活体跨层次整合成像研究肿瘤肝转移的区域免疫

The liver is a high incidence site of tumorigenesis and metastasis, due to its unique anatomical structure, circulatory system, and regional immunity characterization. Visualization of liver regional immune status and its effect on tumor cells in the real system environment of living organism is the critical pathway to explore the tumor immunotherapeutic target and controlling the level of immune activation in liver. Optical molecular imaging has many advantages in dynamic monitoring the cellular and molecular function in vivo. However, how to optically characterizing the liver regional immune status and how to investigate the immune system as a real system are the bottleneck problems for optical imaging. Therefore, in this project we aimed to establish novel approaches of optical characterization and visualization for the liver regional immunity status, and develop the cross-level optical imaging techniques for living internal organs. To characterize the regional immunity status, we will dynamic monitor the interaction of multiple immunocytes, the formation of immune synapse, and the fate of tumor cells in liver and/or immune organs. Furthermore, the information of tissue structure and circulation will be associated with the functional information of immunocytes to systematic investigate the effect of regional immunity on tumor liver metastasis. Thus, our project will provide the innovational research techniques to reveal the internal relation between regional immunity characterization and serious diseases.

肝脏独特的解剖结构、循环系统和区域免疫特性，使其成为肿瘤发生和转移的高发部位。在生物体真实的系统环境下直观可视化地观察肝脏的区域免疫状态及其对肿瘤细胞的作用，是探寻肝脏肿瘤免疫治疗靶点和控制免疫激活程度的关键途径。光学分子成像在活体动态监测细胞与分子功能方面极具优势。然而，如何光学表征肝脏的区域免疫状态，如何将免疫系统作为一个真正的系统来研究，是研究者们所面临的技术瓶颈问题。基于此，本项目拟建立肝脏免疫状态的光学表征与可视化研究新方法，发展适用于活体内部脏器的跨层次光学成像技术体系。活体内动态监测肝脏和专职免疫器官内多种免疫细胞间的相互接触，免疫突触形成和肿瘤细胞的命运，以表征肝脏的区域免疫状态。进而，将组织结构、循环信息与免疫细胞的功能信息相关联，系统性研究区域免疫对肿瘤肝转移的作用。本项目将为揭示区域免疫特性与重大疾病的内在联系提供创新性的研究手段。

本项目针对组织器官区域免疫的活体可视化研究的重大需求，发展与完善活体跨层次光学成像技术体系，建立活体内抗原提呈细胞的靶向标记与调控新方法，由此建立了活体长时程可视化研究肝脏区域免疫特性的新方法体系，并应用于肿瘤肝转移及其清除过程的相关免疫反应动态成像研究。主要研究成果包括四方面：1）在活体跨层次光学成像技术体系方面，建立高动态范围的荧光分子成像方法和提升成像定位和定量性能的新方法，有效提升了荧光分子断层成像和CT双模态成像的准确度；基于光学器件特性的优化，发展了一系列光学分辨的光声显微成像技术，在成像景深、扫描速度和横向分辨率等参数上均获得改进，使得活体组织器官的光声成像性能更优。2）在活体免疫细胞的光学表征与标记调控方面，研制了靶向肝血窦内皮细胞和M2型肿瘤相关巨噬细胞的纳米颗粒，扭转了免疫抑制的肿瘤微环境；研制了高效靶向淋巴结树突细胞的多肽-脂质纳米探针/疫苗，明显提升了抗原肽的递呈效率；建立基于四聚体深红色荧光蛋白的荧光模型抗原体系，为活体动态研究肿瘤肝转移和特异性肿瘤免疫清除提供了性能优异的标记分子与抗原模型。3）在活体长时程可视化研究肝脏区域免疫特性方面，建立多色编码的肿瘤微环境，长时程活体成像揭示了联合免疫治疗引发的抗肿瘤免疫反应关键事件；建立活体肝脏光学成像新方法，可视化研究肝脏的基础结构、免疫细胞的分布与功能，以及肿瘤免疫治疗过程中的免疫状态。4）活体光学成像研究皮肤区域免疫特性，发现皮肤毛囊区域的角朊细胞通过动员T细胞在该区域识别抗原，调控单核细胞的间质迁移至毛囊区域形成聚集，从而介导皮肤组织损伤。研究成果发表在eLife、ACS Nano、Nature Communications、Journal of Investigative Dermatology、Theranostics和Optics Express等期刊上，标注本项目基金号的SCI论文有18篇，其中IF >10的文章3篇，10> IF >5的文章5篇，光学一流期刊文章5篇，综述文章1篇；申请中国发明专利4项，实用新型专利1项。