Ответственные за ~ 90% смертей, метастазы являются основной причиной смертности, связанной с раком1. Среди основных участков клинически наблюдаемых метастазов (кости, печень, легкие, мозг)2,легкие оказались особенно сложными для визуализации in vivo с помощью прижизненной микроскопии. Это связано с тем, что легкое является тонким органом в вечном движении. Непрерывное движение легких, дополнительно усугубляемое внутригрудным сердечным движением, представляет собой существенный барьер для точной визуализации. Поэтому из-за его относительной недоступности для модальностей для прижизненной оптической визуализации с высоким разрешением рост рака в легких часто считается оккультным процессом3.
В клинических условиях технологии визуализации, такие как компьютерная томография (КТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ), позволяют визуализировать глубоко внутри интактных жизненно важных органов, таких как легкие4. Однако, хотя эти модальности обеспечивают превосходный вид грубого органа (часто даже выявляя патологию до появления клинических симптомов), они имеют недостаточное разрешение для обнаружения отдельных диссеминированных опухолевых клеток по мере их продвижения через ранние стадии метастазирования. Следовательно, к тому времени, когда вышеупомянутые модальности дают какие-либо признаки метастазирования в легкие, метастатические очаги уже хорошо укоренились и размножаются. Поскольку микроокружение опухоли играет ключевую роль в прогрессировании рака и образовании метастазов5,6,существует большой интерес к исследованию самых ранних этапов метастатического посева in vivo. Этот интерес дополнительно подпитывается повышенным пониманием того, что раковые клетки распространяются еще до того, как первичная опухоль обнаружена7,8, и растущими доказательствами того, что они выживают как одиночные клетки и находятся в спящем состоянии в течение многих лет или десятилетий, прежде чем перерасти в макрометастаз9.
Ранее визуализация легких при одноклеточном разрешении обязательно включала ex vivo или эксплант препараты10,11,12,13,ограничивая анализы одиночными временными точками. Хотя эти препараты предоставляют полезную информацию, они не дают никакого представления о динамике опухолевых клеток в органе, связанном с неповрежденной кровеносной системой.
Последние технологические достижения в области визуализации позволили интравитальной визуализации неповрежденного легкого с одноклеточным разрешением в течение периодов до 12 ч14,15,16. Это было достигнуто в мышиной модели с использованием протокола, который включал механическую вентиляцию, резекцию грудной клетки и вакуумную иммобилизацию легких. Однако, несмотря на то, что он предлагает первые изображения физиологически неповрежденного легкого с разрешением одной клетки, этот метод является высокоинвазивным и терминальным, что исключает дальнейшие сеансы визуализации за пределами индексной процедуры. Это ограничение, таким образом, препятствует его применению для изучения метастатических стадий, которые занимают более 12 ч, таких как покоя и реинициация роста14,15,16. Кроме того, паттерны клеточного поведения, наблюдаемые с использованием этого подхода к визуализации, должны быть осторожно интерпретированы, учитывая, что вызванные вакуумом перепады давления, вероятно, вызовут отклонения в кровотоке.
Чтобы преодолеть эти ограничения, недавно было разработано минимально инвазивное окно для визуализации легких с высоким разрешением (WHRIL), облегчающее последовательную визуализацию в течение длительного периода от нескольких дней до недель без необходимости механической вентиляции17. Методика влечет за собой создание «прозрачной грудной клетки» с герметичной грудной полостью для сохранения нормальной функции легких. Процедура хорошо переносится, что позволяет мыши восстанавливаться без значимых изменений в исходной активности и функции. Чтобы надежно локализовать одну и ту же область легких на каждом соответствующем сеансе визуализации, к этому окну18был применен метод, известный как микрокартография. Через это окно можно было захватывать изображения клеток, когда они поступают в сосудистое русло легкого, пересекают эндотелий, проходят деление клеток и превращаются в микрометастазы.
Здесь в исследовании представлено подробное описание улучшенного хирургического протокола имплантации WHRIL, который упрощает операцию, одновременно повышая ее воспроизводимость и качество. Хотя этот протокол был разработан для исследования динамических процессов, лежащих в основе метастазирования, этот метод может быть альтернативно применен к исследованиям многочисленных процессов биологии легких и патологии.