Name: 背侧皮褶窗室肿瘤小鼠模型在转化癌症研究中用于联合活体显微镜和磁共振成像 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-04-12T13:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 25 s
Description: 了解背侧皮褶窗室小鼠模型如何联合活体显微镜与磁共振成像技术，用于转化癌症研究。该方法通过多模态成像揭示肿瘤微血管对治疗反应的影响机制。

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感谢Carla Calçada博士（博士后研究员，玛格丽特公主癌症中心）和Timothy Samuel博士（博士生，玛格丽特公主癌症中心）在肿瘤细胞培养及接种方案开发方面的帮助。Kathleen Ma博士、Anna Pietraszek博士和Alyssa Goldstein博士（动物研究中心，玛格丽特公主癌症中心）协助完成了手术方案的开发。Jacob Broske（医学工程技师，玛格丽特公主癌症中心）和Wayne Keller（硬件客户主管，Javelin Technologies – TriMech集团子公司）负责了观察窗室的3D打印。James Jonkman（大学健康网络高级光学显微镜设施）在明场和荧光显微镜图像采集方面提供了宝贵的指导。

Guided Tumor Inoculation and Multimodal Imaging in Mice

<ol><li>Fukumura, D., Duda, D. G., Munn, L. L., Jain, R. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tumor+microvasculature+and+microenvironment%3A+Novel+insights+through+intravital+imaging+in+pre-clinical+models%5BTitle%5D)+AND+%22Microcirculation%22%5BJournal%5D)">Tumor microvasculature and microenvironment: Novel insights through intravital imaging in pre-clinical models.</a> Microcirculation. 17 (3), 206-225 (2010).</li>
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<li>Fukumura, D., Jain, R. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tumor+microvasculature+and+microenvironment%3A+Targets+for+anti-angiogenesis+and+normalization%5BTitle%5D)+AND+%22Microvasc+Res%22%5BJournal%5D)">Tumor microvasculature and microenvironment: Targets for anti-angiogenesis and normalization.</a> Microvasc Res. 74 (2-3), 72-84 (2007).</li>
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<li>Rouffiac, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multimodal+imaging+for+tumour+characterization+from+micro+to+macroscopic+level+using+a+newly+developed+dorsal+chamber+designed+for+long-term+follow-up%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biophotonics%22%5BJournal%5D)">Multimodal imaging for tumour characterization from micro to macroscopic level using a newly developed dorsal chamber designed for long-term follow-up.</a> J Biophotonics. 13 (1), 201900217(2020).</li>
<li>Leung, H. M., Schafer, R., Pagel, M. M., Robey, I. F., Gmitro, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multimodality+pH+imaging+in+a+mouse+dorsal+skin+fold+window+chamber+model%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+SPIE+Int+Soc+Opt+Eng%22%5BJournal%5D)">Multimodality pH imaging in a mouse dorsal skin fold window chamber model.</a> Proc SPIE Int Soc Opt Eng. 8574, 85740L(2013).</li>
<li>Erten, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+resonance+and+fluorescence+imaging+of+doxorubicin-loaded+nanoparticles+using+a+novel+in+vivo+model%5BTitle%5D)+AND+%22Nanomed%22%5BJournal%5D)">Magnetic resonance and fluorescence imaging of doxorubicin-loaded nanoparticles using a novel in vivo model.</a> Nanomed. 6 (6), 797-807 (2010).</li>
<li>Maeda, A., DaCosta, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimization+of+the+dorsal+skinfold+window+chamber+model+and+multi-parametric+characterization+of+tumor-associated+vasculature%5BTitle%5D)+AND+%22Intravital%22%5BJournal%5D)">Optimization of the dorsal skinfold window chamber model and multi-parametric characterization of tumor-associated vasculature.</a> Intravital. 3 (1), e27935(2014).</li>
<li>Allam, N., Taylor, E., Vitkin, I. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-cost+3D-printed+tools+towards+robust+longitudinal+multi-modal+pre-clinical+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">Low-cost 3D-printed tools towards robust longitudinal multi-modal pre-clinical imaging.</a> bioRxiv. , (2023).</li>
<li>Alexander, S., Weigelin, B., Winkler, F., Friedl, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preclinical+intravital+microscopy+of+the+tumour-stroma+interface%3A+invasion%2C+metastasis%2C+and+therapy+response%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Opin+Cell+Biol%22%5BJournal%5D)">Preclinical intravital microscopy of the tumour-stroma interface: invasion, metastasis, and therapy response.</a> Curr Opin Cell Biol. 25 (5), 659-671 (2013).</li>
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作者声明无利益冲突。

