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活體癌癥中光學(xué)顯微鏡和相干斷層掃描的應(yīng)用
活體顯微鏡(IVM)和光學(xué)相干斷層掃描(OCT)是兩種功能強(qiáng)大的光學(xué)成像工具，可以以亞細(xì)胞分辨率可視化活體動(dòng)態(tài)生物活動(dòng)。標(biāo)記和無標(biāo)記技術(shù)的最新進(jìn)展使IVM和OCT能夠用于廣泛的臨床前和臨床癌癥成像，為腫瘤復(fù)雜的生理、細(xì)胞和分子行為提供深刻的見解。臨床前IVM和OCT已經(jīng)闡明了癌癥生物學(xué)的許多其他難以理解的方面，而IVM和OCT的臨床應(yīng)用正在改變癌癥的診斷和治療。作者回顧了活體腫瘤成像的IVM和OCT領(lǐng)域的重要進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展及其在基礎(chǔ)癌癥生物學(xué)研究和臨床腫瘤學(xué)研究中的新興應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：活體成像,腫瘤,OCT,IVM
高分辨率體內(nèi)腫瘤成像技術(shù)
影像是臨床前研究腫瘤臨床處理工具。臨床成像技術(shù)，如磁共振成像和超聲，可以對(duì)癌癥的位置和解剖結(jié)構(gòu)及其隨時(shí)間的變化進(jìn)行宏觀測(cè)量，但缺乏細(xì)胞和分子尺度的病變細(xì)節(jié)。相比之下，活體顯微鏡(IVM)和光學(xué)相干斷層掃描(OCT)采用不同的成像機(jī)制，提供亞細(xì)胞尺度的分辨率，使廣泛的臨床前和臨床癌癥調(diào)查成為可能(圖1)。IVM依賴于用單光子或多光子熒光顯微鏡(MPM)掃描活體組織，可以在單個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行急性掃描，也可以在幾天到幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)對(duì)組織部位進(jìn)行慢性縱向觀察。OCT采用雙光束干涉測(cè)量法來捕捉光通過組織散射的模式。利用先進(jìn)的熒光標(biāo)記技術(shù)，IVM是臨床前腫瘤生物學(xué)研究中表征復(fù)雜腫瘤微環(huán)境(TME)的有力工具，包括腫瘤進(jìn)展、腫瘤血管生長(zhǎng)與消退、癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移、腫瘤干細(xì)胞增殖、腫瘤相關(guān)免疫細(xì)胞遷移、腫瘤治療劑與腫瘤和免疫細(xì)胞相互作用等。非線性光學(xué)顯微鏡的最新進(jìn)展使IVM能夠在沒有任何熒光標(biāo)記的情況下可視化主要和轉(zhuǎn)移性腫瘤的細(xì)胞外基質(zhì)。與臨床前腫瘤研究相比，IVM的臨床應(yīng)用較少，主要集中在胃腸道腫瘤的內(nèi)鏡評(píng)估和膀胱腫瘤的膀胱鏡評(píng)估。OCT通常作為一種無標(biāo)記技術(shù)用于無創(chuàng)表征淺表皮膚癌和腔內(nèi)腫瘤的解剖結(jié)構(gòu)。與IVM相比，OCT具有更大的組織穿透性、更寬的視野和更高的成像速度，這使其成為臨床腫瘤學(xué)研究的一個(gè)很有前景的工具，例如檢測(cè)腫瘤邊緣以進(jìn)行術(shù)中手術(shù)指導(dǎo)。最近出現(xiàn)的OCT造影劑擴(kuò)展了OCT在癌癥細(xì)胞和分子成像方面的能力，例如在臨床前動(dòng)物模型中對(duì)腫瘤相關(guān)白細(xì)胞的近實(shí)時(shí)跟蹤和對(duì)過表達(dá)的癌癥生物標(biāo)志物的成像。
