腫瘤的異質(zhì)性和復(fù)雜的微環(huán)境是導(dǎo)致藥物遞送系統(tǒng)的靶向性和療效不佳的重要原因。探究腫瘤病灶在各階段的血管、細胞構(gòu)筑以及細胞外基質(zhì)通透性的變化規(guī)律，深化對腫瘤異質(zhì)性和腫瘤治療的結(jié)構(gòu)認識，有助于解決藥物遞送的底層難題。然而，器官、腫瘤組織和納米粒子之間的尺度差異，成為表征腫瘤環(huán)境和遞藥系統(tǒng)之間相互作用、開發(fā)高精度可視化方法的挑戰(zhàn)。

8月2日，中國科學(xué)院上海藥物研究所張繼穩(wěn)團隊聯(lián)合臨港實驗室殷憲振團隊，在《科學(xué)進展》（Science Advances）上，發(fā)表了題為Cross-scale tracing of nanoparticles and tumors at the single-cell level using the whole-lung atlas的研究論文。該研究基于顯微光學(xué)斷層掃描/熒光顯微光學(xué)斷層掃描系統(tǒng)（MOST/fMOST），在三維空間、單細胞水平上，構(gòu)建了B16F10小鼠肺轉(zhuǎn)移瘤病理圖譜，闡明了納米載體在腫瘤和臨近組織的時空分布規(guī)律，定量評價了其在腫瘤組織內(nèi)的滲透行為及靶向效率。該研究構(gòu)建了全新的納米載體靶向效率的高精度可視化評估方法，突破了現(xiàn)有腫瘤成像方法及瘤內(nèi)納米載體可視化技術(shù)的局限性，為納米遞藥系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)提供了新策略。

MOST系統(tǒng)在全器官尺度具有較高的分辨率，邊切片、邊成像，無需特異性標記，通過灰度和形態(tài)學(xué)差異即可實現(xiàn)多種病理結(jié)構(gòu)的同步可視化。為了分析肺部腫瘤微環(huán)境的結(jié)構(gòu)變化，評價生理結(jié)構(gòu)的受損程度，研究基于MOST系統(tǒng)完成全肺腫瘤病理結(jié)構(gòu)的跨尺度同步可視化，在三維空間、單細胞水平上全面精準地表征肺轉(zhuǎn)移瘤的病理特征，包括對肺氣管高精度內(nèi)窺、解析病灶對周圍肺泡擠壓和侵襲的規(guī)律、全肺圖譜內(nèi)的腫瘤病灶分類以及各階段腫瘤血管結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量分析等。結(jié)果表明，腫瘤血管系統(tǒng)在發(fā)展過程中經(jīng)歷著顯著的三維結(jié)構(gòu)變化，間接影響粒子在瘤內(nèi)的空間分布。因此，研究腫瘤微環(huán)境和異質(zhì)性的綜合影響對認知腫瘤頗為重要，而結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量有助于更準確地理解復(fù)雜的腫瘤微環(huán)境（圖1）。

進一步，研究以環(huán)糊精金屬有機骨架為基本單元，設(shè)計、制備并表征了可主動靶向腫瘤組織的熒光納米載體Nano-COF-A488-cRGD。該載體可被多種肺泡組織典型細胞攝取。fMOST系統(tǒng)適用于熒光樣本，結(jié)合實時碘化丙啶（PI）復(fù)染，進行雙通道熒光成像。為此，該研究定量考察了Nano-COF-A488-cRGD在腫瘤病灶中的滲透、聚集行為，發(fā)現(xiàn)了粒子在全肺瘤內(nèi)分布與腫瘤內(nèi)部纖維化程度有關(guān)。納米制劑的腫瘤內(nèi)滲行為需要依靠腫瘤自身的血管網(wǎng)絡(luò)，血管結(jié)構(gòu)的形態(tài)變化同樣會影響粒子的瘤內(nèi)分布（圖2）。

納米制劑的分布和腫瘤結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，對腫瘤的早期治療具有重要意義，確認腫瘤血管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)有助于優(yōu)化給藥策略。該研究揭示了肺轉(zhuǎn)移瘤的三維結(jié)構(gòu)變化，彌補了跨尺度腫瘤成像分析方法學(xué)上的缺失，構(gòu)建了全新的熒光納米載體可視化方法，為揭示靶向遞送系統(tǒng)的藥物分布和藥效學(xué)評價奠定了堅實基礎(chǔ)。MOST系統(tǒng)可采集到淋巴和神經(jīng)的結(jié)構(gòu)信息、特異性抗體染色結(jié)合轉(zhuǎn)基因動物以及熒光標記的腫瘤細胞建模，可通過fMOST系統(tǒng)研究淋巴系統(tǒng)，揭示腫瘤微環(huán)境與免疫系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)的相互作用。同時，此方法還可應(yīng)用到其他的藥物遞送載體、疾病模型和給藥方式，對跨尺度三維空間、單細胞水平構(gòu)建腫瘤病理圖譜，具有重要意義和廣泛需求。

上海藥物所MOST及圖像融合分析平臺參與MOST/fMOST數(shù)據(jù)收集。本研究中的細胞攝取和定量評價得到國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海高等研究院）的支持。研究工作得到戰(zhàn)略性國際科技創(chuàng)新合作重點專項、臨港實驗室開放課題和江西省創(chuàng)新領(lǐng)軍人才短期計劃的資助。

論文鏈接

圖1.?C57BL/6小鼠全肺圖譜血管系統(tǒng)的高精度三維可視化和定量。（A）早期肺轉(zhuǎn)移瘤及其血管系統(tǒng)；早期轉(zhuǎn)移灶血管片段的平直度（B）和分支深度（C）；（D）早期血管片段的分支點；（E）晚期肺轉(zhuǎn)移瘤及其血管系統(tǒng)；晚期轉(zhuǎn)移灶血管片段的平直度（F）和分支深度（G）；（H）晚期血管片段的分支點；（I）肺轉(zhuǎn)移灶（早期-白色，晚期-紅色）血管片段結(jié)構(gòu)參數(shù)定量分析：平直度、長度、平均直徑、分支深度。

圖2.?納米載體Nano-COF-A488-cRGD在不同部位腫瘤病灶的三維空間分布。（A）侵襲動脈的腫瘤組織，及氣管、動靜脈的三維重構(gòu)。粒子在炎癥滲出液（B-C）和被截斷的宿主動脈（D）中的三維空間分布；（E）侵襲靜脈的腫瘤組織，以及靜脈和腫瘤病灶的三維重構(gòu)；（F）腫瘤病灶嚴重的纖維化；納米粒的三維空間分布（G-H）；（I）侵襲氣管的腫瘤組織，氣管樹和腫瘤病灶的三維重構(gòu)，腫瘤病灶的三維結(jié)構(gòu)（J），腫瘤病灶內(nèi)的納米粒分布（K）；（L）納米粒在纖維化程度不同的區(qū)域分布，用紅色三角形標識。

來源：中科院