在本研究中，我们建立了一种工作流程，可在同一动物体内同时进行活体显微成像和临床适用的影像学检查（CT、MRI 和 PET）。该方法旨在通过将活体显微成像与 MRI 等临床成像方式直接关联，实现临床前显微成像发现向临床应用的转化。尽管传统的背侧皮肤折叠室（DSFC）设计通常采用金属材料2,3，但我们通过使用由生物相容性塑料树脂制成的3D打印观察窗室，使 DSFC 具备了磁共振兼容性。成像模态间的配准通过在临床成像中使用定位标记物实现，同时获取一幅宽场显微图像，以匹配 DSFC 上的定位标记物位置与宽场显微图像以及高分辨率活体显微成像微血管图像中可见的血管解剖标志。我们开发了一套用于多模态图像共配准的 MATLAB 代码，详见补充文件2。
DSFC 在临床前研究中并非新事物2,3,27,29,30,31,32，一些研究已开发出由生物相容性塑料制成的磁共振兼容 DSFC，用于活体显微镜和临床适用的成像技术27,29,30,31,32。然而，这些研究仅在全肿瘤水平上进行 MRI 与活体显微镜结果的相关性分析。本研究的创新之处在于，我们能够通过在 DSFC 上附加定位标记物，将活体显微镜图像直接与临床适用的成像模态进行共配准，从而实现直接的空间相关性分析。Gaustad 等人也进行了 MRI 与活体显微镜之间的空间相关性分析；然而，其研究未包含模态间共配准过程的具体详细步骤29。本研究提供了一种利用定位标记环附件实现多种成像模态之间空间关联的实验方案，并包含一个 MATLAB 分析流程。
与其它类似研究相比，DSFC 的设计和操作过程在成像效果和肿瘤生长特性方面具有多项改进。首先，大多数窗式培养皿方法是在窗式培养皿手术之后&#160;接种肿瘤。这种做法通常是为了更容易将肿瘤置于窗式培养皿视场（FOV）的中心；然而，先前的研究表明，这种方法并不理想，常常导致“不真实”的单层肿瘤生长，并在许多情况下出现自发性消退33。相反，我们在植入 DSFC 前，允许肿瘤在皮肤中自由生长数周，从而形成更接近真实情况的三维肿瘤，并具有更佳的生长特性33。
该DSFC设计重量极轻，仅为0.83 g，且具有较大的成像窗口视场（直径1.2 cm的玻璃盖玻片）。我们DSFC设计的一个独特特征是，未采用卡环来固定玻璃盖玻片与前框架。相反，玻璃盖玻片通过紫外光固化胶永久粘接，从而使前框架底部完全平整。此外，前框架被固定在小鼠皮肤下方。这一设计旨在最大限度地减少肿瘤与玻璃界面之间出现空气间隙的可能性。以往的设计已注意到，若肿瘤与玻璃界面存在间隙，则该区域极易积液。这会显著影响实验结果，因积液会衰减活体显微成像信号，从而降低图像质量。此外，由于积液在T2加权定位扫描中呈现高信号，使得在磁共振成像中难以准确定位肿瘤所在的切片，难以区分哪些切片成像的是组织，哪些切片成像的是DSFC内的积液。该设计的一个缺点是，若玻璃盖玻片破裂，则无法轻易更换。我们还设计了一种完全由光学透明塑料制成的前框架，从而彻底避免了玻璃破裂的问题34。
在整个操作过程中，有若干关键步骤在技术上比其他步骤更具挑战性。其中一个可能造成困难的步骤是在DSFC手术中将前框架缝合到皮肤上（实验方案步骤3.18-3.24）。重要的是要在DSFC前框架的顶部保留一些额外松弛的皮肤。如果未做到这一点，该区域的皮肤将失去血液供应而发生坏死，从而破坏制备效果。另一个技术上具有挑战性的任务是准确定位MRI扫描切片包，以包含玻璃下方组织最表层的部分。如果该切片未精确对准目标区域，则可能因玻璃产生部分容积效应，导致MRI结果出现错误。DSFC玻璃下方组织表面的不平整会使这一操作更加困难。必须确保皮肤在DSFC内部绷紧，使组织表面尽可能平坦均匀，以减少此类误差来源。
本文中，我们以svOCT为例展示了该DSFC工作流程的应用，svOCT具有6 x 6 mm2的大成像视场（FOV）。这一较大的视场在其他类型的活体显微镜技术中并不常见，许多成像方法的视场仅为1 mm2或更小13。由于微血管解剖标志可能难以辨认，将宽场显微镜图像与高分辨率活体显微镜图像进行共配准时可能会面临一定挑战。为克服这一问题，可能需要额外获取一幅视场较小（约6 x 6 mm2）的宽场显微镜图像，作为不同成像模式之间的中间共配准步骤，以进一步精确划定活体显微镜所成像的兴趣区域。
在本研究中，我们主要关注肿瘤微血管系统的成像，但该模型也可用于成像肿瘤微环境的其他组分。例如，活体显微技术已成功用于成像肿瘤间质35，而扩散加权磁共振成像方法（如扩散张量成像或扩散峰度成像）可能能够提供有关肿瘤间质结构的信息36,37。该工作流程可能为将间质肿瘤信息转化为临床应用提供令人期待的机会，即通过将肿瘤间质的高分辨率活体显微图像与基于磁共振成像的间质测量结果进行直接共配准来实现。然而需要注意的是，由于该方法依赖血管标志物进行共配准，这些标志物也应同时存在于活体显微成像的间质图像中。
所展示的工作流程可能成为连接临床前活体显微镜与临床适用成像技术之间差距的重要一步。该模型可用于利用真实的活体显微镜图像验证临床成像方法，通过与活体显微镜的对比开发新的临床适用成像技术，并利用多种成像方式对治疗反应进行纵向监测。

