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非侵入性成像技术的临床前应用

2018-12-11

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在本篇临床前成像导论中,我们将探讨光学成像技术(如生物发光及荧光成像)及其临床前肿瘤模型和抗癌药研发体内应用。

临床前成像技术

“临床前成像”含一系列既可单独使用也可结合使用的技术,其中包括解剖x射线、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)和分子模式,如正电子发射断层扫描(PET)和光学成像。

在上述提及的技术中,光学成像的使用越来越普遍。在本文中,我们使用荧光成像或生物发光组织,或探针,这些都能在活体动物体内进行非侵入性检测。由于光学成像具有成本低廉、数据易于解析、探针灵活等优势,在临床前研究中用于可视化诸多方面,因而得到普及。

癌症模型中临床前光学成像技术的应用

光学成像在肿瘤学研究中已经找到了市场定位。在临床前肿瘤学中,传统皮下移植瘤模型较为完善,在新药研发过程中保持作为组成元素。传统皮下移植瘤操作简单,易于植入和判断,评估疾病进展,效果立竿见影。

随着最新发展,人源肿瘤异种移植(PDX)模型、同种模型及转基因动物自发性肿瘤模型,时至今日,有多种皮下移植瘤模型可供研究人员从中选择。

然而,如果原位模型、全身性模型和转移性模型较为复杂,疾病负担评估难度就会加大。与传统模型相比,这类模型能更加准确地模拟患者相关病变,因此较为实用。在临床相关部位生长,模型往往会发育成更具代表性的肿瘤血管系统,更能完美重现肿瘤微环境。所有这些会使治疗反应预测更为精确。

通常情况下,这些模型无法触诊,首次植入时也无法在远端部位生长,因此在研究之初确定个体动物疾病负担存在一定难度。这就需要更大的研究群体才能对差异性做出解释,而肿瘤负担通常仅用末端终点判断。

光学成像:实时监测了解疾病机理

光学成像体现价值:运用成像技术,在整个研究过程中我们都能通过单只动物跟踪发病情况与病情传播。动物体内的病情迹象,在开始治疗之前及在发病期间的不同时间点都可进行判断。

在药物治疗过程中监测病情,也能使每一个体动物有效地自我对照。

此外,成像技术还能实时可视化体内适用标记实体,如治疗学。在与x射线、计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)等辅助成像技术一起使用时,我们可将解剖数据与生物数据进行配准,从而更深入了解作用机理。

生物发光和荧光成像

光学系统使用生物发光和荧光技术成像。

生物发光成像

生物发光成像是一种生物化学反应——酶素暴露于底物就会发光。尽管也有其它几种荧光素酶可用,但是在光学成像过程中,萤火虫荧光素酶还是最常结合其底物荧光素一起使用。

慢病毒转导比较稳定,建立生物荧光细胞系的过程也相对简单。这样,正如转基因要求一样,否定了克隆选择的必要性。荧光素酶阳性细胞可自行定制,亦可从市场购买。自行定制完成之后,进行短串联重复序列(STR)分析,保证DNA分析能与亲本系相匹配,整个过程仅需5 周的时间即可。

然后,将荧光素酶表达细胞接种至实验动物体内。典型实验中,在成像前立即为受体注射荧光素。荧光素到达表达荧光素酶的细胞时,就会发光。光源被检测且与疾病负担相互关联。

运用光学成像技术,高度复杂的癌症模型得以快速培育,为下述领域研究带来无限的可能性:

  • 肿瘤直接植入大脑、前列腺、肺和肝脏等体内器官。
  • 乳腺癌和淋巴系统转移模型。
  • 恶性骨病模型。
  • 白血病等血液病模型。

荧光成像

如果无法使用或不适用生物荧光成像,可采用荧光成像技术。多种荧光基团在现有市场中即可买到。

对于大多数可见波长的入射激发光,像血红蛋白之类的动物组织结构能吸收也能发散,因此利用可见光进行体内光学成像难度很大。如此一来,透光度受到限制,导致荧光信号发射微弱,难以进行一致性检测。

在光谱近红外部分,一些荧光基团已形成了超过680nm的发射波长。这些荧光基团最适于体内成像,因为组织在这些波长实际上是透明的。很多实体都可使用荧光基团作为标记,其中包括:小分子药物,抗体,或者T细胞,这样我们就能在活体动物体内实时观察发生的一系列生物事件。

肿瘤药物研发成像临床前模型

为了抗癌药的研发,多种生物发光临床前模型被建立。除用于免疫疗法培育的生物荧光同种模型之外,还包括生物荧光原位和转移细胞系源异种移植模型,结合高灵敏度检测技术(如IVIS Illumina III型体内成像系统和IVIS®频谱计算机断层成像(CT))监测癌症进展。

在不同的癌症分期阶段,成像临床前癌症模型均可提供极富价值的病情信息,包括模拟原发病变的原位模型,以及重现癌症晚期阶段进展的自发性和实验性转移成像。

分子过程的光学成像

除了能在癌症模型中监测肿瘤生长与转移之外,光学成像技术还能研究一系列疾病类型的不同分子过程,例如:

  • 感染和炎症。
  • 带病动物体内标记免疫细胞分布。
  • 肿瘤微环境变化、坏死细胞发育、血管形成。
  • 疾病生物指标的可视化及量化。
  • 报告基因成像。
  • 标记药物、抗体药物、ADCs、纳米颗粒的生物分布。

成像数据还有助于优化剂量和给药策略,细化体内研究,最终使从实验室到临床转换得以改善。综合利用不同荧光素酶和荧光基团,我们可以在同一实验同一动物体内找到了若干不同问题的答案。

结论

光学成像技术快速、灵敏、可靠且划算,可阐明一系列的生物学难题:

  • 利用一系列的生物荧光和荧光标记,在同一实验中可研究若干生物学难题。
  • 我们可在活体动物体内实时跟踪原位、转移性和全身性疾病,在整个研究过程中都能评估疾病负担。
  • 抗体、ADCs、纳米颗粒和体内小分子之类治疗实体的可视化生物分布。
  • 能阐明其药效学作用及坏死等微环境因素。
  • 可用于多种疾病模型,包括癌症、感染和炎症。
  • 在若干时间点对各小鼠进行纵向跟踪,减少每项研究所需的小鼠数量。
  • 可结合其它成像模式使用,在提供生物数据的同时提供解剖学参考点。

Topics: Oncology

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