怎样准确有效地测量小鼠肿瘤体积？

唐大帅

随着精准医疗遍地开花，利用活体动物（约95%以上为小鼠）构建肿瘤模型在研究「癌症的发生、发展及转移机制，发现更有效的诊断和治疗癌症方法」的过程中必不可少。

其中肿瘤的大小是一重要评价指标。在实验室里，我们通常需要每隔2-3天就要对肿瘤的体积进行测量，动态反映药物的疗效。

然而，对于肿瘤体积的测量，却是不少研究者们头痛的问题：

肿瘤形态千奇百怪，怎样才能准确测量？



知道计算公式，可是这个公式的出处确实一头雾水？





还有很多：







......
接下来，本文将为大家解答以上疑问，详细阐述肿瘤体积测量及计算方法。

通常来说，位于动物体表的实体瘤大小可用游标卡尺测量，位于体内的实体瘤可通过动物活体荧光显像、micro-CT和MRI显像等方法测量，或在动物安乐死后进行尸检测量。

然而，肿瘤往往会长成球形，椭圆形，长条形甚至不规则形状，给肿瘤体积测量带来更大的困难，故在活体动物中描述肿瘤大小往往为估算值（某些研究用直径（d）描述肿瘤大小，而某些研究用体积（V）描述）。
卡尺测量法

即采用游标卡尺（或直尺）测量小鼠的肿瘤的轮廓边长，然后采用标准公式对肿瘤的体积进行计算。该方法通常针对皮下肿瘤和乳腺原位肿瘤较方便可行。

加利福尼亚大学洛杉矶分校医学院Mary M. Tomayko和C. Patrick Reynolds于1989年发表论文，该研究团队通过对214篇文献统计，发现肿瘤测量的计算方法主要有3种，分别是测量一维的直径；二维的面积及各种的体积计算方法。



（来源论文DOI: 10.1007/BF00300234）

从上表中可以看到，肿瘤体积的计算方法有多种（对应不同形状），那么哪一个公式对肿瘤的真实体积估算得最准确呢？

研究者选取了50个裸鼠皮下肿瘤组织样本，结合了上表19个计算公式，并通过排水法计算出肿瘤组织的真实体积或质量（备注：排水法测量离体移植瘤近似真实体积）。

对比后发现，以椭圆球体计算的肿瘤体积【V=π/6×L（长径）×W（短径）×H（高）】与排水法得到的体积最为接近（r=0.93）。



（来源论文DOI: 10.1007/BF00300234）

使用此法测量前，应先判断肿瘤的长短径，确保测量时长短径处于垂直方向。皮下肿瘤测量：用卡尺测量长度（L，尺寸长的维度），宽度（W，尺寸较短的维度，垂直于长度所在平面，平行于动物身体平面）和高度（H，肿瘤上边界与动物身体之间的距离）。



（来源论文DOI: 10.1007/BF00300234）



（来源论文DOI: 10.1038/s41596-022-00709-3.）

在测量的过程中，肿瘤块的长度L和宽度W可以很好地测量出来，但是肿瘤的高度由于另一侧从皮肤长出，不太好测。

有学者比较不同计算和测量方法评价移植瘤体积的异同时发现，使用公式V=π/6×L（长径）×W2（短径），也可以很好反映肿瘤真实体积，因为π=3.14，π/6=0.52，所以我们在不少研究中看到肿瘤计算公式为V=0.52×L×W2【其中较为简化的公式：V=(W2×L)/2】。

注：因为每个人对于长宽度的确定和游标卡尺力度的掌握不同，不同人测量会造成很大误差，因此整个测量最好保持同一个人测量以减小误差。另外，即使是同一测量者，如果每次对肿瘤长度和宽度选取不一致，也会造成误差，因此最好每次选择相同位置测量。



然而，随着现代神经学、肿瘤学和毒理学等学科的迅速发展，传统实验室用游标卡尺测量肿瘤大小的误差和局限性被无限放大。其表现为以下几方面：
（1）测量数值单一。卡尺只能数字化肿瘤的长度和宽度，其他几何或视觉数据不会无法获得。

