Nature：肿瘤魅影（附原文）

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+ M0 U' ?2 X4 vNature：肿瘤魅影
( l9 |, a/ |# U9 u6 _3 M) `" R. {2014-05-21 1 来源：lifeomics 作者：Eason 9 m; S' J; n$ K4 W' C1 {, ^

/ r# g0 l9 {4 s  j8 }$ M2 c1 J由于对活体动物体内的肿瘤细胞进行监测的技术得到了更进一步的发展，让科学家们拍摄到了这些活体肿瘤细胞的运动图像，使得我们对肿瘤的观点也发生了改变。
5 |% U) t+ @+ i) C在Mikala Egeblad第一次拍摄活体小鼠体内肿瘤细胞的视频影像时，没有人能够相信这是真的。因为在此之前，她一直都在研究显微镜下的静态图像，也就是那些被制成冷冻切片的肿瘤细胞在被冷冻那一瞬间所固定住的图像。但是对活体动物体内的肿瘤细胞进行动态观察的方法又重新给这些细胞赋予了新的生命。美国纽约冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory in New York）的肿瘤研究专家Egeblad评价道：“当你打开显微镜，对镜下的活体小鼠进行观察时，那些肿瘤细胞突然就疯跑起来，这的确彻底颠覆了我的传统观念。”) X1 R9 ?% b5 f2 F% z2 g
慢慢地，越来越多的肿瘤研究者们开始对这种能够观察到真实环境下肿瘤细胞的方法产生了兴趣。在对非活体环境中的、“静态的”人工培养组织进行研究时，科研人员们只能推测肿瘤细胞，以及肿瘤细胞周围的其他细胞各自起到了什么作用，它们彼此之间又是如何相互作用的。可是利用这种“活体内摄影技术（intravital imaging）”，我们可以对活体动物体内的肿瘤细胞进行长时间的跟踪，这样就非常容易观察到肿瘤细胞与其他细胞和组织之间的相互作用，而且还可以帮助科研人员发现那一小部分最危险的肿瘤细胞，也就是那些难治的、导致癌症发生的肿瘤细胞。' [& y% w2 b! G
这种活体内摄影技术还非常年轻，科研人员们也还在努力找到最合适的方法，以便对动辄就高达数GB的影像记录进行最好的分析。不过在近十年来，使用这种技术的科研人员越来越多，这也帮助我们找到了关键细胞事件（比如肿瘤细胞侵入血管的事件）和分子事件的时间线。根据这些线索，科学家们也提出了各种假说，有关于肿瘤生长的假说，也有关于肿瘤扩散、耐药等各方面的假说。这些信息最终可以帮助新药开发人员了解肿瘤细胞的真正耐药机制。
. p. S8 k7 S" t0 [4 ?  m% G2 s在一个充满了视频的时代，这种摄影技术一下子就引起了大家的兴趣。荷兰内梅亨大学（Radboud University Nijmegen in the Netherlands）的Peter Friedl介绍道：“我们播放视频之后，大家看到了肿瘤损害形成的动态过程，一下子就从椅子上站了起来，这是一种前所未有的体验。”, Q& n, Z- P/ Z
深入体内
  T7 w, I% T( `( y6 d  ]肿瘤生物学家们是在上世纪的90年代末才开始使用这种活体内摄影技术。当时是将一个功能强大的显微镜对准麻醉之后，活体组织被手术切开之后充分暴露的小鼠，进行观察和拍摄。逐渐有更多的实验室开始利用这项技术，对更深层次的组织内部（目前已经达到了20个细胞的深度）进行观察，获得让我们惊叹不已的丰富信息。随着各种分子标志物的出现，科学家们又有了更多、更好的工具，现在已经可以对8种不同的细胞（包括各种不同的免疫系统细胞和血管内皮细胞）和结构进行可视化的研究。美国加利福尼亚州著名的Genentech公司分子肿瘤事业部的副总监Frederic de Sauvage见证了这个发展过程，他说道：“是分子标志物和显微镜的结合催生出了这项新技术。”+ j8 S" L3 ]& L+ p
