潘晨琛等开发新技术检测小鼠体内最微小的癌症转移

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癌症现已成为全球疾病死亡的主要原因之一，其中，死于癌转移及其并发症而不是原发肿瘤的癌症患者占到了绝大多数 (超过90％)。癌症转移通常是由单个扩散的癌细胞发展而来，这些细胞从原发肿瘤上脱落并进入血液或淋巴循环。尽管游离的癌细胞大部分会被机体自身的免疫系统清除，仍有少量逃脱免疫监视的癌细胞侵入靶器官实质，最终形成数以百计的癌转移灶并危及患者的生命【1】。直到今天，受制于小鼠全身成像技术 (例如生物发光成像 (bioluminenscence) 和核磁共振成像 (Nuclear MagneticResonance Imaging)) 有限的分辨率，在实验动物体内精确地追踪单个癌细胞依然很有挑战，这极大地制约了癌症转移机制的研究和相关新型抗癌药物的研发。此外，由于没有可靠迅速的自动化检测工具, 在大量影像数据中人工检索转移灶的分布不仅耗时费力，精度也难以保证，这进一步增加了新药的研发投入和临床前研究周期。

2019年12月12日，由德国亥姆霍兹慕尼黑研究中心-组织工程与再生医学研究所所长Ali Ertürk博士领导的团队在Cell杂志上发表封面文章 Deep Learning Reveals Cancer Metastasis andTherapeutic Antibody Targeting in the Entire Body (潘晨琛博士，Oliver Schoppe，Arnaldo Parra-Damas博士为共同第一作者)，开发了一种基于组织透明成像 (tissue clearing) 和深度学习 (deep learning) 的新型算法，称为DeepMACT(deep learning-enabled metastasis analysisin cleared tissue)，用以在细胞水平自动检测和分析整个小鼠模型中的癌转移。

他们首先利用先前研发的vDISCO (nanobody(VHH)-boosted 3D imaging of solvent cleared organs)【2】全身免疫荧光及透明技术处理不同的小鼠癌症模型，使用激光扫描显微镜对透明的小鼠身体成像，获取全身范围内细胞水平分辨率的癌转移灶分布影像。接下来，他们开发了基于深度学习的新算法并对其加以训练，该算法最终在癌转移灶检测中达到了与人类科学家相同的准确度，但速度提高了300倍以上。现在，DeepMACT可在数小时内完成几个月的手动检测工作，这使得以单细胞分辨率进行高通量癌转移灶分析成为可能。 

使用DeepMACT，研究人员分析了不同肿瘤模型的转移灶分布，发现各种癌症类型的扩散方式不尽相同，这表明针对不同癌细胞需要量身定制靶向药物。此外，分析不同时间点小鼠乳腺癌模型亦显示出整个小鼠体内微小转移灶的进行性增加。这些特征都无法通过常规生物发光成像检测到。而DeepMACT作为第一种能够对癌转移过程进行定量分析的方法，还可用于系统性地研究基于单克隆抗体的免疫疗法的靶向性。

在接下来的研究中，研究人员使用DeepMACT与来自亥姆霍兹慕尼黑研究中心的Reinhard Zeidler教授一起评估了名为6A10的治疗性抗体的靶向性，该抗体已被证明可抑制肿瘤的生长并增加其对化疗药物的敏感性【3】。然而, 结果表明单次静脉注射的6A10可能会在全身范围内遗漏多达23％的微转移灶，这说明单一转移灶水平上的靶向药物分析对抗癌新药研发具有重要意义。而如果把其他类型的小分子药物与荧光示踪基团结合，该方法还可被用于追踪小分子药物在实验动物体内的分布。

众所周知，针对癌症的“战争”已经进行了数十年，而要最终战胜这种疾病还有很长的路要走。为了开发出更有效的癌症疗法，了解不同癌症类型的转移机制并开发能够阻断转移过程的肿瘤特异性药物显得尤为重要。今天，肿瘤药物的临床试验成功率仅为约5%。DeepMACT作为一个强大的技术平台将改善临床前研究中的药物研发进程, 并有望为临床试验提供更强大的候选药物。 

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.11.013

制版人： 小娴子

参考文献

1. Lambert,A.W., D.R. Pattabiraman, and R.A. Weinberg, EmergingBiological Principles of Metastasis. Cell, 2017. 168(4): p. 670-691.

2. Cai, R., et al., Panoptic imaging of transparent mice revealswhole-body neuronal projections and skull-meninges connections. NatNeurosci, 2019. 22(2): p. 317-327.

3. vonNeubeck, B., et al., An inhibitoryantibody targeting carbonic anhydrase XII abrogates chemoresistance andsignificantly reduces lung metastases in an orthotopic breast cancer model invivo. Int J Cancer, 2018. 143(8):p. 2065-2075.