您好, 歡迎來到化工儀器網
OCT在臨床前癌癥成像中的應用進展以及臨床應用潛力
過去的十年里，光學相干層析成像（OCT）領域取得了巨大的技術進步。這些技術進步推動了它在眼科、心臟病學和胃腸癌篩查中的應用。最近，為臨床前活體癌癥成像應用開發的一系列基于OCT的成像工具獲得了令人興奮的新進展，實現了探測和監測體內癌癥的進展和反應。本文回顧總結一些近期成果，并預測OCT在臨床前癌癥成像中的未來，討論其作為監測癌癥治療的工具轉化到臨床的巨大潛力。
背景
光學相干斷層掃描（OCT）能夠對活體組織和器官進行無創和無標記成像。雖然OCT是一種相對較新的技術，但它基于已經發展了幾百年的光學干涉測量原理。OCT通過干涉斷片的方式生成圖像，與其他體內成像方式不同，這也賦予了OCT*的成像能力。首先，OCT的對比度來自細胞、基質和其他組織結構的光散射特性，因此OCT是一種無標記的光學成像方式。第二，OCT成像利用近紅外區域較長的波長。已知散射隨著波長的增加而減少，因此與使用較短波長的光學顯微鏡相比，OCT可以高分辨率成像到更深的組織中。第三，進行OCT的機械部件可以小型化。雖然熒光顯微鏡也已經小型化，但OCT可以用低孔徑透鏡操作，方便將OCT光學系統集成到小探針、導管和內窺鏡中，以便在內部位置成像。
這些因素結合在一起，促使OCT應用于多種診斷。光學OCT現在是美國和歐洲的護理標準，血管內OCT已經在世界范圍內商業化，并迅速成為介入性心臟病學的護理標準，內窺鏡OCT作為傳統白光內窺鏡檢查的輔助手段正在商業化。OCT也應用于臨床前成像，過去的幾年在活體癌癥成像方面取得了令人矚目的成果，如活體小鼠模型中的癌癥成像，強調了OCT在臨床前成像中日益增長的作用。本文著重講述OCT在癌癥生物學成像中的新進展，并與現有技術的成像能力進行對比。列舉了OCT成功在臨床前的應用，如對腫瘤生物學及其微環境的不同方面成像，以及OCT如何與補充成像模式相結合以增強從成像研究中獲得信息的能力。最后討論了OCT在監測癌癥臨床治療中的潛力。
OCT儀器
OCT系統通常包括光源、干涉儀和顯微鏡或成像導管，通過顯微鏡或成像導管將光傳送到待成像的組織并從其收集反射光。由于組織中的存在光散射，導致大多數組織中OCT信號的穿透深度不足2 mm，因此動物模型的選擇就很關鍵。通常臺式（非內窺鏡）OCT以窗口模式對皮膚、乳腺脂肪墊或大腦部位進行成像。也可以通過透皮成像用于皮下模型中，或者應用于手術成像體內部位。臺式OCT使用的顯微鏡在設計上類似于熒光顯微術使用的顯微鏡，將麻醉的動物放置在成像物鏡下，檢流計光束掃描器平移成像束。內窺鏡OCT能夠對動物體內部位成像，其探針與待成像組織接觸或非常靠近，同時小型化一般不會對成像靈敏度或分辨率造成顯著影響。內窺鏡的加入不但成功將成像擴展到小動物內部部位，也為OCT在未來臨床監測癌癥治療中的應用提供了可能性。
OCT的圖像對比度應用
OCT的基本原理是測量光在組織中的傳播以及散射情況。過去的十年里，研究人員大大擴展了將這些測量結果轉化為生理和解剖參數的能力。本文總結了將OCT信號與癌癥相關的解剖測量數據相關聯的集中方法，并與其他活體方法進行的類似測量進行了對比。
01-微結構成像
結構（解剖學）成像可用于測量腫瘤體積，或定位腫瘤，或描述腫瘤微環境。常用的活體超聲（Intravital ultrasound）和微計算機斷層掃描（micro computed tomography, μCT）都具有成像范圍大和穿透深度深的優點，但也都受限于軟組織對比度相對較差，對解剖結構的解析程度有限。
