本方案采用多腔床对多达四只动物进行并行磁共振成像(MRI),以检测基因工程小鼠模型中的胰腺导管腺癌肿瘤。该多动物MRI方案快速且经济高效,有助于临床前研究中的动物筛选以及肿瘤生长的纵向监测。
本方案采用多腔床对多达四只动物进行并行磁共振成像(MRI),以检测基因工程小鼠模型中的胰腺导管腺癌肿瘤。该多动物MRI方案快速且经济高效,有助于临床前研究中的动物筛选以及肿瘤生长的纵向监测。
高级 体内 成像模态,例如磁共振成像(MRI),是有效检测临床前小鼠模型中肿瘤的关键研究工具。MRI可提供关于肿瘤位置和大小的详细解剖学信息。然而,该成像模态成本高昂且耗时较长。为在不降低成像质量的前提下克服可及性障碍,已实施一种多动物MRI方案。该方案采用四腔床附件,可在单次扫描过程中获得高分辨率的多动物解剖学MRI图像。同时对多只小鼠进行成像,可显著减少该操作的时间与成本。本方案描述了一种多动物MRI工作流程,旨在提高在基因工程小鼠模型中进行肿瘤检测及长期肿瘤监测的效率 Kras驱动的 p53-缺失型(KPC)胰腺导管腺癌小鼠模型。这一经过充分验证且具有临床相关性的KPC模型,为深入理解胰腺癌发生发展的分子机制、肿瘤进展过程及治疗耐药性提供了宝贵见解。作为概念验证,本方案应用于在KPC模型中验证标准护理化疗药物吉西他滨的治疗效果。本文还简要讨论了该MRI引导的临床前研究设计在未来用于评估联合治疗方案治疗有效性的潜在应用。
胰腺导管腺癌(PDAC)仍然是致死率最高的恶性肿瘤之一。尽管近年来生存率略有改善,但5年生存率仍仅为13%1。大多数情况下,PDAC在晚期才被发现,常伴有局部浸润或远处转移,这使得治疗变得复杂。该疾病具有显著的生物学异质性,其特征是高度侵袭性的肿瘤细胞、致密的促纤维增生性间质以及血管化程度低2,3,4。这种复杂的肿瘤微环境持续阻碍着对影响疾病进展的细胞及非细胞成分进行全面表征。为应对这一挑战,亟需建立能够紧密模拟人类疾病进展和促纤维增生特征的有效临床前模型。
多种小鼠模型可用于研究癌症进展的生物学特性,并评估新型治疗药物的疗效5,6。KRas驱动的基因工程小鼠模型(GEMM)可自发形成胰腺肿瘤,这些肿瘤重现了人类胰腺导管腺癌(PDAC)的许多病理生理学和分子特征3,7,8,9,10,11。特别是由Kras驱动、p53缺失的KPC模型(LSL-KrasG12D; p53lox/+; Pdx1-Cre),是一种特征明确的PDAC GEMM7,8,9。肿瘤成像是临床前研究中的重要组成部分。肿瘤的检测及肿瘤大小的测量可用于筛选适合的实验动物,进行肿瘤生长和疾病进展的纵向监测,并评估治疗反应。
先进的体内成像技术,如超声成像(US)、生物发光成像(BLI)、计算机断层扫描(CT)、荧光成像(FLI)、正电子发射断层扫描(PET)和磁共振成像(MRI),可用于KPC模型及类似的胰腺导管腺癌(PDAC)模型中的肿瘤成像12,13,14,15,16。然而,在KPC模型中进行肿瘤成像仍具有挑战性,上述每种成像技术均具有独特的优势与局限性。光学成像技术,如生物发光成像(BLI)和超声成像(US),具有非侵入性和成本较低的优点。但其空间分辨率有限,尤其是对内脏器官的成像,可能导致与肿瘤体积的相关性较差12,15,17,18。生物发光成像需要表达荧光素酶信号的基因工程细胞,且信号强度依赖于底物递送、血流和组织氧合状态。计算机断层扫描成像速度快,运动伪影少,但在无对比剂的情况下软组织对比度较差。碘化对比剂可能对小鼠产生毒性。荧光成像需要使用对比剂或荧光探针,而腹腔器官的自发荧光会降低检测灵敏度。
由于其他成像方法存在诸多限制,磁共振成像(MRI)通常被认为是最可靠的深部肿瘤评估技术,能够为内部解剖结构提供优异的软组织对比度和分子敏感性13,14,15,19。然而,标准的临床前MRI方案运行成本高、采集时间长,可能成为许多研究实验室的障碍。多动物MRI可通过减少扫描前动物准备时间(麻醉)、扫描时间以及扫描后动物恢复时间,克服这一使用障碍。本方案展示了PDAC肿瘤成像的技术可行性(图1、图2、图3和图4),以及利用影像结果筛选动物接受吉西他滨化疗(图5)。PDAC肿瘤具有多种内在机制,导致其对标准治疗(SOC)化疗药物(如吉西他滨、吉西他滨/白蛋白结合型紫杉醇或FOLFIRINOX)产生耐药性2,3,4。本方案提供了一个合适且稳健的平台,可用于评估新治疗药物与标准治疗化疗方案,以发现可能增强患者治疗反应的有前景的联合疗法20,21,22,23,24,25,26,27。
