基于多尺度分子影像的脑胶质瘤血管正常化时间窗检测关键技术研究

Preclinical and clinical studies show the presence of a vascular normalization window in response to anti-angiogenic therapies. It plays a key role in determination of the optimal time of anti-angiogenic drug usage and anti-tumor therapeutic design. The vascular normalization is a dynamic process during anti-angiogenic therapy. Therefore, the determination of tumor vascular normalization window plays a key role in its clinical applications. This project is focused on investigating vascular normalization window of gliomas. The three-dimensional vessel architecture is acquired by newly developed light-sheet microscopy (LSM) in micro-scale and vascular permeability is assessed through dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging (DCE-MRI) in macro-scale. For multi-scale correlation of the vasculature, fluorescent lectins that bind to endothelial cells are linked to iron oxide nanoparticles as optical-magnetic dual modality imaging probe. The data set from light-sheet microscope are preprocessed by enhanced filtering. Subsequently, segmentation of the vasculature is performed based on support vector machine to quantify vessel length, radius and tortuosity. Vascular permeability is quantified using the Tofts and Kermode model. With these quantified time series data, the vascular normalization time window can be investigated precisely. Hence, the proposed methods are valuable for designing personalized anti-angiogenesis therapeutic strategy.

肿瘤血管正常化时间窗是选择抗血管生成药物最佳使用时机和制定个体化抗肿瘤治疗方案的重要依据，而肿瘤血管正常化是动态变化的过程，因此如何确定肿瘤血管正常化的时间窗是血管正常化在临床转化中亟需解决的问题。本课题以脑胶质瘤血管正常化时间窗的精准检测为研究目标，通过融合宏观动态对比增强磁共振成像（DCE-MRI）和微观新型光片照明显微成像（LSM）技术，对肿瘤血管的功能和精细结构网络进行检测，以肿瘤血管图像的三维重建、精确分割、融合配准方法为手段，重点开展构建靶向血管内皮细胞的光磁双模态探针，宏观功能和微观结构的多尺度融合成像技术以及血管增强滤波和基于支持向量机的血管分割算法研究。通过提取肿瘤血管渗透性、直径、长度和曲率等随时间变化的信息，对脑胶质瘤血管正常化时间窗进行精准检测，从而为提高脑胶质瘤抗血管治疗效果和指导制定抗血管生成的个体化精准治疗方案提供有效的成像方法。

肿瘤血管正常化时间窗是选择抗血管生成药物最佳使用时机和制定个体化抗肿瘤治疗方案的重要依据。项目根据计划书的研究目标，围绕立项时的关键科学问题，完成了特异性光磁双模态探针5-HT-Fe3O4-Cy7的制备，系统研究了宏观功能与微观结构融合的多尺度脑血管成像技术，研发了光片照明显微图像的血管分割、分辨率提升和断层重建算法，在脑血管网络发育、肿瘤血管检测和治疗评估上开展了生物应用。.项目围绕研究目标，取得了一批研究成果，本项目在项目执行期间，通过本项目的研究取得了多项成果，在论文发表方面，在OSA系列、SPIE光学系列和综合类国际高水平SCI期刊上发表论文9篇。在专利申请方面，获得授权国家发明专利6项，受理国家发明专利3项；申请国际发明专利1项。在人才培养方面，新增中国科学院青年创新促进会1人，中国科学院关键技术人才1人。.综上所述，项目完成了光磁双模态靶向分子探针的研发，研发了磁共振成像，活体光纤共聚焦内窥显微成像和光片显微成像的多尺度成像技术，构建了光片显微成像脑血管分割，轴向分辨率提升和快速配准等算法，开展小动物预临床生物医学应用研究，为脑疾病的精确诊断和机理研究提供成像方法和工具。