OCT能夠獲得顯微結構圖像。在軟組織中，光學散射的變化比聲學散射或x射線吸收更大，因此微結構OCT圖像的對比通常比超聲和無對比CT更強。這使得腫瘤邊緣檢測呢給你里增強，并能夠對腫瘤部位的微環境進行更廣泛的闡述。此外微結構OCT成像速度很快，可在5s內以10 μm分辨率采集8 mm × 8 mm × 2 mm視野的圖像。但OCT的穿透深度有限，約為2 mm，因此測量較大腫瘤更適合使用超聲波和計算機斷層掃描方法。
02-活力成像
對腫瘤模型的活力進行成像研究有助于闡明其對治療方案的空間反應，但對活力進行活體成像的方法很少。使用18-氟脫氧葡萄糖（18-fluorodeoxyglucose, FDG）標記的micro positron emission tomography （μPET）可以用于全身成像活力研究中，但分辨率有限（通在1mm以上），不太適合于小動物模型中的腫瘤。結合熒光脫氧葡萄糖模擬物已被證明能夠對培養物和活體中的葡萄糖攝取活性進行光學監測，表達綠色熒光蛋白（GFP）的腫瘤可用于監測生存能力，但這些技術受到成像視野和深度的限制。此外熒光素酶報告因子的生物發光（如，螢火蟲、高斯蟲、腎蟲熒光素酶）也可用于以較低的空間分辨率的細胞活力成像。
OCT能通過光學散射的相關變化區分出腫瘤的存活區和非存活區。組織結構變化會調節光散射，通過配準圖像和組織學研究，已經可以確定高散射和生存能力喪失之間具有相關性。基于OCT的活力成像具有無標記的優點，并且可以容易地同時進行其他OCT成像模式，如顯微結構成像，兩種方法可以應用在相同的采集數據集上，僅通過后處理就可區分開。鑒于臨床前活力成像方法的缺乏，OCT可能會成為一個可矚目的應用。
03-淋巴管造影
淋巴管在實體腫瘤的生長和轉移中起著核心作用。實體瘤對正常淋巴功能的破壞會造成實體瘤內間質液壓力高，阻礙對流藥物的轉運。另一方面，腫瘤周圍的淋巴管也為腫瘤轉移提供了路徑。因此，有必要對實體瘤微環境中的淋巴管及其對癌癥治療的反應進行成像研究。然而淋巴成像仍有一定難度，因為與血管系統不同，淋巴系統很難被系統地標記。目前可用的常見的技術需要將示蹤劑注射到特定部位，如腫瘤或周圍宿主組織中。當淋巴管收集并充滿示蹤劑時，可通過廣角相機或熒光顯微鏡對其進行成像。但這種方法僅能展示部分網絡結構，并且會擾亂淋巴管生理學。
OCT可用于無標記淋巴管造影。淋巴管造影基于幾乎透明的淋巴液和高度散射的組織之間的光學散射差異。淋巴網絡在三維數據集中表現為低回聲（低散射）區域；三維上的連接性和特征性瓣膜以及淋巴管形態使得淋巴管的識別相對簡單。由于在正常生理學中，淋巴脈管系統的某些部分總是塌陷的，所以并不總是能進行全面的測繪。基于OCT的高分辨率，檢測具有較小開放腔面積的淋巴管在技術上是可行的。
04-血管造影
了解腫瘤血管生成和腫瘤對血管靶向治療的反應是過去十年癌癥研究的一個主要主題。目前用于活體血管造影的方法包括多普勒超聲、顯微磁共振成像（micro magnetic resonance imaging, μMRI）、μCT、光聲斷層成像和熒光顯微術。其中，基于超聲、μMRI和μCT的方法由于分辨率有限，無法分辨單個血管。迄今為止，熒光血管造影術廣泛應用于在腫瘤模型中以單個血管分辨率研究血管生成。然而熒光方法需要通過靜脈注射對脈管系統進行系統標記，在縱向研究中有局限性。
