胸腔原位種植與經左心室注射建立肺癌腦轉移動物模型的比較

陳愉生，涂洵崴，俞梅娥，林獻，李鴻茹

（福建醫科大學省立臨床醫學院，福州 350001）

研究報告

胸腔原位種植與經左心室注射建立肺癌腦轉移動物模型的比較

陳愉生*，涂洵崴，俞梅娥，林獻，李鴻茹

（福建醫科大學省立臨床醫學院，福州 350001）

目的為研究肺癌腦轉移機制提供一種可靠的造模方法。方法18只BALB/c nude裸鼠隨機分為2組，分別經胸腔原位種植與經左心室注射的方法，接種處于對數期生長的人肺腺癌PC-9細胞（1×106/0.1 mL），接種后觀察裸鼠狀態，在裸鼠出現嚴重惡液質時處死。解剖裸鼠，觀察肺、腦、肝、腎轉移情況；病理取材、HE染色觀察。結果胸腔原位種植組：3周后，第4、6、9號裸鼠可見胸壁瘤結凸起形成，漸增大；裸鼠于第4～6周開始出現體重減輕，并逐漸出現惡液質，分別于第5～7周處死。開胸后見：胸腔廣泛灰白色腫瘤結節、團塊形成，雙側肋骨、胸膜、脊柱多發種植灶，雙肺被侵蝕壓縮，顏色蒼白，形態改變。HE染色見：肺表面廣泛種植瘤形成，與正常肺組織分界清楚；僅6號裸鼠出現腦轉移。經左心室注射組：裸鼠于第3周開始出現體重下降，并逐漸出現惡液質，全部裸鼠于第4周處死。開胸后：除11、18號裸鼠胸壁見2～3個散在瘤結分布（直徑約1～3 mm），其余胸腔視野正常；肺組織輪廓清楚，未見瘤結生成。HE染色見：9只裸鼠均出現大小不一的多發腦轉移灶。胸腔原位種植組：腦轉移率為11.1%；經左心室注射組：腦轉移率為100%。結論經左心室注射建立肺癌腦轉移動物模型的方法，較胸腔原位種植的方法保證了更高的腦轉移率。

肺癌腦轉移；左心室注射；胸腔種植；動物模型

肺癌作為一種常見的惡性腫瘤，其死亡率占癌癥死亡率之首［1］。肺癌最常見的遠處轉移部位之一是腦部，肺癌腦轉移的發生率為23%～65%，是腦轉移性腫瘤中最常見的類型［2］。由于腦組織解剖結構與功能的特殊性，肺癌腦轉移患者放、化療效果不佳，預后差，其中位生存期僅有4～5個月［3］。本研究以PC-9人肺腺癌細胞分別經胸腔原位種植與左心室注射的方法，接種裸鼠，擬建立肺癌腦轉移的實驗動物模型，為下一步研究腦轉移具體機制提供可靠的造模方法。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 裸鼠與細胞

BALB/c nude裸鼠購自上海斯萊克實驗動物有限責任公司【SCXK（滬）2012-002】，18只，體重（16 ±2）g，4～6周齡，均為雌性，隨機編號1ˉ18（1ˉ9為胸腔原位種植組，10ˉ18為經左心室注射組），飼養于福建醫科大學動物實驗中心SPF級動物室【SYXK（閩）2012ˉ0001】；所用的飼料、水、墊料都經過嚴格滅菌處理，并按動物實驗的3R原則給予人道的關懷。PC-9人肺腺癌細胞系由華中科技大學同濟醫學院同濟醫院分子醫學中心惠贈。

1.1.2 試劑與設備

RPMI1640培養基（HyClone，美國）、胎牛血清（杭州四季青，中國）、0.25%Trypsin-EDTA（Gibco，美國）、Pen-strep雙抗（Gibco，美國）、倒置顯微鏡（奧林巴斯，日本）、生物安全柜和CO2培養箱（三洋，日本），舒銳insulin syringe 29G（BD，美國）。

1.2 方法

1.2.1 細胞培養

PC-9細胞常規培養于含10%胎牛血清，1% Pen-Strep雙抗，1%谷氨酰胺的RPMI 1640培養基中，置37℃、5%CO2的培養箱中培養；以0.25%胰酶消化傳代。

1.2.2 細胞懸液置備

鏡下觀察腫瘤細胞生長狀況良好時，取對數生長期的細胞，經胰酶消化制備細胞懸液，以2000 r/ min離心5 min，棄去上清液。加入無血清的1640培養基，吹打、再次2000 r/min離心5min，以無血清培養基稀釋至細胞密度為1×107/mL的單細胞懸液。

1.2.3 接種動物

胸腔原位種植組：裸鼠經5%水合氯醛麻醉，右側臥位固定，75%乙醇常規消毒裸鼠左側胸皮膚，于腋后線第6肋間進針（以進針突破感后再進針3～4 mm為準）。經左心室注射組：裸鼠經麻醉、仰臥位固定、消毒后，于胸骨左緣第二肋間旁開2 mm處進針（進針前調節好BD針頭至滯留空氣0.05 mL左右后，再吸取細胞液；進針3～5 mm，以觀察到血液噴射涌出作為進入左心室的標準；并在10 s內完成注射）。兩組均注入腫瘤細胞懸液0.1 mL（即1× 106個腫瘤細胞），注射完畢后快速拔針，棉簽按壓進針點。PC-9細胞經上述方法接種裸鼠各9只。接種后的裸鼠置于SPF環境內飼養，并密切觀察。

