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Nature:腫瘤魅影

2014-05-21 22:41 閱讀:1608 來(lái)源:生物360 責任編輯:潘樂(lè )樂(lè )
[導讀] 在Mikala Egeblad第一次拍攝***小鼠體內腫瘤細胞的視頻影像時(shí),沒(méi)有人能夠相信這是真的。因為在此之前,她一直都在研究顯微鏡下的靜態(tài)圖像,也就是那些被制成冷凍切片的腫瘤細胞在被冷凍那一瞬間所固定住的圖像。

    在Mikala Egeblad第一次拍攝***小鼠體內腫瘤細胞的視頻影像時(shí),沒(méi)有人能夠相信這是真的。因為在此之前,她一直都在研究顯微鏡下的靜態(tài)圖像,也就是那些被制成冷凍切片的腫瘤細胞在被冷凍那一瞬間所固定住的圖像。但是對***動(dòng)物體內的腫瘤細胞進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀(guān)察的方法又重新給這些細胞賦予了新的生命。美國紐約冷泉港實(shí)驗室(Cold Spring Harbor Laboratory in New York)的腫瘤研究專(zhuān)家Egeblad評價(jià)道:“當你打開(kāi)顯微鏡,對鏡下的***小鼠進(jìn)行觀(guān)察時(shí),那些腫瘤細胞突然就瘋跑起來(lái),這的確徹底顛覆了我的傳統觀(guān)念。”

    慢慢地,越來(lái)越多的腫瘤研究者們開(kāi)始對這種能夠觀(guān)察到真實(shí)環(huán)境下腫瘤細胞的方法產(chǎn)生了興趣。在對非***環(huán)境中的、“靜態(tài)的”人工培養組織進(jìn)行研究時(shí),科研人員們只能推測腫瘤細胞,以及腫瘤細胞周?chē)钠渌毎髯云鸬搅耸裁醋饔茫鼈儽舜酥g又是如何相互作用的。可是利用這種“***內攝影技術(shù)(intravital imaging)”,我們可以對***動(dòng)物體內的腫瘤細胞進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的跟蹤,這樣就非常容易觀(guān)察到腫瘤細胞與其他細胞和組織之間的相互作用,而且還可以幫助科研人員發(fā)現那一小部分最危險的腫瘤細胞,也就是那些難治的、導致癌癥發(fā)生的腫瘤細胞。

    這種***內攝影技術(shù)還非常年輕,科研人員們也還在努力找到最合適的方法,以便對動(dòng)輒就高達數GB的影像記錄進(jìn)行最好的分析。不過(guò)在近十年來(lái),使用這種技術(shù)的科研人員越來(lái)越多,這也幫助我們找到了關(guān)鍵細胞事件(比如腫瘤細胞侵入血管的事件)和分子事件的時(shí)間線(xiàn)。根據這些線(xiàn)索,科學(xué)家們也提出了各種假說(shuō),有關(guān)于腫瘤生長(cháng)的假說(shuō),也有關(guān)于腫瘤擴散、耐藥等各方面的假說(shuō)。這些信息最終可以幫助新藥開(kāi)發(fā)人員了解腫瘤細胞的真正耐藥機制。

    在一個(gè)充滿(mǎn)了視頻的時(shí)代,這種攝影技術(shù)一下子就引起了大家的興趣。荷蘭內梅亨大學(xué)(Radboud University Nijmegen in the Netherlands)的Peter Friedl介紹道:“我們播放視頻之后,大家看到了腫瘤損害形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程,一下子就從椅子上站了起來(lái),這是一種前所未有的體驗。”

    深入體內

    腫瘤生物學(xué)家們是在上世紀的90年代末才開(kāi)始使用這種***內攝影技術(shù)。當時(shí)是將一個(gè)功能強大的顯微鏡對準麻醉之后,***組織被手術(shù)切開(kāi)之后充分暴露的小鼠,進(jìn)行觀(guān)察和拍攝。逐漸有更多的實(shí)驗室開(kāi)始利用這項技術(shù),對更深層次的組織內部(目前已經(jīng)達到了20個(gè)細胞的深度)進(jìn)行觀(guān)察,獲得讓我們驚嘆不已的豐富信息。隨著(zhù)各種分子標志物的出現,科學(xué)家們又有了更多、更好的工具,現在已經(jīng)可以對8種不同的細胞(包括各種不同的免疫系統細胞和血管內皮細胞)和結構進(jìn)行可視化的研究。美國加利福尼亞洲著(zhù)名的Genentech公司分子腫瘤事業(yè)部的副總監Frederic de Sauvage見(jiàn)證了這個(gè)發(fā)展過(guò)程,他說(shuō)道:“是分子標志物和顯微鏡的結合催生出了這項新技術(shù)。”