肿瘤微血管是肿瘤微环境中的一个重要组成部分，可作为治疗的靶点，并决定治疗反应。在临床前研究中，通常使用原位或异位动物窗腔模型结合活体显微镜来研究微血管系统1,2。与组织学研究相比，这种方法具有多项优势，因为成像在活体组织中进行，肿瘤可在数周甚至数月内被纵向监测2,3。此类研究可利用活体显微镜的高分辨率成像能力，研究治疗药物向肿瘤的递送过程4,5、治疗耐药的原因6，以及微血管对诸如抗血管生成治疗7,8和放射治疗2,9等疗法的反应。
活体显微镜在临床前癌症研究中显然发挥着重要作用；然而，在临床环境中如何测量肿瘤微环境的特征呢？微血管信息在临床上可用于评估血液供应和肿瘤细胞缺氧情况，这对于确定放射治疗中的治疗耐药性10，以及微血管向周围肿瘤细胞输送化疗药物的能力具有重要意义11。例如，在放射治疗中，关于肿瘤微血管结构和功能的空间信息可能有助于通过调整分割照射方案，或优先增加对无血管且可能缺氧区域的照射剂量，从而实现个体化治疗方案的优化12。
活体显微镜能够测量这些重要的微血管特征，因为它具有很高的分辨率（μm 级别）；然而，其在组织中的穿透深度仅限于几百微米至数毫米，最多只能达到这一范围，这使得临床应用面临挑战。事实上，活体显微镜在临床上已有一些新颖的应用13；但这些应用目前仍局限于通过柔性导管或内窥镜对皮肤14或各种体腔的黏膜/内皮衬层15,16等近表面组织进行检查。
更常见的是，微血管系统通过CT17或MRI18等成像方式来研究。这些临床成像技术能够对体内任意深度进行成像，但其空间分辨率较低（毫米量级）。因此，有必要弥合临床前活体显微镜与临床成像技术之间的分辨率差距，以将高分辨率、详细的微血管信息引入临床实践19。目前已开发出多种功能成像方法，以提升临床成像技术对微血管的成像能力，例如动态对比增强（DCE）MRI和CT20，以及体素内不相干运动（IVIM）MRI21。然而，这些方法均为基于模型的间接测量手段，因此必须通过适当的&#34;金标准&#34;微血管测量方法进行验证19,22。
我们开发了一种背侧皮肤褶窗室（DSFC）肿瘤小鼠模型，以填补临床前活体显微成像与临床适用的成像方式（如CT和MRI）之间的空白。DSFC通过玻璃窗口为高分辨率活体显微成像提供了对肿瘤的直接观察通路，同时由于其由磁共振兼容材料（塑料和玻璃）制成，也可用于MRI等临床适用的成像。此外，我们提供了一套MATLAB代码，可实现多模态三维共配准，从而在临床前活体显微成像与临床适用成像方式之间建立直接的空间关联。本文将详细介绍DSFC的设计与植入手术，以及活体显微成像与临床适用成像方式共配准的操作流程。

