光学相干断层扫描(OCT)是一种三维成像技术,可用于监测和表征多细胞肿瘤球体的生长动力学。本研究展示了基于体素计数法对肿瘤球体进行精确的体积定量分析,并利用内源性光学衰减对比实现无需标记的球体内坏死组织检测。
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光学相干断层扫描(OCT)是一种三维成像技术,可用于监测和表征多细胞肿瘤球体的生长动力学。本研究展示了基于体素计数法对肿瘤球体进行精确的体积定量分析,并利用内源性光学衰减对比实现无需标记的球体内坏死组织检测。
肿瘤类球体已被开发为癌症研究和抗癌药物发现中的一种三维(3D)细胞培养模型。然而,目前利用明场或荧光检测的高通量成像方法由于光穿透能力有限、荧光染料扩散以及深度分辨能力不足,难以解析肿瘤类球体的整体三维结构。近期,我们的实验室已证明,可采用光学相干断层扫描(OCT)——一种无标记且非破坏性的三维成像技术——在96孔板中对多细胞肿瘤类球体进行纵向表征。OCT能够获取高度达约600 µm的肿瘤类球体的三维形态学和生理学信息。本文中,我们展示了一种高通量OCT(HT-OCT)成像系统,该系统可自动扫描整个多孔板并获取肿瘤类球体的三维OCT数据。我们在实验方案中详细描述了HT-OCT系统的构成及构建指南。基于三维OCT数据,可通过三维渲染图像和正交切片可视化类球体的整体结构,根据大小和体积等形态学信息表征肿瘤类球体的纵向生长曲线,并利用光学固有衰减对比监测肿瘤类球体中死细胞区域的生长情况。我们证明,HT-OCT可作为药物筛选的高通量成像手段,也可用于表征生物制造样品。
癌症是全球第二大致死原因1开发靶向癌症的药物对患者至关重要。然而,据估计,超过90%的新型抗癌药物在临床试验中因疗效不足或出现意外毒性而在研发阶段失败。2部分原因可归结于在化合物筛选中使用了简单的二维(2D)细胞培养模型,这些模型所提供的结果在预测化合物在药物发现后续阶段中的有效性和毒性方面具有局限性。2,3,4近年来,三维(3D)肿瘤球模型已被开发用于为抗癌药物发现提供具有临床相关性的生理学和药理学数据3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25由于这些球状体能够模拟肿瘤的组织特异性特性 在体内,例如营养和氧气梯度、缺氧核心以及药物耐受性19这些模型的应用有望缩短药物研发周期,降低投资成本,并更有效地将新药带给患者。评估化合物在三维肿瘤球体模型中疗效的一个关键方法是监测球体在治疗条件下的生长及复发情况9,26为此,必须采用高分辨率成像技术对肿瘤形态进行定量表征,包括其直径和体积。
传统的成像方式,如明场、相差7,9,22,24,以及荧光显微镜8,9,16,18,22 可提供类球体直径的测量,但无法解析其在三维空间中的整体结构。造成这些局限性的因素众多,包括探测光在类球体中的穿透能力;荧光染料向类球体内部的扩散;由于强吸收和散射,导致类球体内部或对侧表面激发的荧光染料发出荧光信号;以及这些成像方式的深度分辨能力。这些因素常导致体积测量不准确。类球体中坏死核心的形成模拟了肿瘤组织中的坏死现象 在体内 肿瘤6,10,15,19,25这一病理特征在二维细胞培养中难以重现19,25,27,28. 当类球体尺寸大于500 µ直径约 m 时,可观察到类球体呈现三层同心结构,包括外层的增殖细胞、中间的静止期细胞以及中心的坏死区域6,10,15,19,25,由于缺乏氧气和营养物质。活细胞与死细胞的荧光成像技术是标记坏死核心边界的常规方法。然而,同样地,荧光染料和可见光的穿透能力有限,限制了对坏死核心实际形态发育过程的深入探测。
