活體癌癥中光學顯微鏡和相干斷層掃描的應用

活體顯微鏡(IVM)和光學相干斷層掃描(OCT)是兩種功能強大的光學成像工具，可以以亞細胞分辨率可視化活體動態(tài)生物活動。標記和無標記技術(shù)的最新進展使IVM和OCT能夠用于廣泛的臨床前和臨床癌癥成像，為腫瘤復雜的生理、細胞和分子行為提供深刻的見解。臨床前IVM和OCT已經(jīng)闡明了癌癥生物學的許多其他難以理解的方面，而IVM和OCT的臨床應用正在徹底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)域的重要進展，重點介紹了關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展及其在基礎(chǔ)癌癥生物學研究和臨床腫瘤學研究中的新興應用。

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不可缺少的工具。臨床成像技術(shù)，如磁共振成像和超聲，可以對癌癥的位置和解剖結(jié)構(gòu)及其隨時間的變化進行宏觀測量，但缺乏細胞和分子尺度的病變細節(jié)。相比之下，活體顯微鏡(IVM)和光學相干斷層掃描(OCT)采用不同的成像機制，提供亞細胞尺度的分辨率，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，可以在單個時間點進行急性掃描，也可以在幾天到幾個月的時間內(nèi)對組織部位進行慢性縱向觀察。OCT采用雙光束干涉測量法來捕捉光通過組織散射的模式。利用先進的熒光標記技術(shù)，IVM是臨床前腫瘤生物學研究中表征復雜腫瘤微環(huán)境(TME)的有力工具，包括腫瘤進展、腫瘤血管生長與消退、癌細胞轉(zhuǎn)移、腫瘤干細胞增殖、腫瘤相關(guān)免疫細胞遷移、腫瘤治療劑與腫瘤和免疫細胞相互作用等。非線性光學顯微鏡的最新進展使IVM能夠在沒有任何熒光標記的情況下可視化主要和轉(zhuǎn)移性腫瘤的細胞外基質(zhì)。與臨床前腫瘤研究相比，IVM的臨床應用較少，主要集中在胃腸道腫瘤的內(nèi)鏡評估和膀胱腫瘤的膀胱鏡評估。OCT通常作為一種無標記技術(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研究的一個很有前景的工具，例如檢測腫瘤邊緣以進行術(shù)中手術(shù)指導。最近出現(xiàn)的OCT造影劑擴展了OCT在癌癥細胞和分子成像方面的能力，例如在臨床前動物模型中對腫瘤相關(guān)白細胞的近實時跟蹤和對過表達的癌癥生物標志物的成像。

小鼠MCaIV腫瘤模型的OCT和IVM

最近的一項術(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，人類腫瘤的血管直徑比免疫組織化學預測的要大。使用OCT，可以使用無標記方法對腫瘤血管進行成像，如斑點強度方差、相位方差和復雜信號方差。這些方法都是基于檢測血管中紅細胞的動態(tài)散射。Bouma等人使用OCT和IVM對植入臨床前小鼠模型的MCaIV腫瘤的血管系統(tǒng)進行了成像，發(fā)現(xiàn)MPM擅長于顯示最小的淺表毛細血管，但OCT在識別腫瘤中心區(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~600 μ m的腫瘤血管進行成像，OCT的時間分辨率比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IVM提供的更高分辨率但相對膚淺的血管造影的補充。

光學相干斷層掃描(OCT)造影劑用于增強OCT腫瘤血管造影和多重淋巴管造影

無標記OCT能夠通過檢測具有血管形狀和低OCT信號的組織結(jié)構(gòu)來成像淋巴管，因為淋巴液是光學透明的，與周圍組織相比反射的光很少。利用這種獨特的光學特性，開發(fā)了許多無標記OCT淋巴管造影技術(shù)。盡管無標簽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胞壓積低的精細腫瘤血管結(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行分割。通過皮下注射OCT造影劑，可以增強淋巴結(jié)構(gòu)的成像。SoRelle等人報道，通過靜脈注射LGNRs作為外源性造影劑，OCT顯示了常規(guī)OCT方法無法檢測到的更深的腫瘤微血管(圖3A D)。Si等人最近報道，與無標記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到的血管多60%，在瘤周組織中檢測到的毛細血管多40%(圖3E H)。

腫瘤相關(guān)巨噬細胞(TAM)和單核細胞遷移跟蹤使用光學相干斷層掃描（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等人報道了基于對比度增強的SM-OCT[15]的白細胞縱向成像。在本研究中，在原位小鼠膠質(zhì)母細胞瘤模型中，用LGNR造影劑在體內(nèi)標記tam和活化的小膠質(zhì)細胞。他們展示了TAM在腫瘤內(nèi)遷移和分布的近實時跟蹤(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研究tam在體內(nèi)的基本行為，包括它們在腫瘤內(nèi)的分布異質(zhì)性和它們在調(diào)節(jié)癌癥增殖中的作用。除了白細胞跟蹤外，他們還展示了使用對比增強OCT技術(shù)[41]在體內(nèi)跟蹤循環(huán)腫瘤細胞。本研究使用OCT造影劑LGNRs對骨髓瘤細胞進行標記，標記后的骨髓瘤細胞可通過SM-OCT成像。這項研究標志著OCT首次被用于檢測體內(nèi)血液中的單個細胞。這種技術(shù)能力為活體體內(nèi)循環(huán)的腫瘤細胞的動態(tài)檢測和定量提供了令人興奮的機會。對比增強OCT技術(shù)的最新進展使OCT能夠用于體內(nèi)細胞生物標志物的分子成像。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。在外加變化磁場的作用下，分子靶向納米顆粒旋轉(zhuǎn)并攪動周圍的細胞，導致局部光學散射特性的變化，這可以通過OCT檢測到。

未來IVM和OCT在光學設(shè)計、算法開發(fā)和造影劑方面的創(chuàng)新將進一步增強臨床前和臨床癌癥成像的能力，揭示對癌癥生物學更深刻的見解，并實現(xiàn)令人興奮的臨床腫瘤學應用(見未解決的問題)。隨著新的造影劑、標記技術(shù)和算法的進步，擴展多路性可能是未來IVM和OCT的主要技術(shù)進步。例如，更好的光譜分解技術(shù)的發(fā)展允許使用MPM同時激發(fā)和檢測在不同細胞和組織區(qū)室中表達的七種熒光團。這樣的成像可以分辨出更多的標簽，并捕獲更多的關(guān)于癌細胞類型、細胞狀態(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、隨機技術(shù)和自適應光學的進步，將開辟全新的研究途徑，顯著推進我們對癌癥生物學分子尺度動力學的理解。這種成像技術(shù)最近已被證明用于對斑馬魚和小鼠的活體大腦進行成像。體內(nèi)光學成像與相關(guān)電子顯微鏡成像、流式細胞術(shù)下游分子譜分析、RNA測序和蛋白質(zhì)組學相結(jié)合，可以進一步擴展光學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)實時跟蹤細胞和分子活動。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，先進的計算機算法、云計算和人工智能的發(fā)展將極大地促進未來大型IVM和OCT數(shù)據(jù)集的分析。這些分析在提高早期癌癥檢測的準確性和效率、癌癥類型分類、腫瘤內(nèi)異質(zhì)性定位、治療反應監(jiān)測以及成像結(jié)果與下游分子分析的一致性方面具有很大的前景。