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;细胞培养材料&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>BxPC-3 人胰腺癌细胞</td><td>美国典型培养物保藏中心 (ATCC)</td><td>CRL-1687</td><td></td></tr><tr><td>Corning Matrigel 基底膜基质，无LDEV，10 mL</td><td>康宁</td><td>354234</td><td></td></tr><tr><td>康宁 Stripettor Ultra 移液控制器</td><td>康宁</td><td>07-202-350</td><td></td></tr><tr><td>不含钙、镁或酚红的杜尔贝科磷酸盐缓冲液，500 mL</td><td>Gibco</td><td>14190144</td><td></td></tr><tr><td>胎牛血清（加拿大），500 mL</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>F1051-500ML</td><td></td></tr><tr><td>青霉素-链霉素 100倍浓缩液（液体，稳定型，经无菌过滤，细胞培养测试）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P4333-100ML</td><td></td></tr><tr><td>RPMI 1640 培养基（1×），液体；含 L-谷氨酰胺，500 mL</td><td>Gibco</td><td>11875093</td><td></td></tr><tr><td>TrypLE Express 酶，500 mL</td><td>Gibco</td><td>12605028</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;观察窗室材料&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>12 mm 玻璃盖玻片</td><td>哈佛仪器&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>CS-12R 编号 1.5</td><td></td></tr><tr><td>Connex 500 3D 打印机</td><td>Stratasys</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>生物相容性透明 MED610 树脂</td><td>Stratasys</td><td>&amp;nbsp;RGD810</td><td></td></tr><tr><td>Loctite AA 3105 紫外光固化胶</td><td>Loctite</td><td>LCT1214249</td><td></td></tr><tr><td>窗式腔室后框架</td><td>Trimech Inc</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>窗式腔室定位标记</td><td>Trimech Inc</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>窗式腔室前框架</td><td>Trimech Inc</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>窗式腔体支撑夹</td><td>Trimech Inc</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;接种与手术材料&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>BD SafetyGlide 带永久性针头胰岛素注射器，0.5 mL，29 G × 1/2&quot;</td><td>BD</td><td>CABD305932</td><td></td></tr><tr><td>聚维酮碘溶液</td><td>聚维酮碘</td><td>AP-B002C2R98U</td><td></td></tr><tr><td>Cidex OPA 14日溶液 3.8 L</td><td>ASP</td><td>JOH20394</td><td></td></tr><tr><td>一次性手术垫 23英寸 x 24英寸</td><td>Kendall</td><td>7134</td><td></td></tr><tr><td>眼部润滑剂&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>Optixcare</td><td>50-218-8442</td><td></td></tr><tr><td>脱毛膏</td><td>Nair</td><td>&amp;lrm;061700222611</td><td></td></tr><tr><td>哈尔斯特德止血钳</td><td>Almedic</td><td>7742-A12-150</td><td></td></tr><tr><td>加热垫</td><td>阳光&amp;nbsp;</td><td>B086MCN59R</td><td></td></tr><tr><td>虹膜剪</td><td>Almedic</td><td>7601-A8-690</td><td></td></tr><tr><td>异氟烷</td><td>Sigma</td><td>792632</td><td></td></tr><tr><td>美达佳</td><td>&amp;nbsp;Boehringer Ingelheim Animal Health USA Inc</td><td>NDC 0010-6015-03</td><td></td></tr><tr><td>NOD.Cg-Rag1tm1Mom&amp;nbsp;Il2rgtm1Wjl/SzJ 小鼠</td><td>杰克逊实验室</td><td>7799</td><td></td></tr><tr><td>花生切割器 &amp;amp; Trimmer</td><td>Wahl</td><td>8655-200</td><td></td></tr><tr><td>&amp;nbsp;SOFSILK 非吸收性外科缝线 #5-0，带 3/8 针&quot; 锥形针头（17 mm）（石蜡涂层，编织黑色丝线，无菌）&amp;nbsp;</td><td>&amp;nbsp;Syneture&amp;nbsp;</td><td>&amp;nbsp;VS880</td><td></td></tr><tr><td>精密镊子</td><td>Almedic</td><td>7725-A10-634</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;磁共振成像&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>3D打印的窗式固定装置</td><td></td><td></td><td>定制3D打印，详见图3。</td></tr><tr><td>对流加热装置</td><td>3M Bair Hugger</td><td>70200791401</td><td></td></tr><tr><td>药物注射系统</td><td>哈佛仪器&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>PY2 70-2131</td><td>PHD 22/2200 MRI 兼容注射泵</td></tr><tr><td>Gadovist 1.0</td><td>拜耳</td><td>2241089</td><td></td></tr><tr><td>呼吸监测系统</td><td>SAII</td><td>Model 1030</td><td>适用于小动物的磁共振兼容监测与门控系统</td></tr><tr><td>尾静脉导管（27 G 0.5&quot; )</td><td>Terumo Medical Corp</td><td>15253</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;光学成像&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>3D打印成像平台</td><td></td><td></td><td>定制3D打印，详见补充图3。</td></tr><tr><td>12 V 7 W 柔性聚酰亚胺加热板 薄型粘性 PI 加热膜 25 mm x 50 mm</td><td>BANRIA&amp;nbsp;</td><td>B09X16XCVS</td><td>用于小鼠体温调节的加热元件</td></tr><tr><td>直流电源</td><td>BK Precision</td><td>1761</td><td>用于为加热元件供电。</td></tr><tr><td>Leica MZ FLIII</td><td>徕卡显微系统</td><td>15209</td><td></td></tr><tr><td>svOCT成像系统</td><td></td><td></td><td>自制成像系统。详细信息见参考文献23。</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;软件&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MATLAB 软件</td><td>MathWorks</td><td>R2020A</td><td></td></tr></tbody></table>