    將所有這些元素綜合在一起,我們就能夠觀(guān)察到一個(gè)復雜的、能夠了解腫瘤細胞遷移、增殖和相互作用等綜合過(guò)程的腫瘤細胞生態(tài)系統(ecosystem)。雖然腫瘤研究者們早就知道腫瘤細胞在遺傳學(xué)上是一個(gè)異質(zhì)性(heterogeneous)的群體,但只到出現了***內攝影技術(shù)之后,他們才了解到每一個(gè)腫瘤細胞在行為和表現上都有哪些差異。比如腫瘤細胞可以一隔一個(gè)地活動(dòng),也可以聚集在一起,形成一個(gè)緊密的團體一起移動(dòng),這主要取決于腫瘤細胞的類(lèi)型以及周?chē)沫h(huán)境。

    通過(guò)這種***內攝影觀(guān)察還觀(guān)察到了一個(gè)非常有意思的細胞行為,那就是巨噬細胞(macrophage)的行為,我們知道巨噬細胞是一種免疫細胞,主要功能就是吞噬病原體、壞死的細胞,或者激活免疫反應。巨噬細胞可以**免疫細胞殺死腫瘤細胞,但是在更多的時(shí)候,巨噬細胞起到的卻是**腫瘤生長(cháng)和擴散的作用。

    ***內攝影研究發(fā)現,巨噬細胞與腫瘤細胞和內皮細胞一起形成了一種能夠將腫瘤細胞“泵入”血管的結構,這也是促使腫瘤轉移的一個(gè)關(guān)鍵步驟。美國紐約Albert Einstein醫學(xué)院(Albert Einstein College of Medicine in New York)的John Condeelis等人利用嚙齒類(lèi)動(dòng)物試驗發(fā)現,巨噬細胞與乳腺癌細胞接觸之后,腫瘤細胞就會(huì )變得更富侵襲性,能夠降解血管周?chē)缓鞍踪|(zhì)的基質(zhì)(matrix),擠入血管內皮細胞之間的連接縫隙。巨噬細胞能夠破壞內皮細胞彼此之間的連接,在血管壁上“鑿開(kāi)”一個(gè)小孔,幫助腫瘤細胞進(jìn)入血管,擴散到身體其他部位。

    Condeelis的團隊發(fā)現,在人體的乳腺癌組織中也能夠找到這個(gè)“泵”結構。他們還發(fā)現了與此相關(guān)的3個(gè)分子標志物,這3個(gè)分子標志物分別代表了這個(gè)“泵”結構的3種組成細胞,也能夠說(shuō)明在腫瘤組織中存在這個(gè)“泵”結構。他們一共對60名乳腺癌患者進(jìn)行了研究,結果發(fā)現體內“泵”結構含量越高的人更容易發(fā)生癌癥轉移。美國新澤西州的MetaStat公司是一家新成立的生物科技公司,他們已經(jīng)獲得了這項診斷新技術(shù)的上市資格,正在開(kāi)發(fā)一種可用于預測乳腺癌患者腫瘤轉移風(fēng)險的新產(chǎn)品。MetaStat公司希望在今年年底之前為這種產(chǎn)品開(kāi)展臨床試驗。Condeelis的課題組也在開(kāi)發(fā)一種能夠幫助MRI設備發(fā)現這種泵結構的探針,這樣不需要對患者進(jìn)行活檢就能夠得到診斷結果。

    還有一些人則在嘗試利用這種***攝像技術(shù)跟蹤抗癌藥物在人體內的運動(dòng)軌跡,同時(shí)探究為什么抗癌藥物會(huì )失效的原因。腫瘤生物學(xué)家們通常用來(lái)衡量化療藥物***內療效的辦法都是用小鼠試驗來(lái)觀(guān)察,給藥之后腫瘤的生長(cháng)速度有沒(méi)有減緩,腫塊的體積有沒(méi)有縮小。而***攝像技術(shù)則可以給我們一個(gè)更加直觀(guān)的第一手資料,觀(guān)察到腫瘤細胞是否攝取了藥物,然后這些腫瘤細胞是不是還能夠繼續存活。

    Egeblad的團隊就針對阿霉素(doxorubicin)這種化療藥物拍攝了一段錄影,拍攝到了阿霉素進(jìn)入小鼠乳腺癌組織的影像片段。在結果上巨大的變異性(variability)讓他們大吃一驚,即便在腫瘤組織上的很小一個(gè)區域里,細胞攝取的藥物量,以及死亡死亡的數量也大不一樣。Egeblad等人發(fā)現了一個(gè)非常重要的因素,那就是腫瘤組織內血管的“滲透性(leakiness)”。與早期和晚期腫瘤相比,中期腫瘤內含有最多的“孔狀”血管,所以對藥物的敏感程度也最高。所以Egeblad他們認為,使用能夠增加血管滲透性的藥物有助于提高化療藥物的療效。

