过去的十年里，光学相干层析成像（OCT）领域取得了巨大的技术进步。这些技术进步推动了它在眼科、心脏病学和胃肠癌筛查中的应用。最近，为临床前活体癌症成像应用开发的一系列基于OCT的成像工具获得了令人兴奋的新进展，实现了探测和监测体内癌症的进展和反应。本文回顾总结一些近期成果，并预测OCT在临床前癌症成像中的未来，讨论其作为监测癌症治疗的工具转化到临床的巨大潜力。
背景
光学相干断层扫描（OCT）能够对活体组织和器官进行无创和无标记成像。虽然OCT是一种相对较新的技术，但它基于已经发展了几百年的光学干涉测量原理。OCT通过干涉断片的方式生成图像，与其他体内成像方式不同，这也赋予了OCT独特的成像能力。首先，OCT的对比度来自细胞、基质和其他组织结构的光散射特性，因此OCT是一种无标记的光学成像方式。第二，OCT成像利用近红外区域较长的波长。已知散射随着波长的增加而减少，因此与使用较短波长的光学显微镜相比，OCT可以高分辨率成像到更深的组织中。第三，进行OCT的机械部件可以小型化。虽然荧光显微镜也已经小型化，但OCT可以用低孔径透镜操作，方便将OCT光学系统集成到小探针、导管和内窥镜中，以便在内部位置成像。
这些因素结合在一起，促使OCT应用于多种诊断。光学OCT现在是美国和欧洲的护理标准，血管内OCT已经在世界范围内商业化，并迅速成为介入性心脏病学的护理标准，内窥镜OCT作为传统白光内窥镜检查的辅助手段正在商业化。OCT也应用于临床前成像，过去的几年在活体癌症成像方面取得了令人瞩目的成果，如活体小鼠模型中的癌症成像，强调了OCT在临床前成像中日益增长的作用。本文着重讲述OCT在癌症生物学成像中的最新进展，并与现有技术的成像能力进行对比。列举了OCT成功在临床前的应用，如对肿瘤生物学及其微环境的不同方面成像，以及OCT如何与补充成像模式相结合以增强从成像研究中获得信息的能力。最后讨论了OCT在监测癌症临床治疗中的潜力。
OCT仪器
OCT系统通常包括光源、干涉仪和显微镜或成像导管，通过显微镜或成像导管将光传送到待成像的组织并从其收集反射光。由于组织中的存在光散射，导致大多数组织中OCT信号的穿透深度不足2
mm，因此动物模型的选择就很关键。通常台式（非内窥镜）OCT以窗口模式对皮肤、乳腺脂肪垫或大脑部位进行成像。也可以通过透皮成像用于皮下模型中，或者应用于手术成像体内部位。台式OCT使用的显微镜在设计上类似于荧光显微术使用的显微镜，将麻醉的动物放置在成像物镜下，检流计光束扫描器平移成像束。内窥镜OCT能够对动物体内部位成像，其探针与待成像组织接触或非常靠近，同时小型化一般不会对成像灵敏度或分辨率造成显著影响。内窥镜的加入不但成功将成像扩展到小动物内部部位，也为OCT在未来临床监测癌症治疗中的应用提供了可能性。
OCT的图像对比度应用
OCT的基本原理是测量光在组织中的传播以及散射情况。过去的十年里，研究人员大大扩展了将这些测量结果转化为生理和解剖参数的能力。本文总结了将OCT信号与癌症相关的解剖测量数据相关联的集中方法，并与其他活体方法进行的类似测量进行了对比。
01-微结构成像
结构（解剖学）成像可用于测量肿瘤体积，或定位肿瘤，或描述肿瘤微环境。常用的活体超声（Intravital
ultrasound）和微计算机断层扫描（micro computed tomography,
μCT）都具有成像范围大和穿透深度深的优点，但也都受限于软组织对比度相对较差，对解剖结构的解析程度有限。