用于转化癌症研究中活体显微成像与磁共振成像联合应用的背侧皮肤折叠窗室肿瘤小鼠模型

A Dorsal Skinfold Window Chamber Tumor Mouse Model for Combined Intravital Microscopy and Magnetic Resonance Imaging in Translational Cancer Research

在癌症研究中，临床前活体成像技术（如显微成像和光学相干断层扫描）已被证明是可视化肿瘤微环境及其对治疗反应的有力工具。这些成像方式具有微米级分辨率，但由于对组织的穿透深度较浅，在临床应用中受到限制。而CT、MRI和PET等更具临床适用性的成像技术虽然具有更深的组织穿透能力，但空间分辨率相对较低（毫米级）。
为了将临床前活体成像的研究成果转化为临床应用，必须开发新方法以弥合这种微观到宏观的分辨率差距。本文介绍了一种背侧皮肤褶窗腔肿瘤小鼠模型，该模型旨在同一动物体内实现临床前活体成像和临床适用的成像技术（如CT和MR）的结合，并介绍了连接这两种不同可视化方法的图像分析平台。重要的是，所描述的窗腔方法利用窗腔上的定位标记，实现了不同成像模态在三维空间中的共定位，从而获得直接的空间一致性。该模型可用于现有临床成像方法的验证，也可通过与“真实情况”高分辨率活体成像结果的直接关联，用于开发新的临床成像技术。
最后，利用临床前及临床适用的成像技术，可对肿瘤对多种治疗（如化疗、放疗、光动力治疗）的反应进行纵向监测。因此，本文所述的背侧皮肤褶窗腔小鼠肿瘤模型及成像平台可用于多种癌症研究，例如将临床前的活体显微成像发现转化为更具临床适用性的成像技术，如CT或MRI。