    打開(kāi)一扇窗口

    科研人員們最開(kāi)始拍攝這種***小鼠內部影像時(shí)只能夠被限定在一個(gè)很窄時(shí)間段的圖像上。可是理想狀態(tài)應該是連續觀(guān)察好幾天,甚至是好幾周的時(shí)間。于是很多人開(kāi)始使用另外一種辦法,就是在小鼠的皮下植入一塊蓋玻片。這些蓋玻片就好像一扇扇窗戶(hù),讓我們能夠看到大腦、腹腔、乳腺等部位的情況,能夠對同一個(gè)小鼠的同一個(gè)部位進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的觀(guān)察和錄制。一次拍攝完畢之后,小鼠又會(huì )從麻醉中蘇醒過(guò)來(lái),和平時(shí)一樣活動(dòng)和生活,等待下一次的拍攝。

    有了這些窗戶(hù),荷蘭Hubrecht研究所(Hubrecht Institute in Utrecht, the Netherlands)的Jacco van Rheenen等人對小鼠肝臟上的結腸癌細胞進(jìn)行了為期兩周的觀(guān)察。在最開(kāi)始的幾天,剛剛轉移到肝臟上的結腸癌細胞都會(huì )在很小的一塊區域里遷移,可是到了第五天,這些腫瘤細胞就停止了遷移,開(kāi)始大量增殖。van Rheenen等人發(fā)現,在腫瘤轉移的初期,使用能夠抑制腫瘤細胞遷移的化療藥物,能夠顯著(zhù)地減少肝臟上的轉移灶數量。

    隨著(zhù)***內成像技術(shù)的不斷成熟,現在也開(kāi)始慢慢過(guò)渡到不需要人眼觀(guān)察的階段,而且還能夠獲得非常詳細的、定量的細節信息,比如細胞運動(dòng)的速度和方向等信息。有了這些數據,科學(xué)家們就可以為腫瘤細胞的行為構建出數學(xué)模型。Friedl認為可以根據這些模型推測出腫瘤是如何侵入組織的。

    但是獲得這些定量信息可并不那么容易,而且需要花費大量的時(shí)間,據Egeblad介紹,分析一段影片所需要的時(shí)間是拍攝這段影片所需時(shí)間的15倍。還有一些人也指出,目前能夠進(jìn)行這種定量分析的軟件非常有限,所以很多實(shí)驗室都在開(kāi)發(fā)他們自己的圖像分析軟件。

    而且***內成像技術(shù)也面臨了不少的挑戰。據de Sauvage介紹,目前使用這種技術(shù)只能夠對貼近皮膚的組織進(jìn)行觀(guān)察,也就是說(shuō)只能夠對少數幾種腫瘤細胞進(jìn)行觀(guān)察和記錄。目前還很難將***成像技術(shù)與傳統的分子生物學(xué)技術(shù),比如熒光生物傳感技術(shù)(科研人員可以利用這種技術(shù)確定細胞信號通路在何時(shí),何處被激活)結合起來(lái)。據van Rheenen介紹,很多生物傳感技術(shù)在離體試驗時(shí)的效果都很不錯,能夠很好地展示出細胞信號通路上的變化,但是在體內試驗時(shí)的靈敏度就略顯不夠了。美國冷泉港實(shí)驗室的腫瘤遺傳學(xué)家Scott Powers表示,這種信息也許能夠為我們提供一些線(xiàn)索,幫助我們了解腫瘤細胞耐藥的分子機制,他說(shuō)道:“如果能夠了解細胞內都發(fā)生了哪些生化反應,促使細胞表現出那些行為,那就太好了。”

    Egeblad正在嘗試將生化研究手段以及遺傳學(xué)研究方法與***成像技術(shù)結合起來(lái)。她很快就會(huì )啟動(dòng)一個(gè)新的研究項目,對小鼠乳腺癌細胞進(jìn)行長(cháng)達數周的持續觀(guān)察。在實(shí)驗結束之后,她們還會(huì )取出腫瘤組織,對每一個(gè)腫瘤細胞進(jìn)行基因組測序。她們希望通過(guò)這種方式找到與腫瘤細胞快速增殖、耐藥等特性相關(guān)的遺傳學(xué)背景信息。她們還計劃對關(guān)鍵腫瘤基因的表達情況進(jìn)行監測。

    Egeblad認為,這個(gè)新項目又給她提供了一個(gè)好機會(huì ),讓她能夠再一次解答最初讓她進(jìn)行***成像的那個(gè)問(wèn)題——腫瘤,以及腫瘤周?chē)沫h(huán)境是如何共進(jìn)化的?Powers則表示,與Egeblad一起工作,觀(guān)看Egeblad拍攝的那些視頻也讓他自己對腫瘤周?chē)h(huán)境(而不是遺傳背景)對腫瘤的影響作用有了一個(gè)全新的認識,他說(shuō)道:“拍攝這些***內的視頻怎么可能沒(méi)有意義呢?我們拍攝的可都是之前從來(lái)沒(méi)有被人記錄過(guò)的東西。”


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