组织透明化技术在肿瘤微环境研究领域的应用与潜在价值
来源:原创 | 作者:15021929434 | 发布时间: 2020-07-24 | 50 次浏览 | 分享到:

肿瘤是一种全身性、系统性疾病,是机体新陈代谢、炎症反应、免疫反应和神经浸润等一系列生理过程整体平衡失调的结果[1,2]。其中实体肿瘤的生长处在一种称之为肿瘤微环境(Tumor microenvironment, TME)的局部环境中,其作用是促进肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移等生物学行为。TME的组成成分复杂,除肿瘤细胞外,主要包括浸润的免疫细胞(Immune cell, IC)、肿瘤相关的成纤维细胞(Cancer associate fibroblasts, CAFs)和内皮细胞等细胞[3]。同时,细胞外基质(Extracellular matrix, ECM)也是维持TME构成、参与各个细胞之间沟通交流的重要组成部分[4]。肿瘤细胞与TME是相互依存、相互促进、相互拮抗、相互斗争的关系,因此明确完整肿瘤组织中TME各个组分的组成形式与空间分布,是探究肿瘤发生发展规律、开拓肿瘤治疗靶点的重要研究方向之一。

肿瘤微环境组成[5]

传统肿瘤组织分析依靠2D的组织切片,难以提供各个种类的细胞在整个立体组织中分布的信息。因此,需要一种无偏差的全肿瘤组织分析手段获得肿瘤的病理分子信息,以免读片遗漏造成假阴性的读取结果。全组织透明化及3D成像是一种可以探究组织内部结构与细胞空间关系的技术,在胚胎生物学、再生生物学、组织3D打印,尤其是肿瘤生物学等诸多领域有巨大的前景和应用潜力。目前已有多项报道3D组织透明化与成像技术在TME研究中的应用。

Cuccarese等人成功地将该技术应用在注射肿瘤细胞建模的肺腺癌模型上,将TME中肿瘤边界、浸润的肿瘤相关巨噬细胞(Tumor associate macrophages, TAMs)以及脉管系统进行可视化成像,分析TAMs在不同肿瘤灶中的浸润情况,发现纳米治疗药物运输效率与TAMs的异质性分布相关[5]

小鼠肺组织上的肿瘤灶[5]

       全组织透明化及3D成像不仅可以实现全组织的可视化,也可以与其他生物学技术进行组合使用,进而可以结合多种技术的优势深入分析肿瘤组织的全面信息。Rios等人通过标记不同肿瘤细胞亚群并结合RNA测序,探索乳腺癌肿瘤发生的细胞动力学,建立了快速、大规模的单细胞分辨率三维成像流程,可用来研究肿瘤异质性与EMT发生的潜在机制[6]

大规模单细胞分辨率的3D成像与测序流程[6]

除去在基因组学、细胞生物学和分子生物学研究领域有所应用外,全组织透明化及3D成像技术也可用于临床药物的研发与诊断。在肿瘤的免疫治疗领域,Lee等人已经将该技术成功运用在检测注射PD-L1抗体后,对其在小鼠来源的肿瘤组织的分布情况进行成像追踪,为癌症患者的免疫检查点抑制剂疗法提供了新的药物评价方法[7]

小鼠肿瘤组织内PD-L1抗体分布检测流程[7]

全组织透明化及3D成像技术通过提供更多更全面的单细胞分辨率尺度的空间信息,其必将成为一项癌症基础研究与临床诊治的重要工具。此外我们预计在不久的将来,全组织透明化及3D成像技术的标准化、流程化也势必会加速肿瘤免疫治疗新靶点的开发,显著提高各单抗类药物的研发进程。

 

1.             Wan D, Gong Y, Qin W, et al. Large-scale cDNA transfection screening for genes related to cancer development and progression. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004;101(44):15724-15729.

2.             Gu JR, Yang SL. Reconsideration of cancer as a systems disease concept. Zhonghua Yi Xue Za Zhi. 2005;85(8):505-507.

3.             Hanahan D, Coussens LM. Accessories to the Crime: Functions of Cells Recruited to the Tumor Microenvironment. Cancer cell. 2012;21(3):309-322.

4.             Wang MN, Zhao JZ, Zhang LS, et al. Role of tumor microenvironment in tumorigenesis. J Cancer. 2017;8(5):761-773.

5.             Cuccarese MF, Dubach JM, Pfirschke C, et al. Heterogeneity of macrophage infiltration and therapeutic response in lung carcinoma revealed by 3D organ imaging. Nat Commun. 2017;8:14293.

6.             Rios AC, Capaldo BD, Vaillant F, et al. Intraclonal Plasticity in Mammary Tumors Revealed through Large-Scale Single-Cell Resolution 3D Imaging (vol 35, pg 618, 2019). Cancer cell. 2019;35(6):953-953.

7.             Lee SS, Bindokas VP, Kron SJ. Multiplex Three-Dimensional Mapping of Macromolecular Drug Distribution in the Tumor Microenvironment. Mol Cancer Ther. 2019;18(1):213-226.