采用散斑方差光学相干断层成像技术（svOCT）获取大视野（FOV）三维微血管图像（横向6 × 6 mm2，深度1 mm）。为获得这些图像，使用了先前描述的基于正交干涉仪的扫频光源OCT系统23。OCT图像通过拼接两个横向相邻的3 × 6 mm2视野扫描图像获得。每个B扫描包含400个A扫描，并在每个位置重复扫描24次（间隔25 ms），以实现准确的散斑方差处理，具体方法见我们之前的工作24。
为将MRI数据集与微血管svOCT数据集进行共配准，需执行多个步骤。第一步已在步骤5.12中完成，如图4所示。该步骤沿深度方向（图4中的z轴）实现两个数据集的共配准。为在横向维度（图4中的xy平面）上进行共配准，需利用标记物环以及一系列基于两点的仿射配准方法。首先，通过匹配标记物环上的标记点与前框架玻璃窗边缘周围对应的凹槽位置（图5B、C中的绿色点），将MRI数据集与明场显微图像进行共配准。接着，利用在svOCT微血管数据集和明场显微图像中均可识别的血管解剖标志点，将明场图像（及其对应的MRI数据集）与svOCT数据集进行共配准（图5A、B中的蓝色点）。因此，明场显微图像作为中间分辨率图像，同时包含MRI（标记物凹槽位置）和svOCT微血管图像（微血管解剖标志）的特征，从而实现跨显著不同成像分辨率的多模态共配准。
在无肿瘤（健康裸露皮肤）和有肿瘤的窗式培养皿小鼠模型中，三种成像模式（微血管成像、宽场显微镜和 MRI）成功共定位的结果分别如图6A-C和图6D-F所示。当三种成像模式完成共定位后，即可进行相关性分析。为了充分利用共定位数据集，应基于体素逐一体素进行空间相关性分析，或在选定的兴趣体积上采用适当的平均技术进行分析。图7展示了由svOCT获得的微血管参数与功能MRI获得的宏观血管参数之间相关性的部分代表性结果。这些图包含来自两只荷瘤小鼠和一只“健康”裸露皮肤小鼠的数据。这些图采用1 mm2横向×500 μm深度的滑动窗兴趣体积（VOI）技术生成，横向步长为500 μm，每个数据点代表一个VOI位置。对于健康小鼠，血管分析被限制在视场中心一个3×3 mm2的兴趣区域内，以匹配所研究肿瘤的三维空间范围。有关使用该分析方法进行svOCT与MRI相关性的更详细研究，可参见我们近期的工作22。
<img alt="图6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66383/66383fig06.jpg" /> 
图6：健康组织与肿瘤组织的共配准成像数据集。 上排显示的是健康裸鼠皮肤的（A）颜色深度编码的svOCT图像、（B）共配准的明场显微图像（蓝色虚线框表示分析区域）以及（C）共配准的DCE-MRI参数图。下排显示的是荷瘤裸鼠皮肤的（D）颜色深度编码的svOCT图像、（E）共配准的明场显微图像（蓝色虚线框表示肿瘤轮廓）以及（F）共配准的DCE-MRI参数图。C和F中的黑色体素分别位于分析区域和肿瘤区域之外，因此不予考虑。比例尺 = 1 mm。缩写：svOCT = 斑点方差光学相干断层扫描；DCE-MRI = 动态对比增强磁共振成像。&#160;<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66383/66383fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
图7A显示了磁共振成像（MRI）的ktrans参数与svOCT测量的血管体积分数（VVF）之间的关系。VVF是指组织中被血管占据的比例，而&#160;ktrans表示钆对比剂从血管内空间向血管外空间转移的速率常数。通过在体素基础上将Toft模型拟合至钆的时间-浓度曲线，可获得ktrans值25,26。svOCT的VVF测量结果表明，肿瘤组织的VVF小于健康组织，可能提示肿瘤内部存在血管化程度较低的区域。由于ktrans依赖于血流、血管通透性以及毛细血管表面积25,26，因此预期ktrans与VVF之间存在正相关关系，因为较高的VVF意味着更大的血管表面积和血流量。然而，仍需开展更多研究（如葡聚糖外渗实验）以进一步阐明肿瘤血管通透性在此关系中的影响27。
图7B展示了磁共振成像（MRI）的对比增强达峰时间（TTP）与svOCT的平均最近邻血管距离（<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/66383/66383eq02.jpg" style="margin: auto;" />）之间的相关性。TTP是一种半定量指标，用于测量钆浓度-时间曲线达到其最大值所需的时间，并以体素为单位进行计算26。<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/66383/66383eq02.jpg" style="margin: auto;" /> 是一种svOCT微血管指标，用于测量分析体积内各点到最近血管的平均距离22。通常情况下，健康组织的 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/66383/66383eq02.jpg" style="margin: auto;" /> 值小于肿瘤组织，表明健康微血管结构更为密集，从而导致组织氧合更加均匀，而肿瘤组织的血管化程度较低28。肿瘤组织中较高的 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/66383/66383eq02.jpg" style="margin: auto;" /> 值可能提示存在无血管区域。图7B显示TTP与 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/66383/66383eq02.jpg" style="margin: auto;" /> 之间存在正相关关系。这表明，在健康组织中，钆能够高效且快速地进入和清除出组织；而肿瘤微血管结构更为畸形，血管间距更大，导致钆到达组织所需时间延长，从而引起TTP增加。
