光學與成像技術動態追蹤腫瘤細胞助力精準抗癌_abio生物試劑品牌網
導讀
腫瘤的發生和發展離不開腫瘤微環境中細胞及非細胞成分（如細胞外基質、癌相關成纖維細胞、內皮細胞和免疫細胞）提供的化學和機械信號。因此，構建能模擬體內癌細胞與細胞外基質、癌細胞與基質細胞相互作用的組織培養模型至關重要。三維（3D）腫瘤培養模型已被廣泛用于研究癌癥的發展與進展，其中從人類原發癌組織建立的患者來源腫瘤類器官（PDO）模型是近年來的重要進展。PDO能維持原發腫瘤的異質性，在識別治療靶點和驗證藥物反應方面更具相關性；此外，3D共培養技術和整合到3D培養中的微流控技術也取得顯著進步，為研究癌細胞與基質的相互作用、腫瘤進展及藥物反應提供了時空視角。
本文由美國肯塔基大學的RenXu、XiaotaoZhou、ShikeWang和ChristineTrinkle共同完成，題為《Tumor organoid models in precision medicine and investigating cancer-stromal interactions》，發表于《Pharmacol Ther》。
重要發現
3D培養模型中的成像技術應用
研究團隊開發了一套整合AI與經典圖像分析的3D類器官分析流程，核心包括三個水平的分割技術：
細胞核分割：基于3DStarDist卷積神經網絡（CNN）訓練的DeepStar3D模型，通過模擬真實成像條件的數據集訓練，能精準提取DNA染色圖像中的細胞核表面。該模型適配不同分辨率、染色方式和成像模態，甚至低信噪比圖像也能穩定工作，處理速度比同類模型快20%-70%，在普通筆記本上即可高效運行。
細胞分割：以細胞核輪廓為“種子”，結合actin染色的原始圖像，通過灰度3D分水嶺算法實現細胞質分割，在胰腺癌類器官等復雜結構中，誤分割率低于8%。
類器官輪廓分割：基于原始通道圖像，通過精細閾值調整和形態學濾波提取整體輪廓，為細胞定位和距離分析提供參考。
早在三十年前，Mina J Bissell 團隊開發的 3D 類器官培養模型就通過成像技術揭示了乳腺上皮細胞的分化差異：正常乳腺上皮細胞在 3D 環境中（如膠原凝膠或 Matrigel）能形成具有極性的腺泡樣球體，且表達乳蛋白，而惡性細胞則形成無序的葡萄狀或星狀結構，這一現象通過光學成像技術得到了清晰呈現，直觀展示了 3D 培養模型對體內細胞表型的模擬能力。
在 PDO 模型中，成像技術是驗證其與原發腫瘤一致性的關鍵手段。例如，乳腺類器官與原發及轉移性乳腺癌在組織病理學、激素受體 / HER2 狀態上的匹配，通過組織切片的光學成像和免疫組織化學（IHC）成像得到確認；結直腸癌 PDO 與原腫瘤的表型和基因型一致性，也通過熒光成像、基因組分析結合成像觀察得以證實。這些成像結果為 PDO 作為原發腫瘤 “替身” 的可靠性提供了直接證據。
3D 共培養模型中，成像技術助力解析細胞間相互作用。在胰腺導管腺癌的 3D 共培養研究中，通過熒光標記癌相關成纖維細胞（CAFs）和 PDO，利用共聚焦成像技術觀察到 CAFs 的兩個亞型在空間分布上的差異：一種 αSMA 低表達的 CAFs 遠離腫瘤細胞，且分泌 IL6 等炎癥介質，這一發現為理解 CAFs 與癌細胞的異質性相互作用提供了可視化依據。在乳腺癌與脂肪細胞的 3D 共培養中，實時成像技術捕捉到癌細胞與脂肪細胞的物理接觸誘導了上皮-間質轉化（MET），清晰展示了細胞間直接作用對癌癥進展的影響。
微流控設備與 3D 培養結合時，成像技術發揮著監測動態過程的重要作用。在研究循環腫瘤細胞（CTC）集群形成時，通過微流控平臺的實時光學成像，發現 CTC 集群形成速度較傳統活檢富集更快，且化療藥物可抑制集群形成，為 CTC 的藥物篩選提供了可視化的評估手段。在模擬腫瘤血管生成的微流控模型中，熒光標記內皮細胞，通過延時成像觀察到血管樣結構的形成過程，為研究腫瘤血管生成機制提供了直觀的動態數據。
3D 成像技術驅動腫瘤微環境模擬研究
本研究的核心貢獻之一是系統驗證了 3D 腫瘤培養模型（尤其是 PDO）在模擬體內腫瘤特征中的價值，而光學與成像技術是實現這一驗證的核心工具。通過光學顯微鏡觀察 3D 培養中的細胞結構，發現正常細胞與癌細胞在 3D 環境中形成的結構差異（如乳腺上皮細胞的極化腺泡樣球體與惡性細胞的無序結構），直接證明了 3D 模型對體內組織形態的復現能力，為后續研究奠定了形態學基礎。
