光學(xué)與成像技術(shù)動態(tài)追蹤腫瘤細(xì)胞助力精準(zhǔn)抗癌

導(dǎo)讀
腫瘤的發(fā)生和發(fā)展離不開腫瘤微環(huán)境中細(xì)胞及非細(xì)胞成分（如細(xì)胞外基質(zhì)、癌相關(guān)成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞）提供的化學(xué)和機(jī)械信號。因此，構(gòu)建能模擬體內(nèi)癌細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)、癌細(xì)胞與基質(zhì)細(xì)胞相互作用的組織培養(yǎng)模型至關(guān)重要。三維（3D）腫瘤培養(yǎng)模型已被廣泛用于研究癌癥的發(fā)展與進(jìn)展，其中從人類原發(fā)癌組織建立的患者來源腫瘤類器官（PDO）模型是近年來的重要進(jìn)展。PDO能維持原發(fā)腫瘤的異質(zhì)性，在識別治療靶點(diǎn)和驗證藥物反應(yīng)方面更具相關(guān)性；此外，3D共培養(yǎng)技術(shù)和整合到3D培養(yǎng)中的微流控技術(shù)也取得顯著進(jìn)步，為研究癌細(xì)胞與基質(zhì)的相互作用、腫瘤進(jìn)展及藥物反應(yīng)提供了時空視角。

本文由美國肯塔基大學(xué)的RenXu、XiaotaoZhou、ShikeWang和ChristineTrinkle共同完成，題為《Tumor organoid models in precision medicine and investigating cancer-stromal interactions》，發(fā)表于《Pharmacol Ther》。

重要發(fā)現(xiàn)
3D培養(yǎng)模型中的成像技術(shù)應(yīng)用
研究團(tuán)隊開發(fā)了一套整合AI與經(jīng)典圖像分析的3D類器官分析流程，核心包括三個水平的分割技術(shù)：

細(xì)胞核分割：基于3DStarDist卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）訓(xùn)練的DeepStar3D模型，通過模擬真實成像條件的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練，能精準(zhǔn)提取DNA染色圖像中的細(xì)胞核表面。該模型適配不同分辨率、染色方式和成像模態(tài)，甚至低信噪比圖像也能穩(wěn)定工作，處理速度比同類模型快20%-70%，在普通筆記本上即可高效運(yùn)行。

細(xì)胞分割：以細(xì)胞核輪廓為“種子”，結(jié)合actin染色的原始圖像，通過灰度3D分水嶺算法實現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)分割，在胰腺癌類器官等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，誤分割率低于8%。

類器官輪廓分割：基于原始通道圖像，通過精細(xì)閾值調(diào)整和形態(tài)學(xué)濾波提取整體輪廓，為細(xì)胞定位和距離分析提供參考。

早在三十年前，Mina J Bissell 團(tuán)隊開發(fā)的 3D 類器官培養(yǎng)模型就通過成像技術(shù)揭示了乳腺上皮細(xì)胞的分化差異：正常乳腺上皮細(xì)胞在 3D 環(huán)境中（如膠原凝膠或 Matrigel）能形成具有極性的腺泡樣球體，且表達(dá)乳蛋白，而惡性細(xì)胞則形成無序的葡萄狀或星狀結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象通過光學(xué)成像技術(shù)得到了清晰呈現(xiàn)，直觀展示了 3D 培養(yǎng)模型對體內(nèi)細(xì)胞表型的模擬能力。

在 PDO 模型中，成像技術(shù)是驗證其與原發(fā)腫瘤一致性的關(guān)鍵手段。例如，乳腺類器官與原發(fā)及轉(zhuǎn)移性乳腺癌在組織病理學(xué)、激素受體 / HER2 狀態(tài)上的匹配，通過組織切片的光學(xué)成像和免疫組織化學(xué)（IHC）成像得到確認(rèn)；結(jié)直腸癌 PDO 與原腫瘤的表型和基因型一致性，也通過熒光成像、基因組分析結(jié)合成像觀察得以證實。這些成像結(jié)果為 PDO 作為原發(fā)腫瘤 “替身” 的可靠性提供了直接證據(jù)。