<img alt="图7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66383/66383fig07.jpg" /> 
图7MRI与svOCT宏观到微观血管空间相关性分析 这些图包含两只荷瘤小鼠和一只健康裸鼠的检测结果，使用的是 1 mm × 1 mm 扫描区域2 侧向 &#215; 500 &#956;米深度，使用500的滑动窗口VOI &#956;m步长，每个点代表滑动窗口感兴趣体积（VOI）某一位置下给定指标的平均值。缩写：svOCT = 散斑方差光学相干断层成像；DCE-MRI = 动态对比增强磁共振成像；VOI = 感兴趣体积 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66383/66383fig07large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
补充文件1：观察窗组件的3D STL文件。 一个包含DSFC腔室4个组件（前框架、后框架、支撑夹和基准标记环）的压缩文件，用于3D打印这些部件。缩写：DSFC = 背部皮肤褶观察窗腔室。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66383/Supplementary file 1.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件2：用于多模态图像配准的MATLAB脚本 该 MATLAB 脚本（Multimodal_Image_Register.m）可输入明场显微镜图像、微血管图像数据以及结构和功能磁共振图像（DCE 和/或 IVIM 参数图），并输出所有与微血管图像数据集配准后的数据集。该 MATLAB 脚本支持以下文件格式：MRI - .dcm，svOCT - .mat，显微镜图像 - .jpg 或 .TIF。MATLAB 代码设计适用于方案部分所述的文件尺寸/分辨率：MRI - 视野为 32 × 32 mm，矩阵为 64 × 64，平面内分辨率为 0.5 × 0.5 mm；连续 10 层成像切片；显微镜图像 - 二维图像 &#62;1.5 cm2 视野（分辨率任意），以及 svOCT - 6 mm × 6 mm 视野 7.5 &#181;m 分辨率。如果使用不同的文件格式、图像分辨率或成像视野，应修改相应的 MATLAB 代码。缩写：DCE = 动态对比增强；IVIM = 体素内不相干运动；MRI = 磁共振成像；svOCT = 散斑方差光学相干断层扫描。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66383/Multimodal_Image_Register.zip" target="_blank">请点击此处下载此文件。</a>
补充图 S1：使用临时缝线将观察窗固定在小鼠皮肤上。 缝线从（1）处开始，穿过小鼠皮肤的前侧以及观察窗的前框架。（2）随后缝线穿过小鼠皮肤的背侧，并从观察窗的后框架穿出。接着将缝线重新穿入后框架，（3）进入皮肤背侧，穿过前框架，再（4）从皮肤前侧穿出。（5）然后缝线再次穿过双侧观察窗框架及各层皮肤。（6）最后，缝线从观察窗顶部的孔中穿过，并贯穿所有皮肤层。通过在（1）处拉紧并打结，使观察窗与皮肤组件紧密贴合。缩写：DSFC = 背侧皮肤皱襞观察窗。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66383/Supplementary Figure 1.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图 S2：永久缝线的最佳放置位置。 永久缝线应从前侧皮肤/框架穿入，从后侧皮肤/框架穿出，再从整个组件背面穿回，并在前侧打结。每个数字代表一根独立的缝线。缝线应按照数字顺序依次放置，以便在固定过程中对整个组件均匀施加压力。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66383/Supplementary Figure 2.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图 S3：活体显微成像用的 3D 打印载物台。（A）&#160;用于活体显微成像的带有异氟烷气体麻醉装置的 3D 打印载物台。（B）通过三个螺栓将窗式培养皿固定在载物台上，以固定其位置并消除任何呼吸运动。（C）两个串联连接至直流电源的加热元件被粘附在载物台底部，用于在麻醉期间维持小鼠体温。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66383/Supplementary Figure 3.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>

