肿瘤动物模型影像学研究进展
【摘要】 动物模型是研究肿瘤发生、转移以及效果的重要前提。动物专用影像设备和分子影像技术的产生推动了肿瘤动物模型影像学的，在X射线成像技术、超声成像技术、磁共振成像技术、核素成像技术、光学成像技术等方面进行了有意义的探索和改进，为实现“实时、连续、无创、敏感、原位” 的监测肿瘤动物模型提供了理论依据和技术支持。
【关键词】 肿瘤动物模型 X射线成像 超声成像 MRI 核素成像 光学成像
动物实验是生命实验研究中的重要组成部分，尤其在肿瘤研究中，动物模型的成功建立是研究肿瘤的发生、转移以及治疗效果的重要前提。随着后基因组时代的到来，在动物模型的影像监测方面产生了巨大进步，各种动物专用影像设备的产生和分子影像技术的发展使我们可以“实时、连续、无创、敏感、原位”的观察肿瘤。本文将简述肿瘤动物模型发展，并详细讨论最新分子显像技术的优缺点及适用范围，希望能为肿瘤动物模型的影像监测提供一些建议。
1 发展简史
随着人类探索和科学进步，肿瘤动物模型经历了体表向体内的过渡。人们起初将肿瘤种（移）植于动物皮下，局部注射抗肿瘤药物，通过卡尺来测量肿瘤的尺寸来观察疗效，但这不能反映临床中多数肿瘤的生物学行为，于是大量的内脏肿瘤模型建立。传统的肿瘤测量方法依赖于临床常规影像技术如机X线体层摄影（computed tomography, CT）、超声（ultrasound）等分期分批地处死动物，运用解剖、组织病理、生物化学、免疫等方法来监测肿瘤生长、转移以及对治疗的反应［１］；但是在肿瘤研究中，分子层面的紊乱往往早于大体形态的改变，如果能够探测肿瘤中特异分子的改变，监测肿瘤在基因表达、信号传导以及固有反馈的复杂而动态的相互作用中的生长、转移及对治疗的反应，便可以更清晰的了解肿瘤生物学性状、血管生成、特异性抗原表达、转移过程和对不同治疗方法的反应，更快的实现人类攻克肿瘤的理想［２－４］。
人类基因组计划的完成、后基因组计划的实施以及物理、现代化学、生物信息技术的飞速发展，让我们对基因序列及其表型在复杂的器官、组织等中的活动及功能的认识成为可能。现代影像技术运用探针、报告基因、对比剂、示踪剂等进行 “分子显像”，使在分子层面观察基因、蛋白和载体在活体细胞中的相互作用成为可能［4］。而临床常规影像技术一方面不断完善硬件设备，以期获得更高的空间分辨率或更多的信息，一方面不断运用最新的计算机技术（如图象分割法和算法）进行三维重建，同时大量引入各种对比剂进行分子显像［５］。
2 技术进展
国外已经意识到动物模型影像的重要性，称之为“ANIMAGE project” ［６］，在肿瘤研究中更是进展迅速。而国内刚刚起步，动物专用影像技术的参数和临床应用相类似，主要包括空间和时间分辨率、灵敏度和穿透深度等［７，８］。
2.1 X射线成像技术 1895年，德国物家威廉·伦琴发现了X射线，经过一百多年的发展，X射线成像技术已经被公认为采集信息量最多、最准，分辨率最高，也是目前发展最成熟的成像技术。
2.1.1 显微CT 目前应用于动物模型研究的X射线成像技术主要是显微CT（micro CT）。micro CT空间分辨率已达到50 μm，适用于骨癌和肺癌的研究［９］。也有人将micro CT和数字血管造影术联合应用进行显微血管造影，观察肿瘤血管生成［１０，１１］。国内已有适用于小动物研究的微型CT系统研制的报道［８］。micro CT分为高速功能型和低照射剂量型，可根据不同需要选择［９］。
2.1.2 X射线成像技术的分子影像应用 X射线成像技术的分子影像应用尚在探索中，但作为一种具有电离辐射的成像技术，尤其在肿瘤研究中，连续或多次的照射足可以改变动物的免疫状况和其他生物行为而影响实验结果。如果希望连续观察，必然要求以最少的X射线剂量照射获得相对合适的图像质量。这不仅要求X射线发射源的改进，更需要信号收集及处理软硬件的改进［１２］。所以，在当今的分子影像技术中，X射线成像技术主要扮演提供高空间分辨率和纠正其他显像技术误差，即和其他技术进行双重或多重成像［１３］。
2.2 超声成像技术 超声成像技术产生于20世纪40年代，经过半个多世纪的发展，超声不仅能观察病变的完整形态,而且可检测其功能及部分代谢状态,在诊断学和治疗学上发挥着日益重要的作用。超声成像技术具有安全、便携、无创、价格低廉等优点［１４］。
