针对肿瘤血管新生的无标记非线性光学显微成像方法研究

Angiogenesis is a hallmark of cancer. The formation of new blood vessels not only delivers nutrients and removes wastes, but also provides a route for cancer cells to spread out from its original site. Carrying out studies on agniogenesis is definitly important for understanding the mechanism of cancer development, establishing therapeutic strategies and developing new anti-cancer drugs. However, to date, there is no reliable microscopy system which can provide non-invasive high-resolution imaging capability for tumor angiogenesis studies. In this proposal, we will instrument a novel multi-modality multi-function multi-photon microscopy system to detect intrinsic optical signals from blood tissues. Both two-photon excitation autofluorescence and second harmonic generation signals will be measured and the endogeneous fluorophores such as tryptophan, NADH, collagen and hemoglobin will be systematically studied. Combining with dorsal skinfold chamber tumor model and subcutaneous transplantation tumor model in mice, we will develop a label-free high-resolution imaging system for time-lapse microcsopy of tumor angiogenesis. The results of this study will not only help us to improve our understanding of the mechanism of cancer development, but also enhance our capability to find new anti-cancer drugs.

血管新生（angiogenesis）是肿瘤的重要标志。新生成的血管不仅为肿瘤输送养分和代谢废物，而且也是肿瘤扩散和转移的主要渠道。开展肿瘤血管新生动态过程的显微成像研究，对了解肿瘤发展机理、制定诊疗策略以及开发新型抗癌药物都具有重要意义。遗憾的是，到目前为止还没有一个成熟的影像研究系统能在不破坏肿瘤生物微环境前提下，高分辨地对血管新生进程进行持续在体观测。本项目拟从探索生物体内源性光学信号的角度出发，对与血液、血管组织相关的生物自体荧光和谐波信号进行系统研究，筛选出合适的内源性光学对比剂，同时，研发可用于生物在体研究的多功能、多模态、非线性光学显微成像系统，结合小鼠背部皮窗肿瘤模型和裸鼠皮下移植肿瘤模型，构建起适合于肿瘤血管新生进程研究的无标记、高分辨、连续观测显微成像研究平台，探索血管新生的发展特征。本项目的完成将为肿瘤发病机理研究和诊疗措施研发提供重要的科研工具。

血管新生（angiogenesis）是肿瘤的重要标志。新生成的血管不仅为肿瘤输送养分和代谢废物，也是肿瘤扩散和转移的主要渠道。开展肿瘤血管新生动态过程的高分辨显微成像研究，对了解肿瘤发展机理、制定诊断和治疗策略以及开发新的抗肿瘤药物都具有十分重要意义。遗憾的是，目前还没有一个成熟的成像系统能在不破坏肿瘤生物微环境前提下，高分辨地观测肿瘤血管新生进程。本项目从（1）生物内源性光学对比剂筛选（2）高分辨三维显微成像方法探索和（3）肿瘤血管新生进程的无标记光学成像追踪三个方面系统研究创建无创高分辨光学影像平台的可行性，证实了肿瘤血管新生进程是可以被无标记、高分辨、连续、在体观测的。具体研究成果包括：在内源性光学对比剂研究方面，针对tryptophan \NADH \FAD \hemoglobin \elastin \collagen 等生物体内主要的自体荧光团建立了他们的荧光光谱特性和荧光寿命特性数据库，构建了分别基于hemoglobin和elastin荧光的血管成像与区分方法。在光学成像技术研究方面，我们不仅研发了非线性光学显微成像系统，各项指标均达到原定要求，而且还研发了首台反射式光声\双光子\谐波三模态高分辨光学显微成像系统，进一步我们还研发了双光子超分辨光学显微成像系统，相关文章发表在2017年的《Nature Methods》。在肿瘤血管新生研究方面,我们实现了毛细血管的在体、无标记、三维、高分辨成像，我们对比了正常组织与肿瘤组织的毛细血管网络结构特征，发现形态学上的显著差别，论证肿瘤血管新生进程是可以被直接无创观测的。在本项目资助下，课题组已发表期刊论文10篇，其中SCI论文5篇，EI论文5篇，另有2篇尚在投稿中，申请发明专利6项，其中已授权2项，培养硕士研究生10人。本项目的开展不仅为肿瘤发展机理研究提供重要依据，也为其它生命科学研究如脑科学研究等提供了重要的科研工具。