光动力疗法治疗小鼠乳腺癌的生物效应三维空间分布的研究
作为一种新型无创肿瘤治疗方法，光动力疗法(photodynamic therapy, PDT)是以特定波长的光照射富集于肿瘤部位的光敏剂以达到杀伤肿瘤的目的。其对肿瘤的杀伤机制包含光与生物组织的相互作用—光在组织中的分布、组织对光的吸收、光敏剂在组织中的分布以及反应区域氧的支持;因此，与传统的放、化疗不同，PDT是一种独特的具有强烈空间分布性的效应机制。 PDT作用机制的研究与肿瘤精准治疗密切相关，目前对其肿瘤治疗机制的研究主要基于其三要素及其诱导的肿瘤组织生物效应，包括对光、光敏剂和氧在生物组织中的分布以及PDT作用后引起的直接生物效应和间接生物效应的研究。虽然大量研究人员对光子、光敏剂和氧在组织中的分布以及PDT诱导的局部细胞坏死、凋亡和对微血管的作用等生物效应机制进行了研究，然而目前PDT治疗肿瘤的生物效应空间分布的研究还较为欠缺，单纯的三要素空间模型和局部效应无法完成对临床PDT精准治疗的指导和辅助作用。 目的:建立PDT全肿瘤样本直接效应和间接效应图片集，分析PDT生物效应的三维空间分布，构建PDT生物效应三维模型，为临床PDT精准治疗提供更好的指导和辅助作用。 方法:为了构建光动力杀伤肿瘤生物效应空间分布模型，本文运用脑神经学科中常用的三维分子重建技术，对PDT作用3天后BALB/C裸鼠EMT-6皮下移植瘤(直径约1cm)进行序列切片(5μm)及生物标记。分别进行HE染色、TUNEL和CD31免疫组化染色以对PDT治疗后的坏死、凋亡和血管进行标记，同时运用全视野成像技术对病理切片进行数字化图像提取(20X)。数字图像肿瘤分割后运用Matlab代码分别提取坏死(HE染色样本中的红色和白色区域)、凋亡(TUNEL标记样本中的棕色区域)和血管(CD31标记样本中的棕色区域)信号，高斯核密度函数结合热力图的方式可视化细胞坏死、凋亡和血管在组织中的密度分布，面积百分比对其在组织中的分布进行量化分析，最后利用Amira软件对其进行三维重建。同时以MC方法建立组织光能量密度分布模型，进行相互验证。 结果:对照组相比，PDT治疗3天后肿瘤坏死主要分布于肿瘤上层和中间层;肿瘤凋亡主要分布于肿瘤底层;肿瘤上层血管坏死的同时，肿瘤中间和底层伴有血管增生。坏死面积百分比与组织深度呈指数递减关系，随着深度的递增，坏死区域从上层的整层组织几乎全部坏死(约100％)向深部肿瘤组织的两个肿瘤巢中心收缩(皮下3500μm处的25％)。细胞凋亡呈弥漫性分布于肿瘤深部，凋亡面积百分比在皮下3800μm组织深度处高达21％。血管增生明显，呈弥漫性分布于肿瘤组织中间层和底层，血管面积百分比在皮下2900μm组织深度处高达11.1％。在三维重建模型上，PDT治疗3天后肿瘤的坏死和凋亡在深度方向上呈互补形态，从上而下看，坏死逐渐减少，而凋亡逐渐增加，坏死和凋亡共同组成的肿瘤细胞死亡呈现倒梯形，而血管增生主要发生于肿瘤细胞死亡逐渐减少的中下层。 结论:PsD-007介导的PDT肿瘤组织坏死、凋亡和血管增生呈现明显的空间异质性，PDT所致直接效应(坏死)与光能量密度的空间分布趋势一致，都呈指数减少;而PDT所致间接效应(凋亡和血管增生)与光能量密度的空间分布无直接相关性。与PDT光分布模型相比，PDT生物效应模型更能反映PDT的治疗效果，对PDT临床精准治疗具有更大的参考价值。光动力效应的分析应将其组成因素包括光、光敏剂和氧与组织实际效应结合起来进行分析。本文对PDT杀伤肿瘤效应的空间分布分析模型为光动力效应的模型研究提供了新的证据，也为PDT临床精准治疗方案及其剂量学提供了理论支持。
乳腺癌;光动力疗法;生物效应;空间分布;三维分子重建
中国医学科学院北京协和医学院
博士
生物医学工程
李迎新
2019
中文
R737.9
2020-06-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）