2.2.1 动物专用超声影像系统 动物专用超声影像系统要求高频探头，医学科学院实验动物研究所曾于2006年从加拿大引进了一套高清晰动物专用超声影像系统，并对外开放。该动物专用超声具有分辨率达30 μm ,几乎达到光镜水平,能够清晰地显示动物（大小鼠）的细微结构；特殊三维重组技术可以实现器官图像的三维重组,测量各个径向的尺寸；观察肿瘤组织内血管的分布,研究肿瘤等组织生长与血液供应之间的关系等优点，提供非侵入式且连续性的针对动物进行结构及功能的研究,其高分辨率的影像可以给研究者提供更清楚的结果。也可为心血管疾病、发育生物学、癌症治疗等相关研究提供更快捷和有价值的帮助。
2.2.2 超声分子影像技术 超声造影剂主要分为微泡和非微泡两种类型，而且部分造影剂已经商品化。但大部分造影剂存在的组织亲和力低、不能穿透血管内皮间隙等缺点以及超声的人为干扰高于其他技术，限制了超声分子影像技术的应用。所以人们不断探索研制能够与配体或抗体等相结合的特异性靶向造影剂、能够穿透血管的纳米靶向造影剂，以拓宽超声分子影像技术在肿瘤、血管外的应用［１４，１５］。
2.3 MRI 不管在人体还是动物模型，通过MRI监测质子密度、弛豫率、血流、灌注、弥散等指标发现癌前病变，研究肿瘤血管生成及其在肿瘤生长、转移的作用，探究原位癌进展至浸润癌的机制和过程。
2.3.1 磁共振显微成像 磁共振显微成像（micro MRI，MMRI）是应新出现的转基因动物及基因敲除动物的显微成像要求而产生的一种利用MRI产生显微镜水平的MRI信号图像的显微影像技术，专用于小动物成像。与传统MRI相比,MMRI具有更高的磁场强度、更高的分辨率,而且扫描孔径很小,适合于动物模型的研究,但是其成像时间可长达几小时［１６］。MMRI主要应用于肝脏、中枢神经系统、前列腺、肾脏等肿瘤动物模型的研究。Bolan 等［１7］运用MMRI观察猫脑部皮质内血管，应用内源性血氧水平依赖（blood oxygenation level-dependent，BOLD）技术以及外源性氧化铁对比剂，并通过三维重建技术，高特异性和敏感性地对直径<100 μm的动静脉显像，为进一步的深入研究肿瘤血管的形成奠定了基础。
2.3.2 磁共振分子影像技术 磁共振分子影像技术可分为以非水分子为成像对象的分子影像技术和以水分子为成像对象的分子影像技术两类。与其他分子成像方法相比,其优势在于具有很高的分辨率,且能同时获得解剖与生理信息,有利于活体状态下研究疾病的分子机制。但是此技术具有敏感性低的缺点,需借助一个强大的扩增系统来获得满意的图像［１８］。
１）非水分子为成像对象的分子影像技术即磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopy，MRS），主要是通过“测量”含奇数质子的原子核（1H，13C，19F，23Na，31P）在体内组织的化学位移，推算组织或体液中相应代谢物的浓度，反映组织细胞的代谢状况。临床上通过监测N-乙酰天门冬氨酸、胆碱、脂质、枸橼酸盐、肌酸等指标的改变研究甲状腺癌、前列腺癌、脑肿瘤等。Xu等[19]应用氢质子磁共振波谱（1H MRS）技术测量胆碱与脂质的比例，并以组织病理结果加以验证，发现胆碱复合物在肝细胞癌实验动物中有明显的升高，证实了1H MRS能够准确监测肝细胞癌发生发现中代谢的变化。
２）水分子为成像对象的分子影像技术主要是通过引入特定对比剂以改变水分子像的对比度来示踪特定生命现象。对比剂主要分为两类。一类是顺磁性复合物，可以缩短T1弛豫时间，使T1图像产生增强信号；另一类是超顺磁性复合物（如超顺磁性氧化铁微粒），可以通过缩短T2弛豫时间，使T2图像产生阴性对照。成为从分子层次研究肿瘤的病理机制、基因和评价治疗效果等方面的一种重要手段。
2.4 核素成像技术 核素成像技术（radionuclide imaging, RI）主要分为单光子发射断层显像技术（single photon emission computed tomography, SPECT）和正发射断层显像技术（positron emission tomography, PET），都是以脏器和病变聚集放射性显像剂的量为基础的脏器和病变显像方法。