使用顯微結構OCT，可以觀察到一些直徑100μm以上的大血管。為成像更小的血管，通常使用基于血流的血管造影成像方法。與顯微結構、活力和淋巴對比度方法不同，血管造影成像依賴于散射動力學的測量，流動的血液會影響光散射，這種影響可以被檢測并用于區分腫瘤的血管內和血管外部分。與熒光方法不同，基于OCT的血管造影術是無標記的。OCT血管造影術和熒光血管造影術在視野、成像深度和分辨率上的區別見表1。
表1 臨床前癌癥研究的活體成像方法概述
與用于結構、活力和淋巴的OCT成像不同，用于血管造影的OCT要監測散射隨時間的變化，因此嚴格需要動物固定。通常要成像的位置必須機械固定，固定的同時還必須小心防止阻塞脈管系統，造成因機械壓力引起的血管對比度損失。血管造影的OCT方法成像時間也更長，以捕捉每個位置的散射動態。根據所使用的算法和所需的血流靈敏度，以10μm分辨率對8mm×8mm×2mm的視野進行成像需要1-20min，相比之下OCT的非動態對比度模式僅需約5s。成像時間較長也能夠更廣泛的采集信號動態，從而提高圖像對比度。隨著算法的改進未來可能會減少這一時間。
05-OCT中的其他對比度模式
OCT還有幾種額外的成像對比模式，但仍處于早期發展階段，或尚未顯示出與癌癥研究的相關性。其中包括檢測外源性標記的技術，它能夠基于OCT測量腫瘤內的藥物分布。還有通過測量對入射光場偏振的影響來識別特定的組織成分，如膠原和肌肉纖維。這種偏振敏感的OCT方法相對成熟，可以用于探測腫瘤-間質的相互作用。此外對散射動力學的測量還可以用于識別細胞過程，如凋亡，或者允許對腫瘤血管網絡中的血流速度進行詳細的量化。
OCT在臨床前癌癥研究中的應用
研究人員已經將這些OCT方法用于臨床前，來研究癌癥生物學以及評估藥物反應。本文介紹了幾例OCT近期取得的成就，重點是OCT提供的測量結果的*和不可替代性。
首先是微結構OCT。第一例研究中，OCT用于測量植入背部皮褶腔內的腫瘤體積。使用手動分割方法在三維空間描繪腫瘤邊緣（圖1a），根據描繪出的邊緣計算腫瘤體積，并結合獲得的腫瘤邊緣和體積，在抗血管生成藥物研究中確定治療起點，還證明了由VEGFR2阻斷引起的生長延遲。通過同時采集結構和血管OCT圖像，利用腫瘤邊緣分割出腫瘤內和腫瘤周圍的血管，從而對不同部位的血管反應進行差異分析。OCT提供的擴展性視野、成像深度和多模態成像使這些分析成為可能。
研究顯微結構的OCT也被用于內窺鏡，以成像結腸直腸癌誘導模型中的疾病進展。這使得研究人員能夠對小鼠結腸的疾病進展進行全面繪制和縱向跟蹤（圖1b）。此外還證明了基于OCT的微結構對比度可用于對靶向EGFR的納mike進行成像。內窺鏡OCT系統還與熒光成像相結合，將早期疾病（通過顯微OCT識別）與VEGFR2表達增加（通過熒光標記識別）相關聯。在這些內窺鏡應用中，OCT提供的分辨率和軟組織對比度能夠幫助μCT和μMRI更早地檢測到病變。
在一項對白喉毒素處理的異種移植模型中進行的活力成像研究中，證明了OCT監測細胞靶向治療的能力。白喉毒素的毒性具有高度物種特異性，對人類腫瘤細胞具有強毒性，但對小鼠沒有，可作為腫瘤細胞靶向治療的替代物。利用OCT對腫瘤內的散射隨時間的變化進行量化，以跟蹤腫瘤活力變化（圖1c）。同時得到的結構和血管成像，能夠測量相關的腫瘤體積和血管反應。
圖1 腫瘤的微結構OCT成像。（a）利用微結構對比度，在背部皮褶腔模型中，可將腫瘤組織（MCaIV乳腺癌）與周圍的宿主皮下及肌肉組織區分開來。通過確定腫瘤邊緣，可以計算出腫瘤的三維體積。（b）小鼠結腸中偶氮甲烷誘導的結直腸癌的內窺鏡微結構OCT。較高的軟組織對比度和接近組織學分辨率允許對結腸上皮進行微結構成像。該圖像顯示了沿結腸不同組織深度（垂直方向）與距離（水平方向）之間的對比。通過標志性的變化來檢測從正常組織到胃腸上皮內瘤變（GIN）到腺瘤的疾病進展，如組織分層喪失。（c）通過量化OCT微結構數據集中的散射，可以在細胞毒干預期間監測腫瘤的活力。在白喉毒素處理（下圖）或未處理（上圖）兩天后，背部皮褶腔模型中LS174T人結腸直腸腺癌的活力代表圖像。在白喉毒素處理的動物中，散射增加，表明活力明顯喪失。