将所有这些元素综合在一起，我们就能够观察到一个复杂的、能够了解肿瘤细胞迁移、增殖和相互作用等综合过程的肿瘤细胞生态系统（ecosystem）。虽然肿瘤研究者们早就知道肿瘤细胞在遗传学上是一个异质性（heterogeneous）的群体，但只到出现了活体内摄影技术之后，他们才了解到每一个肿瘤细胞在行为和表现上都有哪些差异。比如肿瘤细胞可以一个一个地活动，也可以聚集在一起，形成一个紧密的团体一起移动，这主要取决于肿瘤细胞的类型以及周围的环境。
0 `% u) A0 H# |3 ~! `7 _通过这种活体内摄影观察还观察到了一个非常有意思的细胞行为，那就是巨噬细胞（macrophage）的行为，我们知道巨噬细胞是一种免疫细胞，主要功能就是吞噬病原体、坏死的细胞，或者激活免疫反应。巨噬细胞可以刺激免疫细胞杀死肿瘤细胞，但是在更多的时候，巨噬细胞起到的却是刺激肿瘤生长和扩散的作用。
7 w! C) U; W2 o, ~+ h( q2 E0 \活体内摄影研究发现，巨噬细胞与肿瘤细胞和内皮细胞一起形成了一种能够将肿瘤细胞“泵入”血管的结构，这也是促使肿瘤转移的一个关键步骤。美国纽约Albert Einstein医学院（Albert Einstein College of Medicine in New York）的John Condeelis等人利用啮齿类动物试验发现，巨噬细胞与乳腺癌细胞接触之后，肿瘤细胞就会变得更富侵袭性，能够降解血管周围富含蛋白质的基质（matrix），挤入血管内皮细胞之间的连接缝隙。巨噬细胞能够破坏内皮细胞彼此之间的连接，在血管壁上“凿开”一个小孔，帮助肿瘤细胞进入血管，扩散到身体其他部位。0 a" c, Q( ]- s' P
Condeelis的团队发现，在人体的乳腺癌组织中也能够找到这个“泵”结构。他们还发现了与此相关的3个分子标志物，这3个分子标志物分别代表了这个“泵”结构的3种组成细胞，也能够说明在肿瘤组织中存在这个“泵”结构。他们一共对60名乳腺癌患者进行了研究，结果发现体内“泵”结构含量越高的人更容易发生癌症转移。美国新泽西州的MetaStat公司是一家新成立的生物科技公司，他们已经获得了这项诊断新技术的上市资格，正在开发一种可用于预测乳腺癌患者肿瘤转移风险的新产品。MetaStat公司希望在今年年底之前为这种产品开展临床试验。Condeelis的课题组也在开发一种能够帮助MRI设备发现这种泵结构的探针，这样不需要对患者进行活检就能够得到诊断结果。5 n7 Y1 ~1 n* l$ ^
还有一些人则在尝试利用这种活体摄像技术跟踪抗癌药物在人体内的运动轨迹，同时探究为什么抗癌药物会失效的原因。肿瘤生物学家们通常用来衡量化疗药物活体内疗效的办法都是用小鼠试验来观察，给药之后肿瘤的生长速度有没有减缓，肿块的体积有没有缩小。而活体摄像技术则可以给我们一个更加直观的第一手资料，观察到肿瘤细胞是否摄取了药物，然后这些肿瘤细胞是不是还能够继续存活。
* R" ^6 X  L0 q8 h# P9 r) C; GEgeblad的团队就针对阿霉素（doxorubicin）这种化疗药物拍摄了一段录影，拍摄到了阿霉素进入小鼠乳腺癌组织的影像片段。在结果上巨大的变异性（variability）让他们大吃一惊，即便在肿瘤组织上的很小一个区域里，细胞摄取的药物量，以及死亡死亡的数量也大不一样。Egeblad等人发现了一个非常重要的因素，那就是肿瘤组织内血管的“渗透性（leakiness）”。与早期和晚期肿瘤相比，中期肿瘤内含有最多的“孔状”血管，所以对药物的敏感程度也最高。所以Egeblad他们认为，使用能够增加血管渗透性的药物有助于提高化疗药物的疗效。
5 N) [1 j. ^6 E3 \打开一扇窗口4 B8 I- p% k( j, T/ j
科研人员们最开始拍摄这种活体小鼠内部影像时只能够被限定在一个很窄时间段的图像上。可是理想状态应该是连续观察好几天，甚至是好几周的时间。于是很多人开始使用另外一种办法，就是在小鼠的皮下植入一块盖玻片。这些盖玻片就好像一扇扇窗户，让我们能够看到大脑、腹腔、乳腺等部位的情况，能够对同一个小鼠的同一个部位进行长时间的观察和录制。一次拍摄完毕之后，小鼠又会从麻醉中苏醒过来，和平时一样活动和生活，等待下一次的拍摄。
