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非实体瘤临床前成像技术

2019-01-15

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了解临床前成像技术如何有助于克服白血病及其它非实体肿瘤建模相关的难题。

癌症研究及药物研发中的临床前小鼠模型

在癌症研究中使用临床前小鼠模型,主要出于2个主要原因。一是能帮助我们检查人类生理状况的生物模型,利用这些模型,我们能进一步了解临床情况。

模型也可用作治疗进展综合手段的一部分。我们借助这些模型,确定一种新型药物在其可实现浓度条件下是否能到达其作用靶标,从而获得明显的抗肿瘤效果,并且未伴有不合理的毒性。

常见模型类型

皮下细胞株模型有助于我们对新型药物治疗的可行性进行评估。然而,即使肿瘤会在小鼠侧翼形成肿块,但是从生理上来说,这些肿瘤无法表现疾病特征。

患者源性异种移植(PDX)模型是一种改进模型,其组织取自于患者样本而非细胞株,更加全面地复制了癌症的临床形态。然而,在使用皮下模型时,很少PDX发现会转移[1]。

原位异种移植模型,即植入细胞在各自临床相关原生组织中生长,培养的肿瘤微环境更具有代表性。这些模型潜在提供的疾病传播和转移模式也更为可靠。

系统肿瘤模型

在我们观察全身性(或“液体”)癌症(如白血病)时,使其生成实体肿瘤几乎没有任何临床意义。典型的白血病是通过尾静脉直接植入循环血液或直接采取心脏注射。然而,这种植入类型与固有的各种生长和转换率不一致。

近年来,随着技术的不断发展,通过胫骨或股骨可直接注射,将细胞直接植入骨髓。如此一来,白血病细胞置于自然生长环境中,移植和生长就更具一致性。

改善型受体小鼠品系

虽然裸鼠或无胸腺小鼠缺乏功能性T细胞,但这些品系残留的免疫力仍限制其移植人类白血病细胞。只有研发出重度免疫缺陷小鼠品系,在临床前模型中移植人类白血病才能真正具有研究意义。这包括非肥胖症糖尿病、严重免疫缺陷(NOD/SCID)小鼠(缺乏T细胞和B细胞)等模型[2])。

现已有改善型NOD/SCID小鼠品系,例如NSG™和NOG®小鼠,同时缺乏自然杀伤(NK)细胞和巨噬细胞活性[3]。与常规的NOD/SCID小鼠相比,这些进一步丧失免疫功能的小鼠品系,使人类白血病细胞的移植更具成效[4]。

测定非实体肿瘤癌症的疾病负担

即使在植入中考虑到改善措施,但是由于依赖于下肢瘫痪等终结点,在系统模型中对疾病负担测定仍是个问题,。

利用采血取样或骨髓穿刺,可进行流式细胞荧光分选技术(FACS)分析。然而,通常到了病情晚期,才能在外周血液中测定而显现。这意味着,如果研究人员要是等到检查出疾病再治疗,治疗时间就非常短了。

在骨髓穿刺时,病症严重程度会在整个骨髓腔内不断变化。因此,骨髓取样结果可能会不一致,这样就容易造成高估或低估小鼠病情的严重程度。

另外还应指出,在这两种情况下,从小鼠体内清除白血病细胞时,可能会改变病程。如此一来,在模型中很难解释试验受体的治疗效果。

由于疾病负担难以测量,小鼠的随机选择具有一定的挑战性。为了适应这种情况,在整个研究过程中用更多的小鼠组群来控制变化。

光学成像技术

生物光学成像

为了解决与系统疾病相关的难题,其中一种方法是利用光学成像技术(我们之前已对其临床前应用进行过全面评述)。通过原位植入荧光素酶标记细胞(luc+),我们能真实地模拟病情。

生物光学是一种生物化学反应,在荧光素酶接触基相应底物时会发光。尽管还有多种其它荧光素酶,但是光学成像最常使用萤火虫的荧光素酶,配以底物-萤虫光素。通常,在开始成像前即时对受体注射荧光素。荧光素接触到荧光素酶表达细胞时,会释放光源。发光信号被检测。信号强弱与疾病负担相关。

有了最先进的成像技术,我们在整个研究期间都能跟踪全身性疾病,并在早期治疗阶段即可全面了解试验对象的疗效。

光学成像技术可令我们在整个研究过程中对病情在个体小鼠体内的进展及传播进行跟踪。在植入后、治疗开始前及病情进展过程中的多个时间点,小鼠病情的表现和疾病部位可被立即确认。这意味着各小鼠基本上可自我做对照。

这样,我们就能对疾病负担、研究群组随机选择及更小组群规模进行实时评估。如有需要,成像数据甚至可以用来确定流式细胞荧光分选技术(FACS)采样的适当时间点。

荧光成像

除生物光学成像之外,另外还研发了许多荧光基团,以光谱近红外段(发光波长>680nm)发光。

在这些波长下,体内组织基本为透明,这些荧光基团就成为深度光学成像的理想对象。

荧光基团广泛地用于为各种药物(如抗体和小分子药物)做标注。如此一来,我们就能在活体小鼠体内实时观察发生的一系列生物学现象。

白血病模型光学成像

光学成像已在多个白血病典型模型研发中被采用,被用于研究病情的各个方面,包括白血病干细胞和竞争性植入,从单一植入位点到扩散的系统疾病,以及研究新药物疗效的治疗模型[5,6]。

将这些数据与其它辅助成像技术(如X射线、CT或MRI)相结合,对解剖学和生物学数据进行配准,从而更深入地了解其在全身性疾病中的发病原理。

总结

有了光学成像技术,我们能以快速、灵活、可靠及具有成本效益的方式回答全身性疾病相关的一系列生物学问题:

  • 用不同的生物光学和荧光标志,在同一实验中可解决若干生物学问题。
  • 在活体小鼠体内可对全身性疾病进行实时跟踪,并能在整个研究过程中对疾病负担进行评估。
  • 每次研究减少所需小鼠数量,在若干时间点对各小鼠进行纵向跟踪。
  • 可视化抗体、ADCs 、纳米粒子和小分子等治疗药物的体内生物分布情况。
  • 解剖参照点可结合其它成像模式一起提供生物数据。
  • 结合流式细胞荧光分选技术(FACS)分析等较为传统的技术,可提供一个全面的数据集。

参考信息

[1] Khanna, Hunter. Modelling metastasis in vivo. Carcinogenesis 2005;26:513–23

[2] Shultz et al. Human lymphoid and myeloid cell development in NOD/LtSz-scid IL2R gamma null mice engrafted with mobilized human hemopoietic stem cells. Journal of Immunology 2005;174:6477–89.

[3] Ito et al. NOD/SCID/ gamma (c) null mouse: an excellent recipient mouse model for engraftment of human cells Blood 2002;100:3175–82.

[4] Agliano et al. Human acute leukemia cells injected in NOD/LtSz/IL-2R gamma null mice generate a faster and more efficient disease compared to other NOD/SCID related strains. International Journal of Cancer 2008;123:2222–7.

[5] Pesnel et al. Optical imaging of diseminated leukemia models in mice with near infrared probe conjugated to a monoclonal antibody. PLoS One 2012: 7(1) 10.1371/journal.pone.0030690.

[6] Bomken et al. Lentiviral marking of patient derived acute lymphoblastic leukemic cells allows in vivo tracking of disease progression. Leukemia 2013;27(3):718-21.

Topics: Oncology

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