所描述的所有实验均按照密歇根州立大学机构动物护理和使用委员会批准的方案进行。涉及活体动物的所有操作均符合既定指南,以确保动物的福利和人道对待。本方案描述了PDAC的KPC小鼠模型的使用与处理方法:LSL-K-Ras G12D (Krastm4Tyj);p53lox/lox (Trp53tm1Brn);Pdx1-Cre (Pdx1-cre6Tuv)9。
1. 成像前动物准备
2. 多动物 MRI 床设置
3. 预扫描设置与成像校准
4. 多动物磁共振成像
5. 小鼠恢复
6. 磁共振成像文件的处理与分析
7. 吉西他滨处理
KPC 动物在 12 周龄后会发展出胰腺肿瘤9。使用多腔 MRI 床,从 10 周龄开始对 KPC 小鼠进行肿瘤筛查。这使得能够筛选出肿瘤体积约为 200 mm3 的动物,用于吉西他滨治疗的临床前研究。观察到肿瘤动力学的差异以及肿瘤表现形式的变异。大多数 KPC 肿瘤表现为实性生长模式,具有单个或主要病灶 (图 4A),这有利于治疗实验的动物筛选和肿瘤体积评估。然而,也观察到一些动物在整个胰腺中分布有多个较小的实性肿瘤 (图 4A)。部分胰腺导管腺癌(PDAC)病例还可能出现肿瘤内充满液体的囊性病变,同时伴有肿瘤周围非肿瘤性囊性病变,以及由于胆囊和/或胰腺导管阻塞引起的液体潴留 (图 4A)。
入选后,动物被随机分配到两个实验组:对照组不接受任何治疗,治疗组则每周两次通过腹腔注射(i.p.)给予吉西他滨,剂量为100 mg/kg。在总共23只符合条件的动物中,对照组分配了4只雌性和7只雄性,治疗组分配了6只雌性和6只雄性。采用多动物床系统进行每周一次的磁共振成像扫描(图5A),从而能够持续监测对照组和治疗组中肿瘤生长动力学的变化(图5B)。
处理后的成像数据显示,与未治疗的对照组相比,吉西他滨处理的KPC模型中的肿瘤生长模式较慢(图5C),这与治疗组总体生存期的显著延长具有统计学意义(Log rank检验,p = 0.04)(图5D)。未治疗KPC组的中位生存期为20周,而治疗组的中位生存期延长至超过23周(图5D)。

图 1:多动物磁共振成像流程、图像处理与分析的工作流程。 多动物 MRI 方案的关键步骤从扫描前准备到图像引导的临床前研究均被突出显示。最多4只动物在诱导室中进行麻醉(扫描前准备),并准备放置于多动物床上(多动物 MRI 床设置)。对动物在2×2配置下(上层隔间2只,下层隔间2只)进行预扫描成像,随后进行磁共振扫描(MR 成像)。每只动物的成像数据均保存为独立文件并分别进行分析(图像分析)。图像结果和肿瘤大小用于筛选适合开展临床前研究的动物,并监测治疗反应(临床前试验)。请点击此处查看此图的放大版本。

图2:从准备到扫描的多动物磁共振成像关键步骤。(A)上图,定制多动物磁共振成像床系统的组装。定制设计的3D打印床插件集成了麻醉接口,可插入标准单只大鼠PET/MRI床架中。下图显示,这些3D打印插件将床分为两个腔室,可同时对最多四只动物进行成像:动物1和2位于上层插件的上方,动物3和4位于下层插件的上方。图中还展示了通过STL查看器获得的3D打印插件的横断面和改良冠状面。 (B)将小鼠依次放入多腔磁共振成像床中的过程(从上到下)。最上图:两只动物以腹侧朝下的体位放置在3D打印插件的底部左右两侧,该插件位于设备厂商提供的PET/MRI床内。中间图:另外两只小鼠以腹侧朝下的体位放置在3D打印插件的顶部左右两侧;位于上层插件左侧的小鼠连接了呼吸监测仪。最下图:四只动物完成组装,顶部已盖上盖板。所有动物的头部均固定于鼻罩中以维持麻醉(1.5–2% 异氟烷,0.8–2 L/min 氧气)。最终配置包括四只动物在磁共振成像床架中的排列,并连接麻醉输送系统、温水加热系统和生命体征监测系统,从而可在单次扫描会话中完成所有动物的磁共振成像及数据采集。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:多只动物MRI扫描的数据采集与处理。