尽管癌症研究人员早就明白,肿瘤中的细胞具有遗传异质性,但活体成像技术揭示了单个细胞的行为也可以是不同的。例如,癌细胞能以单独或者集体的形式生长,这取决于肿瘤类型及其环境。
 
显微镜观察到的一个神秘的细胞行为是巨噬细胞的活动。巨噬细胞是一种免疫细胞,通常会吞没病原体,去除死细胞并刺激免疫反应。巨噬细胞可以引起免疫细胞对抗癌症,但更常见的情况是,它们会促进肿瘤的生长与扩散。
 
活体成像研究表明,巨噬细胞与肿瘤细胞和内皮细胞一起共同形成了一个结构,可以像泵一样使肿瘤细胞进入血液,这是癌症转移的关键一步。爱因斯坦医学院的John Condeelis所领导的研究团队在研究啮齿动物时发现,当巨噬细胞接触到乳腺肿瘤细胞时,肿瘤细胞变得更具侵入性,降解了血管周围富含蛋白质的基质,令内皮细胞之间产生挤压。巨噬细胞导致内皮细胞彼此间失去联系,血管壁张开了一个孔,允许肿瘤细胞流出组织进入血管。
 
Condeelis的团队表明,这种“泵”在人类乳腺癌中同样存在。该团队还确认了3个分子标记。在对60名乳腺癌患者的研究中,肿瘤中的“泵”密度较高的患者的其他器官更可能出现癌变。新成立的MetaStat公司已经注册了这种预测技术,并正在开发一种测试,以预测乳腺癌患者癌变转移的风险。该公司希望在今年年底开展临床试验。Condeelis的团队也在致力于使用磁共振成像来确定“泵”的运作机制,避免使用患者的组织切片。
 
其他人使用活体成像追踪人体内的癌症药物,并探索一些药物治疗失败的原因。癌症生物学家通常通过测量小鼠体内肿瘤增长和大小的变化测试化疗药物的效果。活体成像提供了一种更直接的方式,可以揭示肿瘤中的哪些细胞摄入了药物以及它们是否会存活或死亡。
 
Egeblad及其团队制作了阿霉素的影片,阿霉素是一种天然的荧光抗癌药物,它可以渗透到小鼠乳腺肿瘤中。即使在肿瘤的小区域中,药物进入细胞以及细胞死亡的数量的可变性令研究人员感到惊讶。他们发现,一个重要因素是肿瘤中血管的“泄漏”。中期肿瘤比早期或者晚期肿瘤含有更多的多孔血管,因此对药物更加敏感。Egeblad表示,提高血管渗透性的化合物可能会因此增强抗癌药物的输送。
 
成像之后
 
为了摄制活的老鼠体内的影片,研究人员最初仅限于单一成像。理想情况下,他们会看到同一个动物体内在数天或数周内的肿瘤状况,以追踪其长期变化。许多人正在采用一项技术,将一个玻璃盖玻片植入老鼠皮肤中。这些方式能够提供包括大脑、腹部和乳腺等区域的视图,允许研究人员多次获得同一只小鼠的相同区域的影像。在获得影像后,小鼠会醒来,并继续正常生存。
 
利用这些窗口,荷兰乌得勒支Hubrech研究所的Jacco van Rheenen带领的团队观察到,在两个星期的时间里,结直肠肿瘤细胞进入了活小鼠的肝脏。在最初的几天里,新的癌细胞在其肝脏的小区域内活动,但是到第五天时,他们已经停止迁移,并越来越密集。研究小组发现,肿瘤在小鼠体内传播初期,抑制细胞迁移的一种分子治疗能够减少之后产生的转移性肝肿瘤的数量。
 
随着活体成像技术的成熟,该领域的发展已经超越了引人注目的影像制作阶段,并开始生成定量数据的详细信息,例如细胞移动的速度与方向。这些数据让研究人员构建和完善了细胞行为的数学模型。Friedl称,例如,它们可以预测肿瘤细胞如何侵入组织。
 
不过,Egeblad表示,产生这种定量数据是困难且耗时的:分析影像的时间是制作影像时间的15倍。一些人注意到,用于数据影像分析的软件的作用是有限的,因此许多实验室都正在编写自己的程序。
 
活体成像持续面临着技术上的挑战。De Sauvage称,该技术仅能访问近表面的组织,这使得它只适用于几个肿瘤类型。将活体成像与分子生物的传统工具整合起来也很困难,这些工具包括研究人员用于观察细胞信号通路何时何地打开的荧光生物传感器。Van Rheenen称,许多传感器适用于体外,研究人员操纵细胞从而放大信号的变化,但对于体内更微妙的变化却不够敏感。冷泉港癌症遗传学家Scott Powers表示,这种信息可能会提供分子逃跑路线的信息,允许一些肿瘤细胞逃避抗癌药物的影响。“它有助于了解细胞内的生化反应。”
 
目前,Egeblad在其成像工作中正在试图整合生化和遗传工具。她很快就会推出一个新项目,追踪小鼠乳腺肿瘤在几周的生长过程中不同子集的细胞的演变过程。在实验结束时,她的团队将移除肿瘤,并对单个细胞进行基因测序。其目的是将肿瘤不同区域的基因特征与细胞行为联系起来。其团队还计划制作关于肿瘤生长时主要癌症基因的活动。
 
对于Egeblad来说,新项目令她想起了最初吸引她研究活体成像的问题:肿瘤的不同组件及其环境如何共同生长?Powers称,与Egeblad共同工作,以及看到她制作的影像,帮助他了解了肿瘤环境,不仅仅是其基因,如何影像癌症。“它怎么会没有影响呢?人们正在记录着以前没有记录过的事情。”Powers说。(张冬冬)
 
《中国科学报》 (2014-05-12 第3版 国际)
 
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