4 o- g- w" o7 b有了这些窗户，荷兰Hubrecht研究所（Hubrecht Institute in Utrecht, the Netherlands）的Jacco van Rheenen等人对小鼠肝脏上的结肠癌细胞进行了为期两周的观察。在最开始的几天，刚刚转移到肝脏上的结肠癌细胞都会在很小的一块区域里迁移，可是到了第五天，这些肿瘤细胞就停止了迁移，开始大量增殖。van Rheenen等人发现，在肿瘤转移的初期，使用能够抑制肿瘤细胞迁移的化疗药物，能够显著地减少肝脏上的转移灶数量。) \# H) }4 t6 r9 u8 d
随着活体内成像技术的不断成熟，现在也开始慢慢过渡到不需要人眼观察的阶段，而且还能够获得非常详细的、定量的细节信息，比如细胞运动的速度和方向等信息。有了这些数据，科学家们就可以为肿瘤细胞的行为构建出数学模型。Friedl认为可以根据这些模型推测出肿瘤是如何侵入组织的。
" m) Y: y' @' B; |- R) D! E( E; j9 v但是获得这些定量信息可并不那么容易，而且需要花费大量的时间，据Egeblad介绍，分析一段影片所需要的时间是拍摄这段影片所需时间的15倍。还有一些人也指出，目前能够进行这种定量分析的软件非常有限，所以很多实验室都在开发他们自己的图像分析软件。
% F# T& j4 j8 t3 N! V$ ^7 e, ]而且活体内成像技术也面临了不少的挑战。据de Sauvage介绍，目前使用这种技术只能够对贴近皮肤的组织进行观察，也就是说只能够对少数几种肿瘤细胞进行观察和记录。目前还很难将活体成像技术与传统的分子生物学技术，比如荧光生物传感技术（科研人员可以利用这种技术确定细胞信号通路在何时，何处被激活）结合起来。据van Rheenen介绍，很多生物传感技术在离体试验时的效果都很不错，能够很好地展示出细胞信号通路上的变化，但是在体内试验时的灵敏度就略显不够了。美国冷泉港实验室的肿瘤遗传学家Scott Powers表示，这种信息也许能够为我们提供一些线索，帮助我们了解肿瘤细胞耐药的分子机制，他说道：“如果能够了解细胞内都发生了哪些生化反应，促使细胞表现出那些行为，那就太好了。”
- ?! y& r) a3 Y! R) L. f& [" j# [Egeblad正在尝试将生化研究手段以及遗传学研究方法与活体成像技术结合起来。她很快就会启动一个新的研究项目，对小鼠乳腺癌细胞进行长达数周的持续观察。在实验结束之后，她们还会取出肿瘤组织，对每一个肿瘤细胞进行基因组测序。她们希望通过这种方式找到与肿瘤细胞快速增殖、耐药等特性相关的遗传学背景信息。她们还计划对关键肿瘤基因的表达情况进行监测。
( H. d# C8 t: Z% L- k! W+ lEgeblad认为，这个新项目又给她提供了一个好机会，让她能够再一次解答最初让她进行活体成像的那个问题——肿瘤，以及肿瘤周围的环境是如何共进化的？Powers则表示，与Egeblad一起工作，观看Egeblad拍摄的那些视频也让他自己对肿瘤周围环境（而不是遗传背景）对肿瘤的影响作用有了一个全新的认识，他说道：“拍摄这些活体内的视频怎么可能没有意义呢？我们拍摄的可都是之前从来没有被人记录过的东西。”
+ L& C& d) v, V  i9 R& b原文检索：& Y1 h, w9 v% n! p$ Y8 A7 Q5 \! f
Corie Lok. Imaging: Cancer caught in the act. Nature, 07 May 2014; doi:10.1038/509148a
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2楼原文 感谢aulenuyah 提供

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谢谢提供原文。