体内 乳腺肿瘤的生物发光成像：使用 IVIS Spectrum

摘要

表达荧光素酶的乳腺肿瘤细胞被皮下植入小鼠体内，并通过光学成像进行可视化，以在纵向研究中无创地监测肿瘤的生长和发育。

摘要

可将4T1小鼠乳腺肿瘤细胞皮下接种于nu/nu小鼠体内，15至20天内可形成可触及的肿瘤。该异种移植瘤模型系统对于候选抗肿瘤化合物的临床前体内评价具有重要价值。

4T1细胞系经过基因改造，可组成型表达萤火虫荧光素酶基因（luc2）。当向携带4T1-luc2肿瘤的小鼠注射荧光素（Luciferin）后，肿瘤会发出可见光信号，可利用IVIS Spectrum等高灵敏度光学成像系统进行监测。肿瘤发出的光子通量与发光细胞的数量成正比，因此可通过信号强度来监测肿瘤的生长和进展。IVIS系统经过校准，能够对生物发光信号进行绝对定量，可在数月内开展纵向研究，信号强度跨越多个数量级时仍可保证定量结果的准确性。

在肿瘤体积尚未达到可通过传统物理方法触诊或测量的程度之前，可通过生物发光技术连续监测数天的肿瘤生长情况。这种快速监测方法有助于了解肿瘤发育早期的事件，或可缩短实验周期。

由于缺氧或药物治疗导致的肿瘤细胞死亡和坏死，早期会表现为生物发光信号的减弱。这种细胞死亡可能并不会伴随通过物理方法测量的肿瘤体积减小。能够观察到肿瘤坏死的早期事件，对于治疗药物的筛选与开发具有重要意义。

使用IVIS对肿瘤生长进行定量成像可实现精确的定量分析，并加快实验进程以快速获得结果。

方案

多种表达荧光素酶的癌细胞系可用于小鼠模型中的临床前研究。

这些细胞以无病原体的冻存培养物形式提供，在标准培养基中可 readily 生长，无需使用筛选标记。

在本实验中，我们将使用表达荧光素酶基因的 4T1-luc2 小鼠乳腺肿瘤细胞系，该基因可作为基因表达或肿瘤发生的光学指示剂 体内我们将利用荧光素酶表达对原发性肿瘤的生长进行非侵入性示踪，同时该方法也可用于定位和监测转移病灶。

在注射前必须验证荧光素酶活性，为此需通过胰蛋白酶消化收集一个融合度为90%的培养瓶中的细胞，然后进行计数。

将50,000个细胞加入微孔板的单个孔中，随后进行系列稀释。每毫升孔中加入150 µg荧光素酶底物（luciferin），孵育2分钟。可使用IVIS系统或化学发光酶标仪对微孔板进行成像，以测定表达水平。该细胞系每秒每细胞可表达高达6500个光子，但只要表达水平超过每秒每细胞500个光子，即可在活体中成功成像。

现在我们已获得活性最佳的细胞，可以进行皮下注射步骤。

为了实现对肿瘤的最佳检测，我们使用无胸腺免疫缺陷裸鼠品系。注射前，动物需麻醉至深麻醉状态。

接下来，将最多250,000个细胞悬浮于100 µL PBS中，皮下注射至小鼠侧 flank 部位。用1 ml 注射器吸取细胞悬液，并安装26号针头。用镊子轻轻提起皮肤形成“帐篷”状，将细胞注射至皮下基部。新注射的细胞可立即进行成像。每次成像过程中，按每公斤体重共150 mg的剂量，通过两次腹腔注射给予 Luciferin。

本研究中，动物在注射荧光素酶底物（Luciferin）后10分钟进行成像，以确保光子通量的一致性。我们将在下一步中展示该操作。荧光素酶底物（Luciferin）的动力学可能因天而异。在本特定模型中，注射荧光素酶底物后10分钟进行测量，结果变异范围在15%以内。

在本实验中，我们将使用IVIS Spectrum活体成像系统，该系统采用背照式电荷耦合器件，并将其冷却至-90°C，以实现最高灵敏度。为支持绝对定量，系统在停机期间测量暗电流，并在初始化过程中进行自校准。开始成像时，启动IVIS系统（单击一次），并设置实验所需的成像参数。

根据成像动物的数量选择视野范围。利用内置的麻醉气体分配装置，仪器最多可同时维持5只动物的麻醉状态。载物台温度恒定为37°C，以维持动物的体温。仪器配备心电图（EKG）接口，用于在动物经受应激性操作过程中监测其健康状况。

在 Living Image 软件中，可根据细胞系的表达水平优化曝光时间、光圈值和像素合并。这些设置可在实验过程中的任意时间进行调整，而不会影响定量结果。

IVIS 在白光下获取动物的照片图像，以及定量的生物发光或荧光信号，并将该信号叠加在图像上。

生物发光信号以每秒光子数表示，并显示为强度图。图像显示经过调整，以在不影响定量结果的前提下提供最佳的对比度和分辨率。

可使用感兴趣区域工具在细胞注射部位测量发光信号。测量数据将与所有相关的图像采集实验参数一同显示在表格中，可供保存或导出用于分析

可根据实验性质，在数秒或数月的时间范围内进行纵向研究，获取并比较多幅图像。我们将测量肿瘤在零时点的光子通量，并在接下来的4周内每两周进行一次成像监测。

肿瘤发出的光子通量与表达荧光素酶的活细胞数量成正比，因此生物发光信号强度与肿瘤大小直接相关。

移植后第5天，肿瘤尚不可触及，但可通过生物发光定量检测细胞，此时可见肿瘤正处于活跃生长期。此阶段的生物发光信号明显增强。可调整曝光时间、光圈值和像素合并模式，以获得清晰图像并避免相机饱和。IVIS会自动补偿光信号采集的差异，因此这些测量结果可与实验早期和后期采集的数据进行比较。

植入后第7天首次可触及肿瘤，此时生物发光检测已获得7天的数据。

移植后28天，肿瘤开始出现坏死，细胞逐渐死亡。通过游标卡尺测量估计的肿瘤大小无明显变化，但肿瘤发出的生物发光信号会减弱，表明细胞正在死亡。

可继续进行游标卡尺测量和生物发光测量，直至达到人道终点。由于缺氧或治疗方案导致的肿瘤坏死会表现为生物发光信号降低，即使肿瘤体积并未缩小。