OCT能够获得显微结构图像。在软组织中，光学散射的变化比声学散射或x射线吸收更大，因此微结构OCT图像的对比通常比超声和无对比CT更强。这使得肿瘤边缘检测呢给你里增强，并能够对肿瘤部位的微环境进行更广泛的阐述。此外微结构OCT成像速度很快，可在5s内以10
μm分辨率采集8 mm × 8 mm × 2 mm视野的图像。但OCT的穿透深度有限，约为2
mm，因此测量较大肿瘤更适合使用超声波和计算机断层扫描方法。
02-活力成像
对肿瘤模型的活力进行成像研究有助于阐明其对治疗方案的空间反应，但对活力进行活体成像的方法很少。使用18-氟脱氧葡萄糖（18-fluorodeoxyglucose,
FDG）标记的micro positron emission
tomography （μPET）可以用于全身成像活力研究中，但分辨率有限（通在1mm以上），不太适合于小动物模型中的肿瘤。结合荧光脱氧葡萄糖模拟物已被证明能够对培养物和活体中的葡萄糖摄取活性进行光学监测，表达绿色荧光蛋白（GFP）的肿瘤可用于监测生存能力，但这些技术受到成像视野和深度的限制。此外荧光素酶报告因子的生物发光（如，萤火虫、高斯虫、肾虫荧光素酶）也可用于以较低的空间分辨率的细胞活力成像。
OCT能通过光学散射的相关变化区分出肿瘤的存活区和非存活区。组织结构变化会调节光散射，通过配准图像和组织学研究，已经可以确定高散射和生存能力丧失之间具有相关性。基于OCT的活力成像具有无标记的优点，并且可以容易地同时进行其他OCT成像模式，如显微结构成像，两种方法可以应用在相同的采集数据集上，仅通过后处理就可区分开。鉴于临床前活力成像方法的缺乏，OCT可能会成为一个可瞩目的应用。
03-淋巴管造影
淋巴管在实体肿瘤的生长和转移中起着核心作用。实体瘤对正常淋巴功能的破坏会造成实体瘤内间质液压力高，阻碍对流药物的转运。另一方面，肿瘤周围的淋巴管也为肿瘤转移提供了路径。因此，有必要对实体瘤微环境中的淋巴管及其对癌症治疗的反应进行成像研究。然而淋巴成像仍有一定难度，因为与血管系统不同，淋巴系统很难被系统地标记。目前可用的最常见的技术需要将示踪剂注射到特定部位，如肿瘤或周围宿主组织中。当淋巴管收集并充满示踪剂时，可通过广角相机或荧光显微镜对其进行成像。但这种方法仅能展示部分网络结构，并且会扰乱淋巴管生理学。
OCT可用于无标记淋巴管造影。淋巴管造影基于几乎透明的淋巴液和高度散射的组织之间的光学散射差异。淋巴网络在三维数据集中表现为低回声（低散射）区域；三维上的连接性和特征性瓣膜以及淋巴管形态使得淋巴管的识别相对简单。由于在正常生理学中，淋巴脉管系统的某些部分总是塌陷的，所以并不总是能进行全面的测绘。基于OCT的高分辨率，检测具有较小开放腔面积的淋巴管在技术上是可行的。
04-血管造影
了解肿瘤血管生成和肿瘤对血管靶向治疗的反应是过去十年癌症研究的一个主要主题。目前用于活体血管造影的方法包括多普勒超声、显微磁共振成像（micro
magnetic resonance imaging,
μMRI）、μCT、光声断层成像和荧光显微术。其中，基于超声、μMRI和μCT的方法由于分辨率有限，无法分辨单个血管。迄今为止，荧光血管造影术最广泛应用于在肿瘤模型中以单个血管分辨率研究血管生成。然而荧光方法需要通过静脉注射对脉管系统进行系统标记，在纵向研究中有局限性。
使用显微结构OCT，可以观察到一些直径100μm以上的大血管。为成像更小的血管，通常使用基于血流的血管造影成像方法。与显微结构、活力和淋巴对比度方法不同，血管造影成像依赖于散射动力学的测量，流动的血液会影响光散射，这种影响可以被检测并用于区分肿瘤的血管内和血管外部分。与荧光方法不同，基于OCT的血管造影术是无标记的。OCT血管造影术和荧光血管造影术在视野、成像深度和分辨率上的区别见表1。