一种可选的三维成像技术——光学相干断层扫描(optical coherence tomography, OCT)被引入用于表征肿瘤类球体。OCT 是一种生物医学成像技术,能够对生物组织深达 1–2 mm 的区域进行无标记、非破坏性的三维数据采集。29,30,31,32,33,34OCT 利用低相干干涉测量技术,检测来自样品不同深度的背向散射信号,并在横向和纵向均提供微米级空间分辨率的深度分辨重建图像。OCT 已广泛应用于眼科领域。35,36,37 和血管造影38,39. 以往的研究已采用OCT来观察肿瘤类器官的形态 体外 基底膜基质中的肿瘤球状体例如,Matrigel)并评估其对光动力疗法的反应40,41最近,我们团队建立了一个高通量光学相干断层成像(OCT)平台,用于在多孔板中对三维肿瘤球体的生长动力学进行系统性监测与定量分析42采用基于体素计数的方法对三维肿瘤球体进行精确的体积定量,并利用内在光学衰减对比度实现对球体内坏死组织的无标记检测。本文详细描述了光学相干断层成像(OCT)成像平台的构建及其用于获取三维肿瘤球体高分辨率三维图像的方法。文中阐述了对三维肿瘤球体生长动力学进行逐步定量分析的步骤,包括对球体直径和体积的精确测量。同时,介绍了基于内在光学衰减对比度,利用OCT对坏死组织区域进行无损检测的方法。
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1. 细胞的制备
2. 高通量光学相干断层成像平台
注意:有关光学相干断层成像(OCT)原理与应用的全面综述,请参见参考文献29,30,31,32,33,34。有关本研究中使用的定制OCT成像系统的详细信息,请参见图1及Huang et al.42。
3. 肿瘤类器官的OCT扫描与处理
4. 三维肿瘤球体的形态学定量分析
注意:使用 MATLAB 编写的自定义代码处理此定量分析。点击 运行 按钮以启动该过程。形态学定量分析类球体的步骤流程图见 图 2B。
,假设肿瘤呈球形。5. 三维肿瘤球体的死细胞区域检测
注意:在均匀介质中,作为深度函数检测到的光学相干断层成像(OCT)背向散射强度(I(z))可用比尔-朗伯定律49描述:
,其中z表示深度,μ为光学衰减系数,I0为入射到样品上的初始光强。因此,推导出的光学衰减系数可表示为:
。由于OCT图像通常以对数尺度绘制,可通过提取OCT强度分布曲线的斜率来推导光学衰减系数。生成光学衰减图的流程参见图2C。
6. 组织学与免疫组织化学
注意:获取肿瘤类器官的组织学与免疫组织化学(IHC)染色图像,以与相应的光学相干断层扫描(OCT)结果进行对照分析。
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96孔板中类球体的高通量光学相干断层成像
图3展示了在第3天对96孔板中HCT 116肿瘤类球体进行高通量光学相干断层扫描(HT-OCT)的结果。整个板的连续扫描从右下角的孔(H12)开始。图3B显示了HT-OCT系统软件实现的流程图。在一个类球体的数据采集和处理完成后,板将移动至下一个孔,等待约2秒使类球体稳定,随后采集下一个类球体的数据。每个OCT数据包含400 × 400 × 1024个体素,对应实际体积为1.0 × 0.84 × 2.3 mm3。图3C展示了由处理后的数据生成的HCT 116类球体的en-face OCT图像拼图。该结果与其他二维高通量成像系统获得的图像具有可比性22。鉴...
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肿瘤活性与其形态结构密切相关。类似于监测二维细胞培养的特征性生长曲线,追踪三维肿瘤球体的生长曲线也是表征不同细胞系长期球体生长行为的常规方法。值得注意的是,我们可以通过分析生长曲线上直接反映的肿瘤退化或肿瘤再生情况来表征药物反应。因此,对三维肿瘤球体进行定量评估,包括其大小和体积,以获得生长曲线,在肿瘤球体表征及化合物效应评价中具有重要意义。目前,基于明场、相差或荧光成像的成像平台已建立,用于对三维肿瘤球体的形态或功能进行常规成像与分析8,9,18,22。然而,由于成像深度穿透能力有限以及轴向分辨率不足,这些方法无法解析完整的较大肿瘤结构。在代表性结果中,我们已展示光学相干断层扫描(OCT)可用于随时间可视化发育中的肿瘤球体的完整三维结构。三维OCT成像能够以高分辨率提供球体任意方向和任意截面的视图,而传统成像方式因缺乏轴向分辨率而无法实现这一点。此外,基于三维OCT数据的体素化体积...