（2）影响因素多。不同人员的操作会导致最终结果存在很大的差异。

（3）结果误差大。肿瘤形状不规则，而所使用标准公式计算肿瘤体积的前提都是假设肿瘤形状不变。

（4）对于原位或者转移肿瘤模型，是无法适用的。对于体内原位或转移肿瘤，一般都是分期分批地将动物处死取出瘤体进行测量，以至于每次实验需要消耗大量的动物以便在不同的时间点进行比较。
近年来动物模型的影像监测技术发展迅速，推出了各种动物专用影像设备，目的是实现对肿瘤进行实时、连续、无创、原位的观察和测量。目前应用于动物模型研究的有显微CT(micro CT)、PET（(micro PT)）、小动物活体成像体法、显微磁共振显微成像（micro MRI)等。

01 小动物Micro-CT法


采用小动物micro-CT法，可以对实验对象进行全身的结构成像，获得全身组织高分辨率的三维结构图。通过软件可方便地分辨肿瘤组织并对其体积进行定量分析。

micro-CT造影技术可以很精准的计算肿瘤体积（该技术空间分辨率已达到50μm），可连续动态地观测到肿瘤在小鼠体内的分布，所占体积的大小和肿瘤的生长变化的情况，操作比较简单，但价格非常昂贵。



（来源论文DOI：10.1186/1471-2342-8-16）
02 micro PET


MicroPET是当今全球医药领域及生物工程方面的领先技术，通过小型啮齿动物（小鼠或大鼠）进行活体状况下的功能及解剖成像，获得该动物身体状况及药物在小动物体内分布情况的各种数据。

小动物PET可以进行肿瘤代谢显像、受体显像、基因表达显像等，具有高灵敏度、相对高分辨率、高速动态显像的特点，可用于功能显像和断层显像。



（来源论文DOI：10.1186/1471-2342-8-16）

03 小动物活体成像体法


小动物活体成像主要是将具有荧光素酶基因标记的肿瘤细胞在小动物体内荷瘤，在小动物体内注入荧光素钠等底物后，发出生物荧光，利用软件及成像系统三维光学活体的生物发光检测功能对实验样本的肿瘤细胞经行检测，并对其体积进行测量，几分钟内就可获得数据，能够实时监测肿瘤生长和转移。

小动物活体成像还可以长时间并阶段性地、无创伤地定量检测小鼠原位瘤、转移瘤及自发瘤。

最关键的是，小动物活体成像可获取更加准确直观的结果，且操作简单快捷，尽管才发展几年，但已广泛用于抗肿瘤药物研发及肿瘤机理研究。

注：因为成像的小鼠图片后续可能要用于文章发表等，所以一定要摆放整齐。



（DOI：10.1038/sj.bjc.6605642）

04 显微磁共振显微成像（micro MRI)


MRI是一种优秀的影像学检测手段，可在安全无创伤的条件下，以不同灰度显示不同结构的解剖和病理的断面图像。

而micro MRI是一种利用MRI产生显微镜水平的MRI信号图像的显微影像技术，扫描孔径小，用于小动物成像具有高磁场强度、高分辨率的特点。由于临床型MRI非常普及，因此如果能用它进行动物肿瘤的测量则最好。

以上，这些成像系统虽然性能卓越，但价格高，目前还不能普及。

参考文献：
【1】何志军, 陈先祥, 蔡庆和, 等. 移植瘤体积不同计测方法的比较[J]. 中国比较医学杂志, 2009, 19(9): 47-50.
【2】Determination of subcutaneous tumor size in athymic (nude) mice （DOI: 10.1007/BF00300234）
【3】Guidelines for the welfare and use of animals in cancer research （DOI：10.1038/sj.bjc.6605642）
【4】https://www.jove.com/video/1210/
【5】Tumor volume in subcutaneous mouse xenografts measured by microCT is more accurate and reproducible than determined by 18F-FDG-microPET or external caliper （DOI：10.1186/1471-2342-8-16）
【6】Tumor measurement in the nude mouse （DOI：10.1002/jso.2930310402）
【7】The cell-line-derived subcutaneous tumor model in preclinical cancer research（doi: 10.1038/s41596-022-00709-3）
【8】文中未标注的图片均来源于丁香园论坛截图

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