用于癌症治疗监测的切伦科夫发光成像（CLI）

摘要

本文描述了切伦科夫发光成像（CLI）在临床前癌症治疗监测中的应用。该方法利用切伦科夫辐射（CR）与光学成像（OI）技术来可视化放射性标记探针，从而为临床前治疗监测和药物筛选提供了一种替代正电子发射断层扫描（PET）的手段。

摘要

在分子成像领域，正电子发射断层扫描（PET）和光学成像（OI）是两种最重要且应用最广泛的成像方式^1-3。PET 以其优异的灵敏度和定量能力著称，而 OI 则因无辐射、相对成本较低、扫描时间短、通量高以及对基础研究人员广泛可用等优势而受到关注。然而，这两种成像方式也均存在局限性。PET 的空间分辨率较差且成本较高，而 OI 由于光信号在活体组织中穿透深度有限且存在显著散射，主要局限于临床前研究应用。

近年来，随着切伦科夫发光成像（Cerenkov Luminescence Imaging, CLI）技术的发现，正电子发射断层扫描（PET）与光学成像（OI）之间建立起了一座桥梁^4-6。CLI 是一种新型成像方式，利用切伦科夫辐射（Cerenkov Radiation, CR）通过光学成像仪器对放射性核素进行成像。俄罗斯诺贝尔奖得主阿列克谢耶维奇·切伦科夫（Alekseyevich Cerenkov）及其同事于1934年首次发现了CR。当带电粒子在电介质中以超光速运动时，会发射一种电磁辐射，即为CR^7,8。该带电粒子（无论是正电子还是电子）通过扰动介质原子中的电子，从而改变其电磁场。当扰动通过后，被激发的电子回到基态时会释放出光子。例如，据估计，一次¹⁸F衰变在水中平均可产生3个光子⁵。

自出现以来，CLI 已被研究用于多种临床前应用，包括 在体 肿瘤成像，报告基因成像，放射性示踪剂开发，多模态成像，以及其他^4,5,9,10,11迄今为止，化学发光成像（CLI）之所以取得巨大成功，最重要的原因是这一新技术利用了光学成像（OI）成本低廉且广泛可用的优势，实现了对放射性核素的成像，而这些核素过去只能通过成本更高且设备更少的核医学成像方式（如PET）进行成像。

本文介绍了利用切伦科夫发光成像（CLI）监测癌症药物治疗的方法。我们课题组近期研究了这一新应用，并通过概念验证研究证实了其可行性¹²。我们证明，在不同肿瘤异种移植模型和成像探针中，CLI 与正电子发射断层扫描（PET）呈现出极好的相关性。这与切伦科夫发光的基本原理一致：CLI 本质上可视化的是与 PET 相同的放射性核素。我们选择贝伐珠单抗（Bevacizumab，商品名 Avastin；由 Genentech/Roche 公司生产）作为治疗药物，因为它是一种广为人知的血管生成抑制剂^13,14。该技术在不久的将来若得以进一步成熟，有望对临床前药物研发、药物筛选以及接受治疗患者的疗效监测产生重要影响。

方案

1. 肿瘤模型

1. 将H460细胞（American Type Culture Collection）培养于添加了10%胎牛血清和1%青霉素/链霉素（Invitrogen Life Technologies）的RPMI 1640培养基中。需要注意的是，细胞系的选择、培养基类型、接种部位、每只小鼠接种异种移植瘤的数量及其他相关因素均应根据具体研究目标进行优化调整。本文仅介绍一种特定的实验设计方案，以作示例。
2. 在含5% CO₂的湿润环境中培养细胞系₂ 在 37 °C 每隔一天更换一次新鲜培养基。
3. 当细胞形成75%融合的单层时，用胰蛋白酶消化并解离细胞，制成单细胞悬液，用于后续细胞培养。
4. 重悬约 1 × 10⁶ H460 细胞置于磷酸盐缓冲液（PBS；Invitrogen）中，于裸鼠（雌性无胸腺裸鼠）左右肩部皮下接种移植nu/nu），4至6周龄，Charles River Laboratories, Inc.）。
5. 让肿瘤生长至150 - 200 mm³³H460 肿瘤异种移植瘤生长至该大小约需 2 周。采用标准游标卡尺测量法监测肿瘤大小。
6. 当肿瘤生长至理想大小后，荷瘤小鼠即可开始接受治疗。 体内 通过PET和CLI成像。

讨论

化学发光成像（CLI）作为一种前景广阔的分子成像技术，已在众多基础科学研究领域甚至临床应用中展现出巨大潜力^4,5,15,16,17。与传统的核成像技术（如PET）相比，CLI的主要优势在于其采用光学成像（OI）仪器，这类仪器操作简便、采集时间短、通量高、成本显著更低，且研究人员更容易获得。此外，与一般的光学成像不同，CLI使用β射线发射标记分子作为成像探针，其中许多探针已获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准，而传统的光学成像试剂则不具备这一优势。凭借这些独特且理想的特性，CLI已迅速引起分子成像领域的广泛关注。然而，其在临床前及临床应用中的潜力仍有待深入探索。

癌症治疗监测是切伦科夫发光成像（CLI）具有重要应用价值的领域之一。这是一个至关重要的研究方向，对探针开发、药物筛选乃至为患者个体化定制癌症治疗方案均具有关键意义。目前，临床前癌症治疗监测几乎完全依赖核医学成像技术，如正电子发射断层扫描（PET）。因此，CLI 为 PET 提供了一种极具吸引力的替代方案，特别是因为 CLI 与 PET 图像之间存在极好的相关性。此外，CLI 在治疗监测中的另一个优.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
H460 细胞系	美国典型培养物保藏中心	ATCC 编号：HTB-177
RPMI 1640 培养基	英潍捷基生命技术公司	12633-012
胎牛血清	英潍捷基生命技术公司	10091-148
青霉素/链霉素	英潍捷基生命技术公司	15640-055
磷酸盐缓冲液	英潍捷基生命技术公司	10010-023
雌性裸鼠	查尔斯河实验动物公司	品系编号：088
贝伐珠单抗（Avastin）	基因泰克/罗氏	不适用
MicroPET Rodent R4	西门子医学解决方案美国公司	不适用
异氟烷（Aerrane）	百特公司	百特编号：AHN3637
IVIS Spectrum	Caliper 生命科学公司	不适用