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非侵入性成像技術的臨床前應用

2018-12-11

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在本篇臨床前成像導論中,我們將探討光學成像技術(如生物發光及熒光成像)及其臨床前腫瘤模型和抗癌藥研發體內應用。

臨床前成像技術

“臨床前成像”含一系列既可單獨使用也可結合使用的技術,其中包括解剖x射線、計算機斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)和分子模式,如正電子發射斷層掃描(PET)和光學成像。

在上述提及的技術中,光學成像的使用越來越普遍。在本文中,我們使用熒光成像或生物發光組織,或探針,這些都能在活體動物體內進行非侵入性檢測。由于光學成像具有成本低廉、數據易于解析、探針靈活等優勢,在臨床前研究中用于可視化諸多方面,因而得到普及。

癌癥模型中臨床前光學成像技術的應用

光學成像在腫瘤學研究中已經找到了市場定位。在臨床前腫瘤學中,傳統皮下移植瘤模型較為完善,在新藥研發過程中保持作為組成元素。傳統皮下移植瘤操作簡單,易于植入和判斷,評估疾病進展,效果立竿見影。

隨著最新發展,人源腫瘤異種移植(PDX)模型、同種模型及轉基因動物自發性腫瘤模型,時至今日,有多種皮下移植瘤模型可供研究人員從中選擇。

然而,如果原位模型、全身性模型和轉移性模型較為復雜,疾病負擔評估難度就會加大。與傳統模型相比,這類模型能更加準確地模擬患者相關病變,因此較為實用。在臨床相關部位生長,模型往往會發育成更具代表性的腫瘤血管系統,更能完美重現腫瘤微環境。所有這些會使治療反應預測更為精確。

通常情況下,這些模型無法觸診,首次植入時也無法在遠端部位生長,因此在研究之初確定個體動物疾病負擔存在一定難度。這就需要更大的研究群體才能對差異性做出解釋,而腫瘤負擔通常僅用末端終點判斷。

光學成像:實時監測了解疾病機理

光學成像體現價值:運用成像技術,在整個研究過程中我們都能通過單只動物跟蹤發病情況與病情傳播。動物體內的病情跡象,在開始治療之前及在發病期間的不同時間點都可進行判斷。

在藥物治療過程中監測病情,也能使每一個體動物有效地自我對照。

此外,成像技術還能實時可視化體內適用標記實體,如治療學。在與x射線、計算機斷層掃描(CT)或磁共振成像(MRI)等輔助成像技術一起使用時,我們可將解剖數據與生物數據進行配準,從而更深入了解作用機理。

生物發光和熒光成像

光學系統使用生物發光和熒光技術成像。

生物發光成像

生物發光成像是一種生物化學反應——酶素暴露于底物就會發光。盡管也有其它幾種熒光素酶可用,但是在光學成像過程中,螢火蟲熒光素酶還是最常結合其底物熒光素一起使用。

慢病毒轉導比較穩定,建立生物熒光細胞系的過程也相對簡單。這樣,正如轉基因要求一樣,否定了克隆選擇的必要性。熒光素酶陽性細胞可自行定制,亦可從市場購買。自行定制完成之后,進行短串聯重復序列(STR)分析,保證DNA分析能與親本系相匹配,整個過程僅需5 周的時間即可。

然后,將熒光素酶表達細胞接種至實驗動物體內。典型實驗中,在成像前立即為受體注射熒光素。熒光素到達表達熒光素酶的細胞時,就會發光。光源被檢測且與疾病負擔相互關聯。

運用光學成像技術,高度復雜的癌癥模型得以快速培育,為下述領域研究帶來無限的可能性:

  • 腫瘤直接植入大腦、前列腺、肺和肝臟等體內器官。
  • 乳腺癌和淋巴系統轉移模型。
  • 惡性骨病模型。
  • 白血病等血液病模型。

熒光成像

如果無法使用或不適用生物熒光成像,可采用熒光成像技術。多種熒光基團在現有市場中即可買到。

對于大多數可見波長的入射激發光,像血紅蛋白之類的動物組織結構能吸收也能發散,因此利用可見光進行體內光學成像難度很大。如此一來,透光度受到限制,導致熒光信號發射微弱,難以進行一致性檢測。

在光譜近紅外部分,一些熒光基團已形成了超過680nm的發射波長。這些熒光基團最適于體內成像,因為組織在這些波長實際上是透明的。很多實體都可使用熒光基團作為標記,其中包括:小分子藥物,抗體,或者T細胞,這樣我們就能在活體動物體內實時觀察發生的一系列生物事件。

腫瘤藥物研發成像臨床前模型

為了抗癌藥的研發,多種生物發光臨床前模型被建立。除用于免疫療法培育的生物熒光同種模型之外,還包括生物熒光原位和轉移細胞系源異種移植模型,結合高靈敏度檢測技術(如IVIS Illumina III型體內成像系統和IVIS?頻譜計算機斷層成像(CT))監測癌癥進展。

在不同的癌癥分期階段,成像臨床前癌癥模型均可提供極富價值的病情信息,包括模擬原發病變的原位模型,以及重現癌癥晚期階段進展的自發性和實驗性轉移成像。

分子過程的光學成像

除了能在癌癥模型中監測腫瘤生長與轉移之外,光學成像技術還能研究一系列疾病類型的不同分子過程,例如:

  • 感染和炎癥。
  • 帶病動物體內標記免疫細胞分布。
  • 腫瘤微環境變化、壞死細胞發育、血管形成。
  • 疾病生物指標的可視化及量化。
  • 報告基因成像。
  • 標記藥物、抗體藥物、ADCs、納米顆粒的生物分布。

成像數據還有助于優化劑量和給藥策略,細化體內研究,最終使從實驗室到臨床轉換得以改善。綜合利用不同熒光素酶和熒光基團,我們可以在同一實驗同一動物體內找到了若干不同問題的答案。

結論

光學成像技術快速、靈敏、可靠且劃算,可闡明一系列的生物學難題:

  • 利用一系列的生物熒光和熒光標記,在同一實驗中可研究若干生物學難題。
  • 我們可在活體動物體內實時跟蹤原位、轉移性和全身性疾病,在整個研究過程中都能評估疾病負擔。
  • 抗體、ADCs、納米顆粒和體內小分子之類治療實體的可視化生物分布。
  • 能闡明其藥效學作用及壞死等微環境因素。
  • 可用于多種疾病模型,包括癌癥、感染和炎癥。
  • 在若干時間點對各小鼠進行縱向跟蹤,減少每項研究所需的小鼠數量。
  • 可結合其它成像模式使用,在提供生物數據的同時提供解剖學參考點。

Topics: Oncology

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