長期藥物治療的體外3D膠質瘤模型的高解析度層析成像分析
High-resolution tomographic analysis of in vitro 3D glioblastoma tumor model under long-term drug treatment
Mehmet S. Ozturk1,*, Vivian K. Lee2,*, Hongyan Zou3,4, Roland H. Friedel3,4, Xavier Intes5,† and Guohao Dai2,†
摘要多形性膠質母細胞瘤（Glioblastoma multiforme, GBM)是一種致命的腦瘤，通常數月的化療療程之後形成耐藥。近期，3D GBM模型被開發用於在昂貴的動物研究之前協助藥物治療評估。然而，為了藥效的長期評估，還需要GBM組構建的新方法。而且，也有必要開發快速和高敏影象技術來評估這個3D模型及其對藥物治療的響應。在此，我們報道一種整合的平臺的開發：（i）它能生成帶有灌注血管腔的體外3D GBM模型，實現了長期培養和藥物；（ii）具有3D成像模式，從而使研究者非侵入式地對整個體外模型縱向熒光訊號進行評估。
主要結果圖1 工作流程概念圖。（上）平臺整合：3D腫瘤組織模型與2GMFMT（second-generation mesoscopic fluorescence molecular tomography，第二代介觀熒光分子層析成像）。整合的平臺支援長期組織培養和腫瘤侵襲的縱向評估。生物列印：用樹脂玻璃灌注室列印一個包括GBM微球和血管腔的3D組織，用（含或不含藥物的）培養基灌注培養。為同時研究腫瘤生長週期和用藥方案，透過一個厚樹脂玻璃進行縱向成像。非侵入式成像是透過一個透明的樹脂玻璃灌注室實現的。用退掃描檢測配置（Descanned configuration）可實現對目標的密集取樣。每個掃描點（例如p、r和s）代表原始資料中的一個畫素。圖上展示了一個檢測器原始資料作為代表。當光柵掃描結束（掃描點數，s），一個完整框架就完成了。通常，全域性掃描完成大約在20s。（下）用於全部潛在療法的多模式成像和3D重建。每3-4天用2GMFMT對模型進行成像。與對照顯微磁共振成像（μMRI）和鐳射掃描共聚焦顯微技術（LSCM）相比，2GMFMT對於GBM大腦腫瘤的體積評估表現出更優的資料獲取時間。WFFM，寬視野熒光顯微鏡。
背景知識：介觀熒光分子層析成像（MFMT）是一種新興的光學分子成像技術，它填補了顯微熒光分子成像技術和宏觀熒光分子成像技術之間的空白。相對於宏觀熒光分子成像技術，MFMT能提供更高的解析度，對於顯微熒光分子成像技術，MFMT的成像深度更深。
圖2 不同情況下的GBM細胞的藥物反應。（A-D）二維單層（A-B）和三維懸浮微球培養物（C-D）中GBM細胞的腫瘤細胞代謝活動阿爾瑪藍（Alamar Blue）檢測結果，相位差疊加的熒光圖片。（E）治療前後GBM細胞的侵襲行為。包埋於微球中的SD02細胞向周圍基質膠侵襲更強（第26天），在藥物治療（14天）後，腫瘤核心開始恢復繼而收縮。然而，某些GBM細胞治療後存活下來，並重新開始活躍地侵襲，即使繼續治療（31天）。上方照片（B, D和E）透過WFFM拍照獲得。EC，內皮細胞。
圖3 成像系統繪製的影象和敏感性表徵。（A）用樹膠玻璃樣本固定器來描述2GMFMT系統。激發光和發射光用共同的光路可以使光線和檢測器陣列（需要資料收集的退掃描模式，例如相機）的光柵掃描對齊。EMCCD，電子倍增電荷耦合裝置。（B）在置於樣本固定器之前的微球寬視野圖片。微球是分開的，d=175 μm。比例尺：200 μm。（C-D）分別為LSCM和2GMFMT的x-y最大強度投影。（E）μMRI影象的x-z介面。用已知微球的直徑和深度生成一個表面真實影象（ground truth image，F）。μMRI（G）、LSCM（H）和2GMFMT（I）之間的比較。體積誤差和球狀的效能標準表明2GMFMT總體上比其對照具有更好的表現。（J）該表展示了體積誤差和球狀特性的具體比較。
圖4 GBM腦瘤的縱向強度評估(腫瘤 ID: 1)。（A）用WFFM描繪細胞侵襲。（B）2GMFMT來源的落射熒光相當的原始資料顯示出腫瘤細胞中彌散的強訊號。50%最大強度等值線（黑色）展示了侵襲面積。所有資料點的核心區域（C）和侵襲區域（D）數值與代表性資料點的描繪性展示。特別地，不同方式之間的侵襲區域有相同的趨勢。（E）初始階段（第26天）和恢復階段（在第27天TMZ治療）的WFFM和MFMT的二維圖片中分段的核心區域。（F）初始階段（第26天）和恢復階段（在第27天TMZ治療）的WFFM和MFMT的二維圖片中分段的侵襲區域。比例尺：500 μm。
圖5 GBM腦瘤的縱向體積評估。用LSCM和2GMFMT比較分析展示GBM腫瘤1的縱向體積（A-B）。μMRI提供了膠原結構，被用來作為共配準標記。LSCM和2GMFMT中，由內皮細胞形成的血管結構顯示為綠色，GBM為紅色。（C）LSCM和2GMFMT在的體積變化趨勢（變化率不同）上具有相似性。（D）2GMFMT和WFFM的最大強度投影，並與LSCM圖片比較。比例尺，1 mm。
結論本研究中，這個整合的平臺提供了用於評估腫瘤塊體積變化的聯合有效的長期無損害成像技術的體外模型系統，因而，與此前的體外方法相比，在不同生理條件下的治療方案評估上表現了強大的潛力。第二代體外模型，與敏感性多模式分子成像技術的協同作用，可能會更好理解和表徵GBM生物學，指導新型療法的開發，並提供治療功效的分析性預測指標。
更多內容請下載原文查閱：https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/10/eaay7513.full.pdf
相關評論為了建立3-D腫瘤細胞模型，作者採集了患者來源的大腦腫瘤細胞，並將其與血管一起打印出來。這種列印手段使得細胞得以在體外存活和成熟，使研究人員能夠在長達幾個月的時間內對其進行研究。3D列印大腦血管還為癌症的治療提供了通道。在人體中，由於血腦屏障能夠阻止大多數物質到達大腦區域，因此向膠質母細胞瘤細胞的輸送藥物特別困難。在這項研究中，基於3D列印的大腦腫瘤模型，作者能夠將化療藥物替莫唑胺成功地運輸到腫瘤組織內部。與直接將療法注射到細胞中相比，該方法可以更準確地評估藥物的有效性。