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非實體瘤臨床前成像技術

2019-01-15

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了解臨床前成像技術如何有助于克服白血病及其它非實體腫瘤建模相關的難題。

癌癥研究及藥物研發中的臨床前小鼠模型

在癌癥研究中使用臨床前小鼠模型,主要出于2個主要原因。一是能幫助我們檢查人類生理狀況的生物模型,利用這些模型,我們能進一步了解臨床情況。

模型也可用作治療進展綜合手段的一部分。我們借助這些模型,確定一種新型藥物在其可實現濃度條件下是否能到達其作用靶標,從而獲得明顯的抗腫瘤效果,并且未伴有不合理的毒性。

常見模型類型

皮下細胞株模型有助于我們對新型藥物治療的可行性進行評估。然而,即使腫瘤會在小鼠側翼形成腫塊,但是從生理上來說,這些腫瘤無法表現疾病特征。

患者源性異種移植(PDX)模型是一種改進模型,其組織取自于患者樣本而非細胞株,更加全面地復制了癌癥的臨床形態。然而,在使用皮下模型時,很少PDX發現會轉移[1]。

原位異種移植模型,即植入細胞在各自臨床相關原生組織中生長,培養的腫瘤微環境更具有代表性。這些模型潛在提供的疾病傳播和轉移模式也更為可靠。

系統腫瘤模型

在我們觀察全身性(或“液體”)癌癥(如白血病)時,使其生成實體腫瘤幾乎沒有任何臨床意義。典型的白血病是通過尾靜脈直接植入循環血液或直接采取心臟注射。然而,這種植入類型與固有的各種生長和轉換率不一致。

近年來,隨著技術的不斷發展,通過脛骨或股骨可直接注射,將細胞直接植入骨髓。如此一來,白血病細胞置于自然生長環境中,移植和生長就更具一致性。

改善型受體小鼠品系

雖然裸鼠或無胸腺小鼠缺乏功能性T細胞,但這些品系殘留的免疫力仍限制其移植人類白血病細胞。只有研發出重度免疫缺陷小鼠品系,在臨床前模型中移植人類白血病才能真正具有研究意義。這包括非肥胖癥糖尿病、嚴重免疫缺陷(NOD/SCID)小鼠(缺乏T細胞和B細胞)等模型[2])。

現已有改善型NOD/SCID小鼠品系,例如NSG?和NOG?小鼠,同時缺乏自然殺傷(NK)細胞和巨噬細胞活性[3]。與常規的NOD/SCID小鼠相比,這些進一步喪失免疫功能的小鼠品系,使人類白血病細胞的移植更具成效[4]。

測定非實體腫瘤癌癥的疾病負擔

即使在植入中考慮到改善措施,但是由于依賴于下肢癱瘓等終結點,在系統模型中對疾病負擔測定仍是個問題,。

利用采血取樣或骨髓穿刺,可進行流式細胞熒光分選技術(FACS)分析。然而,通常到了病情晚期,才能在外周血液中測定而顯現。這意味著,如果研究人員要是等到檢查出疾病再治療,治療時間就非常短了。

在骨髓穿刺時,病癥嚴重程度會在整個骨髓腔內不斷變化。因此,骨髓取樣結果可能會不一致,這樣就容易造成高估或低估小鼠病情的嚴重程度。

另外還應指出,在這兩種情況下,從小鼠體內清除白血病細胞時,可能會改變病程。如此一來,在模型中很難解釋試驗受體的治療效果。

由于疾病負擔難以測量,小鼠的隨機選擇具有一定的挑戰性。為了適應這種情況,在整個研究過程中用更多的小鼠組群來控制變化。

光學成像技術

生物光學成像

為了解決與系統疾病相關的難題,其中一種方法是利用光學成像技術(我們之前已對其臨床前應用進行過全面評述)。通過原位植入熒光素酶標記細胞(luc+),我們能真實地模擬病情。

生物光學是一種生物化學反應,在熒光素酶接觸基相應底物時會發光。盡管還有多種其它熒光素酶,但是光學成像最常使用螢火蟲的熒光素酶,配以底物-螢蟲光素。通常,在開始成像前即時對受體注射熒光素。熒光素接觸到熒光素酶表達細胞時,會釋放光源。發光信號被檢測。信號強弱與疾病負擔相關。

有了最先進的成像技術,我們在整個研究期間都能跟蹤全身性疾病,并在早期治療階段即可全面了解試驗對象的療效。

光學成像技術可令我們在整個研究過程中對病情在個體小鼠體內的進展及傳播進行跟蹤。在植入后、治療開始前及病情進展過程中的多個時間點,小鼠病情的表現和疾病部位可被立即確認。這意味著各小鼠基本上可自我做對照。

這樣,我們就能對疾病負擔、研究群組隨機選擇及更小組群規模進行實時評估。如有需要,成像數據甚至可以用來確定流式細胞熒光分選技術(FACS)采樣的適當時間點。

熒光成像

除生物光學成像之外,另外還研發了許多熒光基團,以光譜近紅外段(發光波長>680nm)發光。

在這些波長下,體內組織基本為透明,這些熒光基團就成為深度光學成像的理想對象。

熒光基團廣泛地用于為各種藥物(如抗體和小分子藥物)做標注。如此一來,我們就能在活體小鼠體內實時觀察發生的一系列生物學現象。

白血病模型光學成像

光學成像已在多個白血病典型模型研發中被采用,被用于研究病情的各個方面,包括白血病干細胞和競爭性植入,從單一植入位點到擴散的系統疾病,以及研究新藥物療效的治療模型[5,6]。

將這些數據與其它輔助成像技術(如X射線、CT或MRI)相結合,對解剖學和生物學數據進行配準,從而更深入地了解其在全身性疾病中的發病原理。

總結

有了光學成像技術,我們能以快速、靈活、可靠及具有成本效益的方式回答全身性疾病相關的一系列生物學問題:

  • 用不同的生物光學和熒光標志,在同一實驗中可解決若干生物學問題。
  • 在活體小鼠體內可對全身性疾病進行實時跟蹤,并能在整個研究過程中對疾病負擔進行評估。
  • 每次研究減少所需小鼠數量,在若干時間點對各小鼠進行縱向跟蹤。
  • 可視化抗體、ADCs 、納米粒子和小分子等治療藥物的體內生物分布情況。
  • 解剖參照點可結合其它成像模式一起提供生物數據。
  • 結合流式細胞熒光分選技術(FACS)分析等較為傳統的技術,可提供一個全面的數據集。

參考信息

[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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