有研究使用基于OCT的淋巴管造影術，在背側皮褶腔模型和耳模型中，繪制腫瘤周圍的淋巴管圖。在renrou瘤模型中，發現腫瘤周圍淋巴增生的量與到腫瘤邊緣的距離相關，并且實現了對單個腫瘤周圍淋巴管進行縱向追蹤。
OCT在臨床前癌癥研究中最引人注目的應用是在血管造影術領域。OCT在廣闊領域內重復成像的能力，使其成為研究腫瘤血管生成和各種部位血管反應的理想工具。在最近的一項研究中，使用了一種基于生物工VHL蛋白的新治療策略，OCT被用來表征用這種VHL蛋白處理過的異種移植模型中的血管生成，結合熒光顯微術確定該VHL蛋白成功傳遞到腺病毒。該研究顯示，治療后，血管生成受到強烈抑制，并且腫瘤壞死增加。另一個將OCT與其他成像方式相結合的研究，能夠動態成像腫瘤中氧氣供應和需求。其中OCT用于測量血流，而光譜技術測量血液氧合（使用血紅蛋白光譜）和代謝需求（使用“氧化還原比”熒光測量）。
OCT的寬視野成像以*的清晰度揭示了腫瘤血管網絡的形態特征，這可被用來強調微環境對腫瘤脈管系統的重要作用（圖2）。使用OCT技術可以頻繁重復進行血管造影，這是熒光顯微術無法做到的。OCT技術用于腫瘤延時血管造影和微結構成像，以觀察對VEGFR2阻滯的應答。在48h內每兩小時進行一次OCT成像，以捕捉由VEGFR2阻斷引起的快速血管變化。顯微結構成像證實，盡管有這些血管變化，血管靶向治療在此期間并不影響腫瘤生長。 
圖2 使用OCT對腫瘤血管生成進行成像。揭示了在不同解剖部位生長的MCaIV鼠乳腺腫瘤中，差異顯著的血管網絡。
OCT在臨床治療反應監測中的應用
許多臨床前成像方法雖然非常有效，但擴展性差，因為可能依賴于基因修飾，或者所需新標簽需要監管批準。OCT因為不需要標記，從而規避了這些難題已經迅速進入診斷應用中。隨著基于OCT的癌癥成像技術在臨床前環境中的發展，獲得的研究成果將大大推進OCT向癌癥治療的臨床監測轉化。早期已經在動物模型中證明了，基于OCT的血管造影術可以在前列腺癌和食道癌模型中對光動力療法的效果提供敏感的反饋。研究人員也正在努力將OCT技術轉化用于臨床反應監測中。
結論
作為一種既定的診斷方法，OCT越來越多地被用于臨床前癌癥研究。OCT的成像能力tianbule現有活體成像方法中的空白，因此可能成為生物實驗室中常見的技術。對癌癥生物標志物成像的需求為OCT在臨床治療監測中的應用提供了非常好的前景。目前從臨床全身成像模式（如磁共振成像）中獲得的血管成像生物標志物可用于評估治療。隨著適當探針的開發，可能使用OCT技術來提供更高分辨率的腫瘤內脈管系統圖像。我們還需要更多研究以證明OCT圖像和治療反應之間的相關性，因此對探針開發要求較低的癌癥，如皮膚癌和口腔癌可能成為突破口。隨著研究和工業技術的進展，OCT的性能將持續提高，應用范圍也將進一步擴大。
參考文獻：
Vakoc, Benjamin J. , et al. "Cancer imaging by optical coherence tomography: preclinical progress and clinical potential. " Nature Reviews Cancer 12.5(2012):363-8.