表1 临床前癌症研究的活体成像方法概述
与用于结构、活力和淋巴的OCT成像不同，用于血管造影的OCT要监测散射随时间的变化，因此严格需要动物固定。通常要成像的位置必须机械固定，固定的同时还必须小心防止阻塞脉管系统，造成因机械压力引起的血管对比度损失。血管造影的OCT方法成像时间也更长，以捕捉每个位置的散射动态。根据所使用的算法和所需的血流灵敏度，以10μm分辨率对8mm×8mm×2mm的视野进行成像需要1-20min，相比之下OCT的非动态对比度模式仅需约5s。成像时间较长也能够更广泛的采集信号动态，从而提高图像对比度。随着算法的改进未来可能会减少这一时间。
05-OCT中的其他对比度模式
OCT还有几种额外的成像对比模式，但仍处于早期发展阶段，或尚未显示出与癌症研究的相关性。其中包括检测外源性标记的技术，它能够基于OCT测量肿瘤内的药物分布。还有通过测量对入射光场偏振的影响来识别特定的组织成分，如胶原和肌肉纤维。这种偏振敏感的OCT方法相对成熟，可以用于探测肿瘤-间质的相互作用。此外对散射动力学的测量还可以用于识别细胞过程，如凋亡，或者允许对肿瘤血管网络中的血流速度进行详细的量化。
OCT在临床前癌症研究中的应用
研究人员已经将这些OCT方法用于临床前，来研究癌症生物学以及评估药物反应。本文介绍了几例OCT近期取得的成就，重点是OCT提供的测量结果的独特和不可替代性。
首先是微结构OCT。第一例研究中，OCT用于测量植入背部皮褶腔内的肿瘤体积。使用手动分割方法在三维空间描绘肿瘤边缘（图1a），根据描绘出的边缘计算肿瘤体积，并结合获得的肿瘤边缘和体积，在抗血管生成药物研究中确定治疗起点，还证明了由VEGFR2阻断引起的生长延迟。通过同时采集结构和血管OCT图像，利用肿瘤边缘分割出肿瘤内和肿瘤周围的血管，从而对不同部位的血管反应进行差异分析。OCT提供的扩展性视野、成像深度和多模态成像使这些分析成为可能。
研究显微结构的OCT也被用于内窥镜，以成像结肠直肠癌诱导模型中的疾病进展。这使得研究人员能够对小鼠结肠的疾病进展进行全面绘制和纵向跟踪（图1b）。此外还证明了基于OCT的微结构对比度可用于对靶向EGFR的纳米壳进行成像。内窥镜OCT系统还与荧光成像相结合，将早期疾病（通过显微OCT识别）与VEGFR2表达增加（通过荧光标记识别）相关联。在这些内窥镜应用中，OCT提供的分辨率和软组织对比度能够帮助μCT和μMRI更早地检测到病变。
在一项对白喉毒素处理的异种移植模型中进行的活力成像研究中，证明了OCT监测细胞靶向治疗的能力。白喉毒素的毒性具有高度物种特异性，对人类肿瘤细胞具有强毒性，但对小鼠没有，可作为肿瘤细胞靶向治疗的替代物。利用OCT对肿瘤内的散射随时间的变化进行量化，以跟踪肿瘤活力变化（图1c）。同时得到的结构和血管成像，能够测量相关的肿瘤体积和血管反应。
图1 肿瘤的微结构OCT成像。（a）利用微结构对比度，在背部皮褶腔模型中，可将肿瘤组织（MCaIV乳腺癌）与周围的宿主皮下及肌肉组织区分开来。通过确定肿瘤边缘，可以计算出肿瘤的三维体积。（b）小鼠结肠中偶氮甲烷诱导的结直肠癌的内窥镜微结构OCT。较高的软组织对比度和接近组织学分辨率允许对结肠上皮进行微结构成像。该图像显示了沿结肠不同组织深度（垂直方向）与距离（水平方向）之间的对比。通过标志性的变化来检测从正常组织到胃肠上皮内瘤变（GIN）到腺瘤的疾病进展，如组织分层丧失。（c）通过量化OCT微结构数据集中的散射，可以在细胞毒干预期间监测肿瘤的活力。在白喉毒素处理（下图）或未处理（上图）两天后，背部皮褶腔模型中LS174T人结肠直肠腺癌的活力代表图像。在白喉毒素处理的动物中，散射增加，表明活力明显丧失。
