Although the major cause of approximately 90% of death is the result of vital organ failure by the cancer metastasis in the solid cancer patients, it is difficult to diagnose this cancer micro-metastasis at the early point of cancer progress. During the progress of cancer metastasis, cancer cells are disseminated from the primary tumor into the bloodstream and extravasated into the distant organs. In this cancer metastasis cascade, the cancer cells circulating in the bloodstream, which are called circulating tumor cells (CTCs). The quantitation of CTCs can provide significant information for predicting cancer metastasis, evaluating anti-cancer treatment, also potentially for early diagnosis of cancer recurrence.
At first, we implemented a custom-design high-speed laser-scanning confocal microscopy system incapable of direct visualization of fast flowing CTC in the great saphenous vein (GSV) of a live animal model, in vivo. Continuous acquisition of video-rate images at GSV revealed the highly dynamic time-dependent changes in the number of intravenously injected CTCs. By extracting a calibration factor through the hemocytometric analysis of intravenously injected long-circulating red blood cells, we established a novel quantitation method for CTC in whole body blood, in vivo.
In addition, we observed the dynamic changes of CTCs in spontaneous metastasis models by long-term GSV imaging. For monitoring the level of CTCs in the blood circulation, we estimated the detection volume of intravital GSV imaging. By repeatedly quantitating the CTCs of metastatic breast tumor model in a long time, we confirmed that the number of CTCs at the early point was associated with the formation of lung metastatic colonies at the late stage of the tumor.
Finally, we designed the bloodstream mimicking circulation system for the real-time measurement of nanoparticle targeting efficacy. By image-based analysis of target cells, the cell-targeting mechanism was analyzed. Changing of various parameters, we obtained time-dependent targeting kinetics between CTCs and targeting nanoparticle during circulation condition.
암 전이는 고형암 환자에서 장기 부전을 일으켜 사망에 이르게 하는 가장 큰 원인으로 여겨지고 있지만, 미세 암 전이를 암 진행 초기에 진단하는 것은 큰 어려움이 있습니다. 암전이 진행은 암세포가 원 발암에서 혈류로 빠져나와 다른 장기로 전이를 형성하게 된다. 암 전이 과정에서 혈류 내에 순환하는 암세포를 혈중암세포라고 한다. 이러한 혈중암세포의 정량화는 암전이 조기예측, 항암치료의 평가, 암 재발의 조기진단에 활용될 수 있다. 먼저, 살아있는 동물 모델 대복재정맥 내 고속 순환하는 혈중암세포를 직접 영상화하기 위하여 차제 제작 초고속 레이저 스캐닝 공초점 현미경을 설계하였다. 대복재정맥을 연속적으로 촬영하여 암세포 주입 직후 역동적인 세포 수 변화를 관찰하였다. 장기 순환하는 적혈구 분석을 통하여 전혈 내 존재하는 혈중암세포를 정량화하였다. 또한, 장시간 대복재정맥 영상화를 통해 자발적인 암 전이 모델에서 혈중암세포의 역동적인 변화를 관찰하였다. 혈류 내에 극소량 존재하는 혈중암세포를 정량화하기 위하여 생체 내 대복재정맥 영상화의 감지 부피를 계산하였다. 전이성 유방암 모델에서 장기적이고 반복적으로 혈중암세포를 정량화하였고, 이를 통해 초기 혈중암세포 수와 암 말기 폐 전이 형성의 연관성을 찾았다. 마지막으로 혈류모방 순환 환경을 구축하여 나노입자의 표적 효율을 실시간으로 측정하였다. 영상기반 세포 분석을 통하여 세포 표적 작용을 관찰하였다. 다양한 변수 조작을 통해 혈중암세포와 표적 나노입자 간 시간에 따른 표적 동역학을 확인하였다.