(A) 四只动物初次MRI扫描的代表性图像(矢状面)。(B) 四只小鼠在多腔扫描床中的MRI扫描图像(冠状面):两只小鼠位于3D打印插件的底部(3、4),另两只位于上部(1、2)。(C) 每只小鼠扫描后获得的最终高分辨率MRI图像文件。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:PDAC肿瘤的多种表现形式:MRI与组织学的综合分析。(A)代表性MRI图像(背侧平面),展示PDAC肿瘤的解剖学差异性(从左至右):正常胰腺、伴有充满液体的囊性病灶的多灶性肿瘤,以及实性肿瘤团块。解剖器官以颜色编码表示:胃(黄色)、脾脏(绿色)、肿瘤(紫色)、因导管阻塞导致的液体积聚(蓝色)。白色标尺 = 1 cm。(B) H&E染色肿瘤的组织学切片,结合基于计算机辅助训练分类器叠加的细胞分类,突出显示与MRI结果相对应的组织病理学特征。当肿瘤存在时,所有样本中的肿瘤(T)区域均以黑色轮廓标出。细胞分类以彩色显示:正常胰腺组织(灰色)、肿瘤(红色)、免疫细胞(黄色)。黑色标尺 = 0.5 cm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:在吉西他滨治疗期间,多动物MRI技术用于动物筛选及肿瘤生长监测。(A)实验设计时间线:在MRI扫描检测到肿瘤体积≥ 200 mm3后,纳入14周龄以上的动物。治疗组小鼠接受吉西他滨(100 mg/kg,i.p.,b.i.w)治疗,直至达到安乐死标准。整个实验过程中对所有动物定期进行多动物MRI扫描,以监测肿瘤生长动力学。(B)代表性MRI图像(背侧平面),显示一名未治疗组动物和一名治疗组动物从第0天至实验终点(生存终点)的肿瘤进展过程。白色标尺 = 1 cm。(C, D)图表展示对照未治疗组与治疗组的肿瘤生长动力学(C,n = 4 [2雌, 2雄] vs. 4 [2雌, 2雄])和总体生存率(D,n = 11 [4雌, 7雄] vs. 12 [6雌, 6雄])。Kaplan-Meier生存曲线的统计学显著性通过Log-rank(Mantel-Cox)检验确定(* p < 0.05)。请点击此处查看该图的放大版本。
补充文件 1:用于 3D 打印带集成麻醉接口的底部插件的 STL 文件,该插件可适配标准单只大鼠 PET/MRI 检查床支架。 请点击此处下载该文件。
补充文件 2:用于 3D 打印顶部插件的 STL 文件,该插件集成麻醉接口,可适配标准单只大鼠 PET/MRI 检查床支架。 请点击此处下载该文件。
本方案采用供应商提供的标准单只大鼠PET/MRI扫描床,通过定制的3D打印插件进行改造,可实现最多四只小鼠的同时扫描(图1)。这种多动物配置不仅显著减少了昂贵的MRI扫描时间,也大幅缩短了整体操作时长。与在四个独立的扫描时段中分别对每只动物进行准备(麻醉、放置于扫描床中及装入设备)、扫描和恢复相比,本方法可在一次扫描过程中并行完成四只动物的准备、扫描和恢复。该系统还包括独立的鼻罩,用于对每只动物进行可控的麻醉给药;配备针对单只动物的生命体征监测设备;以及集成的加热功能,以维持所有被扫描小鼠的体温(图2)。3D打印插件可确保动物位置的一致性,提高图像分割的重复性。实时呼吸监测功能可在扫描期间持续评估并调整麻醉状态,从而最大限度地减少运动伪影。
本方案用于检测并纵向监测经化疗药物吉西他滨处理的KPC模型中的胰腺肿瘤进展(图5A-C),作为一项概念验证性临床前研究。吉西他滨单药或联合用药是局部晚期或转移性胰腺癌患者的一线或二线治疗方案28,29,30。经吉西他滨处理的动物实验结果与既往报道一致,均显示出生存获益31。更重要的是,本方案为在KPC模型或类似的胰腺导管腺癌(PDAC)模型中研究新型治疗药物与标准治疗(SOC)化疗药物的联合疗法提供了合适且可靠的平台。这些联合疗法可能包括小分子抑制剂、免疫治疗、siRNA、microRNA活性调节剂,以及其他针对关键分子靶点的治疗性寡核苷酸20,21,22,23,24,25,26,27。这些联合疗法还可包括基因修饰靶点,以在早期研发阶段研究其与标准治疗化疗或其他疗法的相互作用9,20,32。