小鼠MCaIV腫瘤模型的OCT和IVM
最近的一項(xiàng)術(shù)中IVM研究顯示，在黑色素瘤患者中靜脈注射熒光染料，約50%的腫瘤血管不支持血液流動(dòng)，人類腫瘤的血管直徑比免疫組織化學(xué)預(yù)測(cè)的要大。使用OCT，可以使用無標(biāo)記方法對(duì)腫瘤血管進(jìn)行成像，如斑點(diǎn)強(qiáng)度方差、相位方差和復(fù)雜信號(hào)方差。這些方法都是基于檢測(cè)血管中紅細(xì)胞的動(dòng)態(tài)散射。Bouma等人使用OCT和IVM對(duì)植入臨床前小鼠模型的MCaIV腫瘤的血管系統(tǒng)進(jìn)行了成像，發(fā)現(xiàn)MPM擅長(zhǎng)于顯示最小的淺表毛細(xì)血管，但OCT在識(shí)別腫瘤中心區(qū)域更深的血管和熒光示蹤劑泄漏的區(qū)域(圖2)。深度超過1mm的血管可以通過OCT常規(guī)觀察。而MPM只能對(duì)~600 μ m的腫瘤血管進(jìn)行成像，OCT的時(shí)間分辨率比IVM高10倍。OCT可以快速顯示腫瘤血管，包括其與宿主血管的連通性，這是對(duì)IVM提供的更高分辨率但相對(duì)膚淺的血管造影的補(bǔ)充。
光學(xué)相干斷層掃描(OCT)造影劑用于增強(qiáng)OCT腫瘤血管造影和多重淋巴管造影
無標(biāo)記OCT能夠通過檢測(cè)具有血管形狀和低OCT信號(hào)的組織結(jié)構(gòu)來成像淋巴管，因?yàn)榱馨鸵菏枪鈱W(xué)透明的，與周圍組織相比反射的光很少。利用這種光學(xué)特性，開發(fā)了許多無標(biāo)記OCT淋巴管造影技術(shù)。盡管無標(biāo)簽OCT適用于腫瘤血管成像，但它可能忽略了光線明顯減弱的深部腫瘤血管和紅細(xì)胞壓積低的精細(xì)腫瘤血管結(jié)構(gòu)。Vakoc等人的研究表明，腫瘤周圍淋巴網(wǎng)絡(luò)可以使用這種方法進(jìn)行分割。通過皮下注射OCT造影劑，可以增強(qiáng)淋巴結(jié)構(gòu)的成像。SoRelle等人報(bào)道，通過靜脈注射LGNRs作為外源性造影劑，OCT顯示了常規(guī)OCT方法無法檢測(cè)到的更深的腫瘤微血管(圖3A D)。Si等人最近報(bào)道，與無標(biāo)記OCT方法相比，使用金納米片(gnpr)作為血管內(nèi)造影劑，OCT在黑色素瘤腫瘤中檢測(cè)到的血管多60%，在瘤周組織中檢測(cè)到的毛細(xì)血管多40%(圖3E H)。
腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(TAM)和單核細(xì)胞遷移跟蹤使用光學(xué)相干斷層掃描（OCT）
OCT作為一種新興的技術(shù)被用于研究免疫細(xì)胞在TME中的遷移。與IVM相比，OCT具有更大的成像視野和更高的時(shí)間分辨率(即IVM掃描300 ~ 20 ~ 200 μ m的組織體積通常需要~1 s，而OCT掃描0.02 s)，但空間分辨率有所降低(表1)。最近，de la Zerda等人報(bào)道了基于對(duì)比度增強(qiáng)的SM-OCT[15]的白細(xì)胞縱向成像。在本研究中，在原位小鼠膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型中，用LGNR造影劑在體內(nèi)標(biāo)記tam和活化的小膠質(zhì)細(xì)胞。他們展示了TAM在腫瘤內(nèi)遷移和分布的近實(shí)時(shí)跟蹤(圖4B)。該方法固有的分辨率、成像深度和靈敏度可能有助于詳細(xì)研究tam在體內(nèi)的基本行為，包括它們?cè)谀[瘤內(nèi)的分布異質(zhì)性和它們?cè)谡{(diào)節(jié)癌癥增殖中的作用。