活體成像：把癌癥抓個現行

　　在我們展示影片時，當人們看到腫瘤病變如何演化，都驚訝地站了起來。這是一種認知上的改變。

活小鼠體內癌癥細胞的影像顯示了黑色素瘤細胞如何侵入皮膚組織

　　當Mikala Egeblad完成第一個活鼠體內腫瘤細胞的活動影片時，她興奮不已。在那之前，她已經對顯微切片上的樣本進行了研究。不過在活的動物體內觀察細胞則令人產生更為鮮活的感知。“就像你打開顯微鏡觀察活的老鼠，相同的細胞突然間瘋狂地動來動去。”美國紐約冷泉港實驗室癌癥研究員Egeblad說道，“它真的改變了我的想法。”

　　越來越多的癌癥研究人員正在尋找機會觀察原生環境中的單個腫瘤細胞。在靜態組織培養研究中，研究人員不得不推斷腫瘤附近的癌細胞和其他細胞可能在做什么以及它們可能會如何相互作用。一種被稱為活體成像的方法能夠追蹤活的動物體內的癌變，可以將這些互動表現出來，并允許生物學家放大顯示導致疾病或抵抗治療的腫瘤中的少數危險細胞。

　　這項技術出現的時間并不長，實驗室仍在研究如何最好地分析生成的視頻數據。不過過去10年里活體成像技術的不斷使用已經幫助科學家拼湊出了關鍵的細胞和分子時間的時間軸，例如腫瘤細胞進入血管的過程等。這樣的線索產生了關于癌癥如何生長、傳播和抵抗治療的新假設。這些信息最終會使藥物開發者了解為何無法治療一些癌細胞。

　　成像技術很快引起了人們的注意。“在我們展示影片時，當人們看到腫瘤病變如何演化，都驚訝地站了起來。”荷蘭內梅亨大學的Peter Friedl說道，“這是一種認知上的改變。”

　　深入觀測

　　活體成像技術在20世紀90年代末被癌癥生物學家首次使用，包括使用強大的顯微鏡直接觀察活的麻醉老鼠的暴露組織。由于技術改進令其可以進一步窺測組織，現在可深達20個細胞處，并梳理出微弱的信號，更多的實驗室已經采用了活體成像技術。不斷增長的分子標記庫令研究人員能夠可視化8種不同類型的細胞與結構，包括血管中的各種免疫細胞和內皮細胞。“分子標記和顯微鏡技術是一個強大的組合。”南舊金山Genentech生物科技公司分管分子腫瘤領域的副總裁Frederic de Sauvage表示。

　　這些因素共同構建了一個全面的癌癥圖景，展示了這種細胞遷移、擴散和交互的復雜生態系統。盡管癌癥研究人員早就明白，腫瘤中的細胞具有遺傳異質性，但活體成像技術揭示了單個細胞的行為也可以是不同的。例如，癌細胞能以單獨或者集體的形式生長，這取決于腫瘤類型及其環境。

　　顯微鏡觀察到的一個神秘的細胞行為是巨噬細胞的活動。巨噬細胞是一種免疫細胞，通常會吞沒病原體，去除死細胞并刺激免疫反應。巨噬細胞可以引起免疫細胞對抗癌癥，但更常見的情況是，它們會促進腫瘤的生長與擴散。

　　活體成像研究表明，巨噬細胞與腫瘤細胞和內皮細胞一起共同形成了一個結構，可以像泵一樣使腫瘤細胞進入血液，這是癌癥轉移的關鍵一步。愛因斯坦醫學院的John Condeelis所領導的研究團隊在研究嚙齒動物時發現，當巨噬細胞接觸到乳腺腫瘤細胞時，腫瘤細胞變得更具侵入性，降解了血管周圍富含蛋白質的基質，令內皮細胞之間產生擠壓。巨噬細胞導致內皮細胞彼此間失去聯系，血管壁張開了一個孔，允許腫瘤細胞流出組織進入血管。

　　Condeelis的團隊表明，這種“泵”在人類乳腺癌中同樣存在。該團隊還確認了3個分子標記。在對60名乳腺癌患者的研究中，腫瘤中的“泵”密度較高的患者的其他器官更可能出現癌變。新成立的MetaStat公司已經注冊了這種預測技術，并正在開發一種測試，以預測乳腺癌患者癌變轉移的風險。該公司希望在今年年底開展臨床試驗。Condeelis的團隊也在致力于使用磁共振成像來確定“泵”的運作機制，避免使用患者的組織切片。