3D 共培養(yǎng)模型中，成像技術(shù)助力解析細(xì)胞間相互作用。在胰腺導(dǎo)管腺癌的 3D 共培養(yǎng)研究中，通過熒光標(biāo)記癌相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAFs）和 PDO，利用共聚焦成像技術(shù)觀察到 CAFs 的兩個亞型在空間分布上的差異：一種 αSMA 低表達(dá)的 CAFs 遠(yuǎn)離腫瘤細(xì)胞，且分泌 IL6 等炎癥介質(zhì)，這一發(fā)現(xiàn)為理解 CAFs 與癌細(xì)胞的異質(zhì)性相互作用提供了可視化依據(jù)。在乳腺癌與脂肪細(xì)胞的 3D 共培養(yǎng)中，實時成像技術(shù)捕捉到癌細(xì)胞與脂肪細(xì)胞的物理接觸誘導(dǎo)了上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（MET），清晰展示了細(xì)胞間直接作用對癌癥進(jìn)展的影響。

微流控設(shè)備與 3D 培養(yǎng)結(jié)合時，成像技術(shù)發(fā)揮著監(jiān)測動態(tài)過程的重要作用。在研究循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）集群形成時，通過微流控平臺的實時光學(xué)成像，發(fā)現(xiàn) CTC 集群形成速度較傳統(tǒng)活檢富集更快，且化療藥物可抑制集群形成，為 CTC 的藥物篩選提供了可視化的評估手段。在模擬腫瘤血管生成的微流控模型中，熒光標(biāo)記內(nèi)皮細(xì)胞，通過延時成像觀察到血管樣結(jié)構(gòu)的形成過程，為研究腫瘤血管生成機(jī)制提供了直觀的動態(tài)數(shù)據(jù)。

3D 成像技術(shù)驅(qū)動腫瘤微環(huán)境模擬研究
本研究的核心貢獻(xiàn)之一是系統(tǒng)驗證了 3D 腫瘤培養(yǎng)模型（尤其是 PDO）在模擬體內(nèi)腫瘤特征中的價值，而光學(xué)與成像技術(shù)是實現(xiàn)這一驗證的核心工具。通過光學(xué)顯微鏡觀察 3D 培養(yǎng)中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)正常細(xì)胞與癌細(xì)胞在 3D 環(huán)境中形成的結(jié)構(gòu)差異（如乳腺上皮細(xì)胞的極化腺泡樣球體與惡性細(xì)胞的無序結(jié)構(gòu)），直接證明了 3D 模型對體內(nèi)組織形態(tài)的復(fù)現(xiàn)能力，為后續(xù)研究奠定了形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。

顯示PDO模型在癌癥生物學(xué)、藥物測試和個性化醫(yī)療中應(yīng)用的示意圖

多維度成像解析癌癥進(jìn)展機(jī)制
在 PDO 藥物測試實驗中，研究團(tuán)隊結(jié)合光學(xué)成像與功能分析：對經(jīng)不同藥物處理的 PDO 進(jìn)行細(xì)胞活力染色，通過熒光成像定量分析細(xì)胞存活狀態(tài)，發(fā)現(xiàn) PDO 對藥物的反應(yīng)與患者臨床反應(yīng)高度一致。例如，在晚期直腸癌患者的 PDO 中，通過成像觀察化療放療后的細(xì)胞形態(tài)變化和存活情況，其結(jié)果與患者的臨床應(yīng)答匹配度極高，證實了 PDO 作為藥物反應(yīng)預(yù)測工具的可靠性。

在癌癥-基質(zhì)細(xì)胞相互作用研究中，采用雙標(biāo)熒光成像技術(shù)：用不同熒光標(biāo)記癌細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞（如 CAFs、巨噬細(xì)胞），通過共聚焦顯微鏡觀察兩者的空間分布和接觸模式。實驗發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞更易浸潤到 3D Matrigel 中并黏附于非極化的惡性上皮細(xì)胞，而對極化的正常細(xì)胞無明顯黏附，這一現(xiàn)象通過成像量化分析，揭示了免疫細(xì)胞與癌細(xì)胞相互作用的選擇性，為理解腫瘤免疫逃逸機(jī)制提供了關(guān)鍵證據(jù)。