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作者声明无竞争利益冲突。
本工作得到了美国国家科学基金会(NSF)仪器开发生物科学领域项目(IDBR,项目编号 DBI-1455613)、促进创新与合作项目(PFI:AIR-TT,项目编号 IIP-1640707)、美国国立卫生研究院(NIH)资助项目 R21EY026380、R15EB019704 和 R01EB025209,以及理海大学启动基金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 定制光谱域OCT成像系统 | 本实验室研发 | ||
| 超发光二极管 (SLD) | Thorlabs | SLD1325 | 光源 |
| 2×2 个单模熔融光纤耦合器,50:50 分光比 | AC Photonics | WP13500202B201 | |
| 参考臂 | |||
| 透镜管 | Thorlabs | ||
| 适配器 | Thorlabs | ||
| 准直透镜 | Thorlabs | AC080-020-C | |
| 聚焦透镜 | Thorlabs | ||
| 运动学镜片支架 | Thorlabs | ||
| 镜面 | Thorlabs | ||
| 一维平移台 | Thorlabs | ||
| 连续中性密度滤光片 | Thorlabs | ||
| 行人步道 | Thorlabs | ||
| 夹持叉 | Thorlabs | ||
| 样品臂 | |||
| 透镜管 | Thorlabs | ||
| 适配器 | Thorlabs | ||
| 准直透镜 | Thorlabs | AC080-020-C | |
| 检流计 | Thorlabs | ||
| 中继透镜 | Thorlabs | AC254-100-C | 两个中继透镜组成望远镜结构 |
| 三角镜架 | Thorlabs | ||
| 镜面 | Thorlabs | ||
| 目标 | Mitutoyo | ||
| 行人步道立柱 | Thorlabs | ||
| 夹紧叉 | Thorlabs | ||
| 偏振控制器 | Thorlabs | ||
| 30 mm 笼式安装座 | Thorlabs | ||
| 笼杆 | Thorlabs | ||
| 阶段 | |||
| 三维电动平移台 | 北京茂峰光电科技有限公司 | JTH360XY | |
| 二维倾斜平台 | |||
| 旋转台 | |||
| 培养板支架 | 3D打印 | ||
| 光谱仪 | |||
| 透镜管 | Thorlabs | ||
| 适配器 | Thorlabs | ||
| 准直透镜 | Thorlabs | AC080-020-C | |
| 光栅 | Wasatch | G = 1145 lpmm | |
| F-theta 透镜 | Thorlabs | FTH-1064-100 | |
| InGaAs 线扫描相机 | Sensor Unlimited | SU1024-LDH2 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
| 细胞培养组分 | |||
| HCT 116 细胞系 | ATCC | CCL-247 | |
| 细胞培养瓶 | SPL Life Sciences | 70025 | |
| 移液器 | Fisherbrand | 14388100 | |
| 移液器吸头 | 索伦森生物科学 | 10340 | |
| Gibco GlutaMAX DMEM | Thermo Fisher Scientific | 10569044 | |
| 胎牛血清,经认证,源自美国 | Thermo Fisher Scientific | 16000044 | |
| 抗生素-抗真菌素(100X) | Thermo Fisher Scientific | 15240062 | |
| 康宁96孔透明圆底超低吸附微孔板 | 康宁 | 7007 | |
| Gibco PBS,pH 7.4 | Thermo Fisher Scientific | 10010023 | |
| Gibco 胰蛋白酶-EDTA (0.5%) | Thermo Fisher Scientific | 15400054 | |
| Forma Series II 3110 水套式 CO2 培养箱 | 赛默飞世尔科技 | 3120 | |
| 手套 | VWR | 89428-750 | |
| 帕拉膜 | Sigma-Aldrich | P7793 | |
| 移液管 | Globe Scientific | 138080 | |
| 离心 | Eppendorf | 5702 R | 离心15 mL离心管 |
| 离心 | NUAIRE | AWEL CF 48-R | 离心96孔板 |
| 显微镜 | 奥林巴斯 | ||
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
| 组织学 &和免疫组化 | |||
| 数字切片扫描仪 | Leica | Aperio AT2 | 获取高分辨率组织学图像 |
| 组织学服务 | Histowiz | 请求提供肿瘤球体的组织学与免疫组织化学染色服务 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
| 商用OCT列表 | |||
| SD-OCT系统 | Thorlabs | 特尔斯特罗系列 | |
| SD-OCT系统 | Wasatch Photonics | WP OCT 1300 nm | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
| 数据处理软件 | |||
| 基础图像分析 | 美国国立卫生研究院 | ImageJ | Fiji 同样适用。 |
| 三维重建 | 赛默飞世尔科技 | Amira | 商用软件。选项1 |
| 三维重建 | Bitplane | Imaris | 商用软件。选项2。本方案中使用 |
| OCT 采集软件 | 使用 C++ 自主开发 | ||
| 载物台控制 | 北京茂丰光电科技有限公司 | MRC_3 | 集成到定制的 OCT 采集代码中 |
| OCT 处理软件 | 使用 C++ 自主开发。利用 GPU。集成至自主开发的 OCT 采集代码中。 | ||
| 形态学与生理学分析 | 在 MATLAB 中自主开发 |
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