　　其他人使用活體成像追蹤人體內的癌癥藥物，并探索一些藥物治療失敗的原因。癌癥生物學家通常通過測量小鼠體內腫瘤增長和大小的變化測試化療藥物的效果。活體成像提供了一種更直接的方式，可以揭示腫瘤中的哪些細胞攝入了藥物以及它們是否會存活或死亡。

　　Egeblad及其團隊制作了阿霉素的影片，阿霉素是一種天然的熒光抗癌藥物，它可以滲透到小鼠乳腺腫瘤中。即使在腫瘤的小區域中，藥物進入細胞以及細胞死亡的數量的可變性令研究人員感到驚訝。他們發現，一個重要因素是腫瘤中血管的“泄漏”。中期腫瘤比早期或者晚期腫瘤含有更多的多孔血管，因此對藥物更加敏感。Egeblad表示，提高血管滲透性的化合物可能會因此增強抗癌藥物的輸送。

　　成像之后

　　為了攝制活的老鼠體內的影片，研究人員最初僅限于單一成像。理想情況下，他們會看到同一個動物體內在數天或數周內的腫瘤狀況，以追蹤其長期變化。許多人正在采用一項技術，將一個玻璃蓋玻片植入老鼠皮膚中。這些方式能夠提供包括大腦、腹部和乳腺等區域的視圖，允許研究人員多次獲得同一只小鼠的相同區域的影像。在獲得影像后，小鼠會醒來，并繼續正常生存。

　　利用這些窗口，荷蘭烏得勒支Hubrech研究所的Jacco van Rheenen帶領的團隊觀察到，在兩個星期的時間里，結直腸腫瘤細胞進入了活小鼠的肝臟。在最初的幾天里，新的癌細胞在其肝臟的小區域內活動，但是到第五天時，他們已經停止遷移，并越來越密集。研究小組發現，腫瘤在小鼠體內傳播初期，抑制細胞遷移的一種分子治療能夠減少之后產生的轉移性肝腫瘤的數量。

　　隨著活體成像技術的成熟，該領域的發展已經超越了引人注目的影像制作階段，并開始生成定量數據的詳細信息，例如細胞移動的速度與方向。這些數據讓研究人員構建和完善了細胞行為的數學模型。Friedl稱，例如，它們可以預測腫瘤細胞如何侵入組織。

　　不過，Egeblad表示，產生這種定量數據是困難且耗時的：分析影像的時間是制作影像時間的15倍。一些人注意到，用于數據影像分析的軟件的作用是有限的，因此許多實驗室都正在編寫自己的程序。

　　活體成像持續面臨著技術上的挑戰。De Sauvage稱，該技術僅能訪問近表面的組織，這使得它只適用于幾個腫瘤類型。將活體成像與分子生物的傳統工具整合起來也很困難，這些工具包括研究人員用于觀察細胞信號通路何時何地打開的熒光生物傳感器。Van Rheenen稱，許多傳感器適用于體外，研究人員操縱細胞從而放大信號的變化，但對于體內更微妙的變化卻不夠敏感。冷泉港癌癥遺傳學家Scott Powers表示，這種信息可能會提供分子逃跑路線的信息，允許一些腫瘤細胞逃避抗癌藥物的影響。“它有助于了解細胞內的生化反應。”

　　目前，Egeblad在其成像工作中正在試圖整合生化和遺傳工具。她很快就會推出一個新項目，追蹤小鼠乳腺腫瘤在幾周的生長過程中不同子集的細胞的演變過程。在實驗結束時，她的團隊將移除腫瘤，并對單個細胞進行基因測序。其目的是將腫瘤不同區域的基因特征與細胞行為聯系起來。其團隊還計劃制作關于腫瘤生長時主要癌癥基因的活動。

　　對于Egeblad來說，新項目令她想起了最初吸引她研究活體成像的問題：腫瘤的不同組件及其環境如何共同生長？Powers稱，與Egeblad共同工作，以及看到她制作的影像，幫助他了解了腫瘤環境，不僅僅是其基因，如何影像癌癥。“它怎么會沒有影響呢？人們正在記錄著以前沒有記錄過的事情。”Powers說。