有研究使用基于OCT的淋巴管造影术，在背侧皮褶腔模型和耳模型中，绘制肿瘤周围的淋巴管图。在人肉瘤模型中，发现肿瘤周围淋巴增生的量与到肿瘤边缘的距离相关，并且实现了对单个肿瘤周围淋巴管进行纵向追踪。
OCT在临床前癌症研究中最引人注目的应用是在血管造影术领域。OCT在广阔领域内重复成像的能力，使其成为研究肿瘤血管生成和各种部位血管反应的理想工具。在最近的一项研究中，使用了一种基于生物工VHL蛋白的新治疗策略，OCT被用来表征用这种VHL蛋白处理过的异种移植模型中的血管生成，结合荧光显微术确定该VHL蛋白成功传递到腺病毒。该研究显示，治疗后，血管生成受到强烈抑制，并且肿瘤坏死增加。另一个将OCT与其他成像方式相结合的研究，能够动态成像肿瘤中氧气供应和需求。其中OCT用于测量血流，而光谱技术测量血液氧合（使用血红蛋白光谱）和代谢需求（使用“氧化还原比”荧光测量）。
OCT的宽视野成像以独特的清晰度揭示了肿瘤血管网络的形态特征，这可被用来强调微环境对肿瘤脉管系统的重要作用（图2）。使用OCT技术可以频繁重复进行血管造影，这是荧光显微术无法做到的。OCT技术用于肿瘤延时血管造影和微结构成像，以观察对VEGFR2阻滞的应答。在48h内每两小时进行一次OCT成像，以捕捉由VEGFR2阻断引起的快速血管变化。显微结构成像证实，尽管有这些血管变化，血管靶向治疗在此期间并不影响肿瘤生长。 
图2 使用OCT对肿瘤血管生成进行成像。揭示了在不同解剖部位生长的MCaIV鼠乳腺肿瘤中，差异显著的血管网络。
OCT在临床治疗反应监测中的应用
许多临床前成像方法虽然非常有效，但扩展性差，因为可能依赖于基因修饰，或者所需新标签需要监管批准。OCT因为不需要标记，从而规避了这些难题已经迅速进入诊断应用中。随着基于OCT的癌症成像技术在临床前环境中的发展，获得的研究成果将大大推进OCT向癌症治疗的临床监测转化。早期已经在动物模型中证明了，基于OCT的血管造影术可以在前列腺癌和食道癌模型中对光动力疗法的效果提供敏感的反馈。研究人员也正在努力将OCT技术转化用于临床反应监测中。
结论
作为一种既定的诊断方法，OCT越来越多地被用于临床前癌症研究。OCT的成像能力填补了现有活体成像方法中的空白，因此可能成为生物实验室中常见的技术。对癌症生物标志物成像的需求为OCT在临床治疗监测中的应用提供了非常好的前景。目前从临床全身成像模式（如磁共振成像）中获得的血管成像生物标志物可用于评估治疗。随着适当探针的开发，可能使用OCT技术来提供更高分辨率的肿瘤内脉管系统图像。我们还需要更多研究以证明OCT图像和治疗反应之间的相关性，因此对探针开发要求较低的癌症，如皮肤癌和口腔癌可能成为突破口。随着研究和工业技术的进展，OCT的性能将持续提高，应用范围也将进一步扩大。
参考文献：
Vakoc, Benjamin J. , et al. "Cancer imaging by optical coherence tomography: preclinical progress and clinical potential. " Nature Reviews Cancer 12.5(2012):363-8.
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