2.4.1 SPECT SPECT具有测量准确,重复性好,无创伤,可定量等特点。与PET比较，两者显像有相似的效果，且克服了PET价格高操作复杂的缺陷，故在临床上应用较多。动物用SPECT需要改进的针孔型准直器或者平行孔型准直器，使空间分辨率能够达到1～2 mm，但有效视野灵敏度低，快速动态的显像受到限制［２０］。
2.4.2 PET 临床PET难以应用于动物模型，所以人们从20世纪90年代开始研究应用于非人灵长类脑显像的动物PET，并在空间分辨率、灵敏度等方面加以改进，现在最新的商品化的动物PET的空间分辨率已经比临床用PET高一个数量级，而且成本却相对低廉,与其他影像技术相比，具有高灵敏度、相对高分辨率、高速动态显像的特点，广泛应用于功能显像、断层显像和基因显像［２１］。但是提高空间分辨率的同时却产生了灵敏度降低以及为提高灵敏度而致的显像剂毒性等问题，需要不断改进［２２］。Xiong等［２３］构建表达突变单纯疱疹病毒I腺苷激酶（HSV1-sr39tk）报告基因的腺病毒载体，并将聚乙二醇（PEG）、精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸（PEG-RGD）连接到载体上。应用18F-羟甲基丁基鸟嘌呤（18F-FHBG）作为报告探针，对裸鼠乳腺癌和神经胶质瘤模型进行粘合素av3的PET显像，显示出RGD对粘合素的高亲和力，提高了显像灵敏度，扩大了肿瘤研究中PET基因显像的应用。
2.4.3 PET/CT和PET/SPECT 既然核素成像技术具有空间分辨率相对低的缺点，人们便将能够提供高空间分辨率的CT与PET、SPECT结合进行融合显像。尤其是PET/CT，已经广泛应用于肿瘤动物模型的代谢、血流、组织增生、缺氧、肿瘤特异性受体、血管生成、凋亡方面的研究［１３］，也有将MR与PET融合成像的报道［２４］。
2.5 光学成像技术 动物光学成像技术（optical imaging）分为生物发光成像（bioluminescence imaging，BLI）与荧光成像（fluorescence imaging，FI）两种技术。生物发光是用荧光素酶基因标记细胞或DNA，而荧光技术则采用荧光报告基团进行标记。利用灵敏的光学检测仪器，可以直接检测活体生物体内的细胞活动和基因行为。相对于其他影像技术，光学成像具有操作简便、结果直观、测量快速、灵敏度高及费用低廉等优点。该技术在刚刚起来的几年内，已广泛应用于生命、医学研究及药物研发等领域［２５］。
2.5.1 BLI BLI基于只有活细胞才能发光的成像原理，具有高灵敏度、高通量、定量定性监测、自身对照等优点。但光在哺乳动物组织内传播时会被散射和吸收，使测量深度受限［２６］。Inoue等［２７］以转染荧光素酶和p190 BCR-ABL 基因的Ba/F3细胞尾静脉注射裸鼠，应用BLI和MRI技术载体连续以及BLI离体观察血行转移，并探讨了BLI定量分析和疾病严重程度的关系；Fritz V等［２8］将能够表达荧光素酶的人前列腺癌细胞株PC-3 Luc种植于SCID/Bg鼠模型的胫骨上，以BLI在体检测肿瘤生长，micro CT监测骨质形态变化，所得数据利用组织病理分析和常规X线成像分别对比。当2周后BLI在体监测PC-3 Luc的对数生长时，micro CT早在7d前便探测到骨密度和骨的减少矿物质，3周后与对照组出现明显差异,证实了在肿瘤骨破坏中联合应用BLI和micro CT可早期观察骨内肿瘤骨生长及骨质破坏，拓展BIL的应用范围。
2.5.2 FI FI常用的荧光报告基团有绿色荧光蛋白、增强绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白及深红色荧光蛋白和荧光染料（如量子点）。FI具有费用低廉和操作简单等优点。红光的穿透性在体内比蓝绿光的穿透性要好得多所以人们通过研究近红外染料以期更好的观测，量子点则可以通过制造工艺而产生不同波长的荧光，进行多色成像，是研究的热点［２９，３０］。
3 结语
不同的影像技术根据成像原理的不同而具有不同的特点及不足，在肿瘤动物模型实验中，可以根据不同的实验目的、不同的研究方法、不同的研究单位选择一种或多种影像技术融合以实现“实时、连续、无创、敏感、原位”的观察肿瘤动物模型。
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