除了白細(xì)胞跟蹤外，他們還展示了使用對(duì)比增強(qiáng)OCT技術(shù)[41]在體內(nèi)跟蹤循環(huán)腫瘤細(xì)胞。本研究使用OCT造影劑LGNRs對(duì)骨髓瘤細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記后的骨髓瘤細(xì)胞可通過SM-OCT成像。這項(xiàng)研究標(biāo)志著OCT被用于檢測(cè)體內(nèi)血液中的單個(gè)細(xì)胞。這種技術(shù)能力為活體體內(nèi)循環(huán)的腫瘤細(xì)胞的動(dòng)態(tài)檢測(cè)和定量提供了令人興奮的機(jī)會(huì)。對(duì)比增強(qiáng)OCT技術(shù)的最新進(jìn)展使OCT能夠用于體內(nèi)細(xì)胞生物標(biāo)志物的分子成像。Boppart等研究小組在乳腺癌大鼠模型中使用磁成像oct進(jìn)行HER2靶向分子成像，其中抗體結(jié)合的鐵磁性氧化鐵納米顆粒被用作分子造影劑。在外加變化磁場(chǎng)的作用下，分子靶向納米顆粒旋轉(zhuǎn)并攪動(dòng)周圍的細(xì)胞，導(dǎo)致局部光學(xué)散射特性的變化，這可以通過OCT檢測(cè)到。
未來IVM和OCT在光學(xué)設(shè)計(jì)、算法開發(fā)和造影劑方面的創(chuàng)新將進(jìn)一步增強(qiáng)臨床前和臨床癌癥成像的能力，揭示對(duì)癌癥生物學(xué)更深刻的見解，并實(shí)現(xiàn)令人興奮的臨床腫瘤學(xué)應(yīng)用(見未解決的問題)。隨著新的造影劑、標(biāo)記技術(shù)和算法的進(jìn)步，擴(kuò)展多路性可能是未來IVM和OCT的主要技術(shù)進(jìn)步。例如，更好的光譜分解技術(shù)的發(fā)展允許使用MPM同時(shí)激發(fā)和檢測(cè)在不同細(xì)胞和組織區(qū)室中表達(dá)的七種熒光團(tuán)。這樣的成像可以分辨出更多的標(biāo)簽，并捕獲更多的關(guān)于癌細(xì)胞類型、細(xì)胞狀態(tài)和活體組織結(jié)構(gòu)的信息。體內(nèi)超分辨率顯微鏡的創(chuàng)新，依賴于結(jié)構(gòu)照明、隨機(jī)技術(shù)和自適應(yīng)光學(xué)的進(jìn)步，將開辟全新的研究途徑，顯著推進(jìn)我們對(duì)癌癥生物學(xué)分子尺度動(dòng)力學(xué)的理解。這種成像技術(shù)最近已被證明用于對(duì)斑馬魚和小鼠的活體大腦進(jìn)行成像。體內(nèi)光學(xué)成像與相關(guān)電子顯微鏡成像、流式細(xì)胞術(shù)下游分子譜分析、RNA測(cè)序和蛋白質(zhì)組學(xué)相結(jié)合，可以進(jìn)一步擴(kuò)展光學(xué)顯微鏡和相干斷層掃描在分子癌癥研究中的能力。超高速IVM和OCT的掃描速度比目前的掃描速度快10 100倍以上，可以在大范圍內(nèi)實(shí)時(shí)跟蹤細(xì)胞和分子活動(dòng)。例如，掃描源OCT技術(shù)的發(fā)展使OCT掃描速率提高了50倍，并將在未來繼續(xù)提高OCT的速度。除了硬件的改進(jìn)，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)算法、云計(jì)算和人工智能的發(fā)展將極大地促進(jìn)未來大型IVM和OCT數(shù)據(jù)集的分析。這些分析在提高早期癌癥檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率、癌癥類型分類、腫瘤內(nèi)異質(zhì)性定位、治療反應(yīng)監(jiān)測(cè)以及成像結(jié)果與下游分子分析的一致性方面具有很大的前景。