活体成像：捕捉癌细胞的一举一动

活体鼠肿瘤侵袭视频展示黑色素瘤细胞流(绿色）侵入皮肤组织过程，结构细胞以不同颜色呈现：肌肉纤维等(橙色),神经纤维(蓝色),胶原蛋白(灰色)，血管(红色)。

活体成像技术还很年轻，不过近十年来它已经为研究者们阐明了一些关键的细胞和分子事件，例如肿瘤细胞进入血管的过程。这样的线索催生了一些新的癌症理论，加深了人们对癌细胞行为的理解。

活体成像技术的应用

癌症生物学家第一次使用活体成像技术还是在上世纪九十年代。这一技术利用强力显微镜，直接在被麻醉的活生物上观察暴露在外的组织。随着技术的发展，活体成像深入组织分析微弱信号的能力也越来越强，现在它的深度已经可以达到20个细胞。此外，分子标志物的增加也进一步推动了活体成像的应用。现在，研究者们可以成像八种不同类型的细胞和结构，包括多种免疫细胞和血管壁的内皮细胞。

在活体成像技术的帮助下，研究者们可以将癌症看作一个复杂的生态系统，并在此基础上分析细胞的迁移、增殖和相互作用。众所周知，肿瘤细胞存在着很高的遗传学异质性，而活体成像研究告诉人们，这些细胞的行为也有很大的差异。举例来说，癌细胞可以呈纵队前进，也可以抱团前进，这取决于肿瘤的类型和所处的环境。

巨噬细胞的另一面

此外，活体成像技术还为人们揭示了巨噬细胞在癌症中的神秘行为。正常情况下，巨噬细胞负责吞食病原体，清除死亡细胞和刺激免疫应答。在癌症中，巨噬细胞也能激活免疫细胞对抗癌症，但更常见的是它们促进肿瘤的生长和传播。

科学家们通过活体成像技术发现，巨噬细胞、肿瘤细胞和内皮细胞形成了一个将肿瘤细胞泵入血流的结构，这也是肿瘤细胞转移的关键一步。AlbertEinstein医学院JohnCondeelis领导的鼠类研究显示，当巨噬细胞接触乳腺肿瘤细胞时，肿瘤细胞就会变得更具侵袭性，导致血管附近富含蛋白的基质降解，最终肿瘤细胞从内皮细胞之间挤了过去。巨噬细胞破坏了内皮细胞之间的连接，在血管壁上打开了孔洞，允许肿瘤细胞进入血流。

随后Condeelis的团队证实人类乳腺癌中也存在这种“泵”，他们还鉴定了代表这种泵的三个分子标志物。研究人员在乳腺癌患者中发现，如果肿瘤具有高密度的“泵”，就更容易转移到其他器官。目前，MetaStat公司已经获得了将这一技术用于癌症诊断的许可，并计划于今年年末展开相应的临床试验。

测试化疗药物

活体成像技术也能帮助人们跟踪癌症药物的作用过程，揭示一些药物无法有效治疗的原因。在此之前，癌症生物学家在测试化疗效果时，通常是在小鼠模型中检测肿瘤生长发生的改变。而活体成像技术为他们提供了更为直接的途径，可以直观展现摄入了药物的肿瘤细胞，以及这些细胞的存活情况。

阿霉素是一种天然荧光的癌症药物，冷泉港实验室的MikalaEgeblad通过活体成像技术，成像了阿霉素深入小鼠乳腺肿瘤的过程。他们惊讶的发现，这种药物在肿瘤内的效果差异很大。这些差异体现在药物进入细胞的量，以及细胞的死亡情况等。

研究显示，对于阿霉素效果而言，血管的渗透能力是关键。例如，血管渗透性更强的中期肿瘤，比早/晚期肿瘤对药物更为敏感。Egeblad认为，提高血管渗透性的化合物，可以改善癌症药物的递送。

一个特殊的玻璃窗

对于活体成像来说，理想情况是对同一个动物进行长时期的跟踪观察（几天甚至几周）。为此，研究者们开发了一种将玻璃片植入小鼠皮肤的技术。人们可以通过这些玻璃窗观察包括大脑、腹腔、乳腺在内的区域，植入了玻璃片的小鼠在成像后即可恢复它们的正常生活。采用这一技术，研究人员就可以在较长时间内，对同一小鼠的同一个区域进行跟踪成像。

荷兰Hubrecht研究所的JaccovanRheenen领导研究团队，使用上述玻璃窗对大肠癌小鼠模型进行了两个星期的观察，监控了癌细胞转移到肝脏的过程。研究显示，最初几天癌细胞在肝脏的一小块区域内移动，但到了第五天它们就停止迁移并且密集地挤在一起。研究团队还发现，在肿瘤扩散的早期阶段用一种抑制细胞迁移的分子进行治疗，可以减少肝脏转移瘤的数量。

量化细胞的活动

随着癌症活体成像技术的成熟，人们不再满足于肉眼观察细胞的活动，而开始收集详细的量化数据，例如细胞移动的速度和方向。研究者们可以使用这样的数据构建和完善细胞行为的数学模型，对肿瘤细胞的侵袭过程进行预测，荷兰Radboud大学的PeterFriedl说。

不过获得这样的定量数据并不容易也非常耗时，数据分析所用的时间比成像时间长15倍，Egeblad说。而且目前能进行量化成像分析的软件还比较有限，许多实验室不得不自己写程序。

前方的挑战

活体成像技术的广泛应用还面临着一些挑战。首先，这一技术目前只能到达比较表层的组织，使其只能用于有限的肿瘤类型。其次，活体成像也很难与一些常用的分子生物学工具结合使用，例如荧光生物传感器。荧光生物传感器可以帮助人们判断细胞中的信号通路于何时何地启动。这种传感器大多在体外很好用，因为体外研究可以操纵细胞，扩大信号通路中的变化。这些变化在体内要微小得多，而荧光生物传感器还不够灵敏，无法进行有效的捕捉。信号通路的激活情况，可以为人们揭示肿瘤细胞规避癌症药物杀伤力的分子机制，冷泉港实验室的癌症遗传学家ScottPowers说。

Egeblad正在尝试将生化和遗传学工具整合到自己的成像研究中去。她很快会开展一个新项目，在几个星期内跟踪小鼠乳腺肿瘤的生长，分析不同细胞群体的活动。然后，她的研究团队将切下肿瘤，并对不同细胞进行测序。他们希望能够由此将遗传学特征和不同肿瘤细胞的行为关联起来（例如细胞的生长情况和对药物的抗性）。该研究团队还计划通过活体成像，在肿瘤的生长过程中监控关键癌基因的活性。

Egeblad认为这项研究可以帮助她进一步理解，不同肿瘤细胞与肿瘤环境的共同演化机制。