成像技術(shù)為精準(zhǔn)醫(yī)療提供可視化依據(jù)
實驗結(jié)論表明，光學(xué)與成像技術(shù)是連接 3D 腫瘤模型與體內(nèi)腫瘤特征的 “橋梁”。通過成像技術(shù)證實，PDO 在結(jié)構(gòu)、表型和藥物反應(yīng)上與原發(fā)腫瘤高度一致，可作為可靠的體外模型用于藥物篩選和個性化治療指導(dǎo)；3D 共培養(yǎng)結(jié)合成像技術(shù)能捕捉細(xì)胞間動態(tài)相互作用，揭示癌癥進(jìn)展的關(guān)鍵機(jī)制；微流控平臺的成像監(jiān)測則為研究腫瘤與循環(huán)系統(tǒng)的相互作用（如轉(zhuǎn)移、血管生成）提供了全新視角。這些發(fā)現(xiàn)為基于 3D 模型的精準(zhǔn)醫(yī)療研究提供了堅實的可視化實驗依據(jù)。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
突破傳統(tǒng) 2D 培養(yǎng)的成像局限
傳統(tǒng) 2D 培養(yǎng)中，細(xì)胞呈單層生長，細(xì)胞間及細(xì)胞與基質(zhì)的相互作用與體內(nèi)差異顯著，光學(xué)成像僅能觀察到平面結(jié)構(gòu)，無法反映細(xì)胞的三維極性和組織樣結(jié)構(gòu)。本研究通過 3D 培養(yǎng)模型突破了這一局限，利用 3D 成像技術(shù)捕捉到細(xì)胞的立體結(jié)構(gòu)（如腺泡樣球體的極性分布），首次在體外復(fù)現(xiàn)了體內(nèi)腫瘤的結(jié)構(gòu)特征，解決了 2D 模型無法模擬腫瘤三維微環(huán)境的難題。

多模態(tài)成像與 3D 模型的深度整合
本研究創(chuàng)新地將多種成像技術(shù)（如光學(xué)顯微鏡、熒光成像、共聚焦成像、實時成像）與 3D 培養(yǎng)模型（PDO、3D 共培養(yǎng)、微流控 3D 模型）結(jié)合，形成了多模態(tài)成像體系。例如，在 PDO 的基因組分析中，結(jié)合免疫熒光成像驗證特定基因表達(dá)的空間分布，實現(xiàn)了基因型與表型的可視化關(guān)聯(lián)；在微流控模型中，將流體動力學(xué)與實時成像結(jié)合，動態(tài)監(jiān)測腫瘤細(xì)胞在流體剪切力下的行為，為研究腫瘤轉(zhuǎn)移的物理微環(huán)境影響提供了新技術(shù)方案。

總結(jié)與展望
本研究系統(tǒng)闡述了 3D 腫瘤類器官模型（尤其是 PDO）在癌癥研究和精準(zhǔn)醫(yī)療中的進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)了光學(xué)與成像技術(shù)在驗證模型可靠性、解析腫瘤微環(huán)境相互作用、指導(dǎo)藥物篩選中的核心作用。3D 共培養(yǎng)、脫細(xì)胞基質(zhì)和微流控技術(shù)的整合，進(jìn)一步提升了模型對體內(nèi)腫瘤特征的模擬能力。未來，隨著成像技術(shù)的升級（如更高分辨率的實時成像、多靶點(diǎn)同時成像）和 3D 模型復(fù)雜度的提升（如整合更多基質(zhì)細(xì)胞類型），這些技術(shù)將更精準(zhǔn)地模擬腫瘤微環(huán)境，為高通量藥物篩選、個性化治療方案制定和癌癥機(jī)制研究提供更強(qiáng)大的工具，為攻克癌癥帶來新的希望。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
文章來源于：
Xu R, Zhou X, Wang S, Trinkle C. Tumor organoid models in precision medicine and investigating cancer-stromal interactions. Pharmacol Ther. 2021 Feb;218:107668.

DOI:10.1016/j.pharmthera.2020.107668.