顯示PDO模型在癌癥生物學、藥物測試和個性化醫療中應用的示意圖
多維度成像解析癌癥進展機制
在 PDO 藥物測試實驗中，研究團隊結合光學成像與功能分析：對經不同藥物處理的 PDO 進行細胞活力染色，通過熒光成像定量分析細胞存活狀態，發現 PDO 對藥物的反應與患者臨床反應高度一致。例如，在晚期直腸癌患者的 PDO 中，通過成像觀察化療放療后的細胞形態變化和存活情況，其結果與患者的臨床應答匹配度極高，證實了 PDO 作為藥物反應預測工具的可靠性。
在癌癥-基質細胞相互作用研究中，采用雙標熒光成像技術：用不同熒光標記癌細胞和基質細胞（如 CAFs、巨噬細胞），通過共聚焦顯微鏡觀察兩者的空間分布和接觸模式。實驗發現，巨噬細胞更易浸潤到 3D Matrigel 中并黏附于非極化的惡性上皮細胞，而對極化的正常細胞無明顯黏附，這一現象通過成像量化分析，揭示了免疫細胞與癌細胞相互作用的選擇性，為理解腫瘤免疫逃逸機制提供了關鍵證據。
成像技術為精準醫療提供可視化依據
實驗結論表明，光學與成像技術是連接 3D 腫瘤模型與體內腫瘤特征的 “橋梁”。通過成像技術證實，PDO 在結構、表型和藥物反應上與原發腫瘤高度一致，可作為可靠的體外模型用于藥物篩選和個性化治療指導；3D 共培養結合成像技術能捕捉細胞間動態相互作用，揭示癌癥進展的關鍵機制；微流控平臺的成像監測則為研究腫瘤與循環系統的相互作用（如轉移、血管生成）提供了全新視角。這些發現為基于 3D 模型的精準醫療研究提供了堅實的可視化實驗依據。
創新與亮點
突破傳統 2D 培養的成像局限
傳統 2D 培養中，細胞呈單層生長，細胞間及細胞與基質的相互作用與體內差異顯著，光學成像僅能觀察到平面結構，無法反映細胞的三維極性和組織樣結構。本研究通過 3D 培養模型突破了這一局限，利用 3D 成像技術捕捉到細胞的立體結構（如腺泡樣球體的極性分布），首次在體外復現了體內腫瘤的結構特征，解決了 2D 模型無法模擬腫瘤三維微環境的難題。
多模態成像與 3D 模型的深度整合
本研究創新地將多種成像技術（如光學顯微鏡、熒光成像、共聚焦成像、實時成像）與 3D 培養模型（PDO、3D 共培養、微流控 3D 模型）結合，形成了多模態成像體系。例如，在 PDO 的基因組分析中，結合免疫熒光成像驗證特定基因表達的空間分布，實現了基因型與表型的可視化關聯；在微流控模型中，將流體動力學與實時成像結合，動態監測腫瘤細胞在流體剪切力下的行為，為研究腫瘤轉移的物理微環境影響提供了新技術方案。
這些技術創新的價值體現在多個層面：在基礎研究中，通過成像技術清晰展示了腫瘤微環境中細胞間的相互作用機制，為識別新的治療靶點（如 PDO 研究中發現的 P4HA1）提供了直觀證據；在臨床應用中， PDO 的成像分析結果可直接指導患者的個性化治療 ，如乳腺癌 PDO 對激素治療的反應成像能預測患者的治療效果，提高治療成功率；在藥物研發中，基于 3D 模型的高通量成像篩選可快速評估候選藥物的療效，縮短研發周期，降低成本。
總結與展望
本研究系統闡述了 3D 腫瘤類器官模型（尤其是 PDO）在癌癥研究和精準醫療中的進展，強調了光學與成像技術在驗證模型可靠性、解析腫瘤微環境相互作用、指導藥物篩選中的核心作用。3D 共培養、脫細胞基質和微流控技術的整合，進一步提升了模型對體內腫瘤特征的模擬能力。未來，隨著成像技術的升級（如更高分辨率的實時成像、多靶點同時成像）和 3D 模型復雜度的提升（如整合更多基質細胞類型），這些技術將更精準地模擬腫瘤微環境，為高通量藥物篩選、個性化治療方案制定和癌癥機制研究提供更強大的工具，為攻克癌癥帶來新的希望。
聲明：本文僅用作學術目的。
文章來源于：
Xu R, Zhou X, Wang S, Trinkle C. Tumor organoid models in precision medicine and investigating cancer-stromal interactions. Pharmacol Ther. 2021 Feb;218:107668.
DOI:10.1016/j.pharmthera.2020.107668.
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