光声与OCT双模态纵向成像预判乳腺癌转移

关键词：乳腺癌；光声成像；血管重塑

本研究围绕合成转移龛的血管动态变化与癌症转移潜能之间的关联展开，构建了一套基于光声显微镜与光学相干断层扫描的双模态纵向成像体系。研究者将微孔聚合物支架皮下植入小鼠体内作为合成转移龛，在肿瘤接种后连续 14 天对支架内血管形态进行无创在体监测，通过定量分析血管面积密度、血管总长度、血管迂曲度及血管直径分布等参数，验证了血管重塑程度与三阴性乳腺癌转移分级之间的对应关系。该工作为在临床前阶段早期识别肿瘤转移倾向提供了新的影像学生物标志物思路。

该论文由 Zhanpeng Xu、Guillermo Escalona、Ian Schrack、Wei Zhang、Tianqu Zhai、Lonnie D. Shea 与 Xueding Wang 共同完成，发表于 Theranostics，论文标题为 "Detecting metastatic potential of cancer through longitudinal vasculature imaging of biomaterial scaffold using non-invasive in vivo photoacoustic microscopy and optical coherence tomography"。

重要发现

双模态成像系统与实验设计

研究者搭建了一套共路径集成的双模态在体成像系统，将光声成像通道与光学相干断层扫描通道通过二向色镜耦合至同一扫描光路，实现对同一目标区域的同步采集。光声成像支路采用532 纳米脉冲激光作为激发源，经光束整形后聚焦至样本，产生的超声信号由定制针状换能器接收，系统横向分辨率达到 4.1 微米，轴向分辨率为 37.0 微米，成像深度约 400 微米。光学相干断层扫描支路采用宽带低相干光源，横向分辨率为 3.8 微米，轴向分辨率为 4.0 微米，成像深度达 1 毫米，可提供组织微结构的断层信息。两种模态共用扫描振镜与扫描透镜，在同一视场内完成数据采集，保证了成像位置的精确对应。

双模态成像系统示意图

实验选用三株源自同一BALB/c 雌性小鼠乳腺肿瘤的三阴性乳腺癌细胞系作为研究对象，分别代表不同转移分级：67NR 细胞不发生远处转移，4T07 细胞仅发生微转移，4T1 细胞具有高转移能力。小鼠背部皮下植入两块聚己内酯微孔支架，一块在肿瘤接种前 14 天植入作为基线对照，另一块在肿瘤接种后连续观察 14 天。为实现长期在体成像，研究者在支架上方植入聚二甲基硅氧烷成像窗，通过特定比例的基底与固化剂配比及真空脱泡工艺制成，窗厚控制在 100 微米，既保证光学透明度，又具备足够的机械稳定性以适应小鼠日常活动。成像时间点设定为肿瘤接种后第 0、5、8、11、14 天，每次成像后均对窗口表面进行清洁处理，以维持光学通路的通畅。

血管形态的纵向演化规律

光声成像基于血红蛋白在可见光波段的内源性光学吸收contrast，可直接对血管结构进行无标记成像。研究团队将三维光声数据重建成二维最大强度投影，再通过开源定量分析软件提取多项血管参数。结果显示，高转移 4T1 组与微转移 4T07 组在肿瘤接种后血管面积密度与血管总长度随时间持续上升，至第 14 天显著高于基线水平；而非转移 67NR 组及无肿瘤对照组的血管参数在整个观察期内保持相对稳定。

微孔支架的显微图像

时间动力学分析表明，高转移模型的血管重塑差异最早在接种后第5 天即可显现，至第 8 天时组间差异已达到统计学显著水平。这一时窗早于传统组织活检所需的观察周期，提示支架内的血管响应能够在肿瘤尚处于原位阶段时即反映其转移潜能。血管迂曲度参数的变化趋势与血管密度一致，高转移模型的血管平均迂曲度随时间进行性升高，反映出新生血管走行紊乱、分支异常的病理特征，而稳定血管组的迂曲度始终维持在较低水平。

血管直径分布的病理特征

研究者进一步对血管直径分布进行高斯拟合分析，以刻画不同转移分级下微血管的形态差异。无肿瘤对照组与67NR 非转移组的血管直径分布在 14 天观察期内均值偏移很小，整体分布形态保持稳定。相比之下，4T1 与 4T07 荷瘤组的平均血管直径随时间推移呈现显著减小趋势，分布曲线向小直径方向偏移。这一现象对应于病理性血管生成过程中大量新生微血管的持续增殖 —— 异常活跃的血管生成使血管网络中细小微血管的占比不断升高，从而拉低了平均管径。该参数与血管密度、迂曲度联合使用，可从多个维度共同表征转移龛内的血管病理重塑程度。

14 天观测周期内各组代表性支架的光声显微镜（PAM）与光学相干断层扫描（OCT）三维融合图像

组织学验证与定量关联

为确认成像结果的可靠性，研究者在第14 天终点将支架取出进行组织学处理。石蜡包埋后连续切片，行苏木精 - 伊红染色及血管内皮细胞标志物免疫荧光染色。组织学切片显示，高转移组支架内血管密度最高，非转移组与对照组最低，这一梯度与光声成像测得的血管面积密度趋势完全吻合。划痕愈合实验同步验证了三株细胞的迁移侵袭能力梯度：4T1 细胞迁移能力最强，4T07 次之，67NR 最弱，与血管重塑程度的排序一致。上述结果共同支持合成转移龛内的血管动态变化可作为量化肿瘤转移倾向的可靠指标。

14 天周期内 4T1 组 (A)、4T07 组 (B)、67NR 组 (C) 以及无肿瘤组 (D) 的光声显微镜（PAM）图像

创新与亮点

本研究突破的核心难题在于：传统转移评估依赖组织活检或影像学发现明确的远处转移灶，时滞长且有创，难以在早期干预窗口内提供决策依据。研究者创新性地将皮下植入的合成支架作为"人工转移龛"，利用其在体可及、结构可控的特点，将血管生成的监测前移至肿瘤尚处于早期的阶段。双模态成像方案弥补了单一模态的局限 —— 光声成像负责血管功能信息的高分辨率提取，光学相干断层扫描负责支架结构与周围组织微环境的断层参照，两者融合后可在三维空间中完整呈现血管网络与支架架构的对应关系。在临床转化层面，该思路有望应用于乳腺癌患者术后转移风险分层，通过微创植入装置与无创光学成像的组合，在远处转移灶出现之前即依据血管重塑特征预判预后，为个体化治疗方案的制定提供时间裕度。

总结与展望

研究证实，合成转移龛内的纵向血管重塑程度与三阴性乳腺癌的转移分级高度相关，光声显微镜结合光学相干断层扫描的双模态方案可在体、无创地捕捉这一动态过程。未来工作可引入多波长激发以同时获取血氧饱和度信息，并结合光学相干断层扫描的组织散射特性与微结构参数进行多参数融合分析，进一步提升对肿瘤血管病理状态的判别能力。

声明：本文仅用作学术目的。 

Xu Z, Escalona G, Schrack I, Zhang W, Zhai T, Shea LD, Wang X. Detecting metastatic potential of cancer through longitudinal vasculature imaging of biomaterial scaffold using non-invasive in vivo photoacoustic microscopy and optical coherence tomography. Theranostics. 2025 Jan 1;15(2):509-520. 

doi:10.7150/thno.101685.