尽管本实验方案的重点是胰腺及其他腹腔器官的成像,但该多动物实验方案及所述的磁共振成像(MRI)序列也可应用于其他小鼠癌症模型(如乳腺癌和胶质母细胞瘤)或涉及肾脏和/或肝脏的其他疾病的解剖学表征33。我们了解到已有其他文献描述过多动物MRI扫描方案18,34。例如,Dazai等人描述了最多七只小鼠的神经解剖学MRI扫描18。虽然该装置可实现七只动物的脑部成像,但无法对每只小鼠的麻醉和体温进行独立控制。他们的动物容纳室设计适用于体重小于约32 g的小鼠;相比之下,我们的多腔体床可支持更广泛的小鼠体型范围。根据目标器官、扫描时间及分辨率的不同,Dazai等人的方案在某些方面可能较本文所述方案具有一定优势。
作者声明无利益冲突。
本工作部分得到了美国国家癌症研究所R01 CA258314基金以及密歇根州立大学(MSU)四联学科研究计划2024年版基金(授予LFS)的支持。我们感谢密歇根州立大学精准健康计划组织分析核心、密歇根州立大学定量健康科学与工程研究所/精准健康计划高级分子成像设施、密歇根州立大学校园动物资源中心、密歇根州立大学兽医诊断实验室以及密歇根州立大学定量生物元素分析与成像(QBEAM)中心在技术方面提供的协助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D 打印机 | Stratasys | J750 | 用于多动物 MRI 床插件 |
| 盐酸吉西他滨 | ApexBio | A1402-500 | 用于腹腔注射 |
| HOROS | HOROS | https://horosproject.org/ | 用于 MRI 分析 |
| 异氟烷 | Covetrus | 11695067772 | 用于小鼠麻醉 |
| 异氟烷蒸发器 | SOMNI Scientific | VS6002 | 用于小鼠麻醉 |
| 低剂量 U-100 胰岛素注射器 | BD | 14-826-79 | 用于腹腔注射 |
| 鲁尔锁紧管接头,尼龙直插头,适用于内径 1/16" 管,共 7 个 | McMaster | 51525K521 | 用于多动物 MRI 床组装 |
| 鲁尔锁紧管接头,插头,适用于内径 1/16" 带凸缘管,共 2 个 | McMaster | 7466N11 | 用于多动物 MRI 床组装 |
| 双头公鲁尔接头,共 2 个 | SAI | MML | 用于多动物 MRI 床组装 |
| 磁共振兼容的小动物监测与门控系统 | SAII | Model 1030 | 用于 MRI 过程中动物监测 |
| MRI 床适配器 | Bruker | T150743 | 厂商提供的 MRI 床组件 |
| MRI 线圈,内径 72 mm | Bruker | T20209V3 | 厂商提供的 MRI 线圈 |
| 多模态中型大鼠托架 | Bruker | T151629 | 厂商提供的 MRI 床 |
| 眼科润滑剂 | Covetrus | 75848 | 麻醉过程中使用 |
| ParaVision 360 软件 | Bruker | https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/preclinical-imaging/paravision-360.html | 用于 MRI 分析 |
| PMOD 4.2 | Bruker | https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/preclinical-imaging/pmod.html | 用于 MRI 分析 |
| 临床前 MRI 系统 | Bruker | BioSpec 70/30 | 用于 MRI |
| Stratasys Vero Clear 树脂 | Stratasys | RGD810 | 用于多动物 MRI 床制造 |
| T 型插座对插座连接器,鲁尔锁紧管,共 2 个 | McMaster | 51525K443 | 用于多动物 MRI 床 |
| 管路(内径 1/16",外径 1/8") | Bruker | T12330 | 用于多动物 MRI 床组装 |