活体显微镜的发现向临床转化面临的主要挑战是其对组织的穿透深度较浅。本文介绍了一种小鼠背部窗口腔模型，该模型可实现活体显微镜与临床适用的成像方式（如CT、MRI）的共同配准，从而进行直接的空间关联分析，有望加速活体显微镜发现成果的临床转化。

用于癌症研究的临床前活体成像技术，如显微成像和光学相干断层扫描，已被证明是可视化...的有效工具。

临床前活体成像具有很高的分辨率，但在组织中的穿透深度有限，因此非常适用于临床前成像研究。另一方面，磁共振成像（MRI）更具临床适用性，且组织穿透深度更高，但空间分辨率很低。本研究的目标是将这两种成像模式相互关联，从而通过磁共振成像更有效地将临床前活体显微镜的研究成果转化为临床应用。磁共振成像和生物光子学中的灌注敏感性成像方法，包括我们的光学相干断层扫描与地理成像系统，正在揭示微血管系统如何影响肿瘤对低分割放疗的响应。3D打印技术通过低成本定制化工具制造，有助于开展纵向研究。最后，人工智能图像分析正在推动新型放疗预测生物标志物的识别。我们在肿瘤对低分割放疗的反应方面取得了一些发现，包括近期关于放射生物学意义显著的以及由人工智能提取的组织反应指标的时间动力学特征。此外，我们还展示了多模态成像在提高准确性方面的潜力，能够更好地关联磁共振成像（MRI）、宏观与光学相干断层扫描、显微成像以及血管造影衍生指标。通过延长纵向研究的有效时长，我们有望更准确地识别出预测肿瘤长期治疗反应的生物标志物。此外，通过提高宏观的临床可用成像模态与微观的临床前成像模态之间共配准的稳健性，我们有望增强研究发现从实验台到临床应用的可转化性。在立体定向体部放疗过程中，高剂量辐射以较少的分割次数进行递送。与SVRT中细胞死亡增加相关的一个潜在放射生物学靶点是肿瘤微血管系统。通过结合高分辨率光学血管成像和磁共振成像，我们希望实现功能磁共振微血管成像，用于个体化立体定向放射治疗（SVRT）方案设计，以改善治疗效果。

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科研

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癌症研究

背侧皮褶窗室肿瘤小鼠模型在转化癌症研究中用于联合活体显微镜和磁共振成像

在本视频中，我们通过植入的颅窗对小鼠模型中预先注射的癌细胞进行活体成像。 这种高分辨率的时间推移成像技术可实现对活体小鼠中癌细胞动态行为的研究。...

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小鼠乳腺癌模型中肿瘤微环境对药物反应的活体成像

一种新型高分辨率 体内 研究颅内结构对肿瘤生长及治疗动态响应的成像技术

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利用真空稳定成像窗实现肺部长期高分辨率活体显微成像

动态核极化结合后续样品溶解技术已实现对生物系统中代谢过程的实时研究。超极化[1-13C]丙酮酸用于研究前列腺癌细胞系中的乳酸脱氢酶活性 体外.

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本文介绍了一种在同一只活体动物体内，对脑肿瘤细胞在侵入性外科手术干预（例如活检）前后进行高分辨率时间序列多光子成像的方法。该方法能够在单细胞水平上研究此类侵入性外科操作对肿瘤细胞迁移、侵袭和增殖行为的影响。...

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一种新型的由基质成纤维细胞调控的三维肿瘤球模型，用于研究肿瘤-基质相互作用及药物发现

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