1.2.4 觀察與標本留取

期間定期稱重，觀察裸鼠的精神狀態、一般情況等，特別注意裸鼠是否出現共濟失調、偏癱、視物不明等，當裸鼠體重減輕20%或者低于16 g時，密切觀察是否出現嗜睡、行動遲緩等癥狀或異樣體征，并于裸鼠出現嚴重惡液質（主要表現為弓背、消瘦、精神萎靡、呼吸短促、食欲下降等）時處死。留取腦、肺、肝腎及可疑轉移灶處組織，經脫水固定、石蠟包埋、切片、HE染色，觀察。

2 結果

2.1 裸鼠的情況

兩組裸鼠注射過程中均未發生死亡。胸腔原位種植組：裸鼠于注射后第4～6周體重開始下降，并逐漸出現惡液質，期間并未出現顱腦變形，共濟失調、偏癱、跛行、視物不明等情況，全部裸鼠于第5～7周處死。經左心室注射組：裸鼠于第3周開始出現體重減輕，并逐漸出現惡液質，期間部分裸鼠出現偏癱、跛行、單側眼失明，并未出現顱腦變形等情況，全部裸鼠于第4周處死。

2.2 肺部成瘤、腦部轉移瘤及其他臟器轉移情況

胸腔原位種植組：3周后，第4、6、9號裸鼠胸壁可見瘤結凸起形成，漸增大。開胸后見：多個大小不一的灰白色瘤組織占據胸腔，雙側肋骨、胸膜、脊柱多發種植灶，雙肺被侵蝕壓縮、顏色蒼白、形態改變（圖1-A-B）。腦、肝、腎肉眼取材均未見轉移灶。病理HE示：殘留少數肺組織結構背景下，大量異常腺體形成，大小不一，多數與正常肺組織分界清楚，少數腺癌細胞侵入肺實質（圖2-A-B）；僅6號裸鼠出現腦轉移灶，直徑約2～3 mm（圖2-D）；肝、腎組織未發現轉移灶。經左心室注射組：開胸后：除11、18號裸鼠胸壁上見2～3個大小約為1～3 mm的瘤結形成，其余胸腔視野未見異常（圖1-C）；肺組織顏色潤紅、質軟、充氣良好，未見瘤結形成（圖1-D）。腦、肝、腎肉眼取材時未見到轉移灶（圖1-E）。病理HE示：9只裸鼠均出現大小不一的多發腦轉移灶（圖2-E-F）。肺、肝、腎未見轉移灶形成（圖2-C）。

注：A、B.胸腔原位種植組：胸腔-肺組織形態；C、D.經左心室注射組：胸腔-肺組織形態；E.經左心室注射組：腦；F.胸腔原位種植組：腹腔腫塊、腹腔積液。圖1 裸鼠解剖形態Note.A-B：Thorax and lung atautopsy in the orthotopic implantation group；C-D：Thorax and lung atautopsy in the left ventricular injection group；E：Brain feature in the left ventricular injection group；F：Abdominalmasses and effusion in the orthotopic implantation group.Fig.1 Macroscopic features of the nudemice

2.3 腦轉移率的比較

胸腔原位種植組腦轉移率為11.1%；經左心室注射組腦轉移率為100%。

3 討論

肺癌最常見的遠處轉移部位之一是腦部，肺癌腦轉移的發生率為23%～65%，是腦轉移性腫瘤中最常見的類型［2］。一直以來，人們致力于肺癌腦轉移發生機制的研究探索，希望能進一步改善肺癌腦轉移患者的生活質量、生存期。因此，建立一個合適的肺癌腦轉移實驗動物模型是非常必須的。

目前建立腦轉移實驗動物模型的方法主要有以下四種：①腦內局部原位種植［4ˉ5］。腦原位植入腫瘤細胞，造成腦轉移。②尾靜脈注射［6］。小鼠經尾靜脈注射腫瘤細胞，沿血液循環播散種植在腦中；③腫瘤“原發”部位種植［7ˉ9］。模擬肺癌、乳腺癌、前列腺癌、黑色素瘤等發生的腦轉移，相應地將腫瘤細胞或者腫瘤組織塊種植在肺、乳腺、前列腺、皮下來建立“原位”模型。④左心室［10ˉ12］或頸內動脈注射［13ˉ15］。經左心室或頸內動脈注射腫瘤細胞，沿血液循環播散種植在腦中。

注：A、B.胸腔原位種植組：肺組織瘤結；C.經左心室注射組：正常肺組織；D.胸腔原位種植組：腦轉移灶；E-F.經左心室注射組：腦轉移灶。圖2 裸鼠病理組織形態（HE染色×10）Note.A-B：Pulmonary pathology in the orthotopic implantation group；C：Normal lung tissue in the left ventricular injection group；D：Metastatic brain lesions in the orthotopic implantation group；E-F：Metastatic brain lesions in the left ventricular injection group.Fig.2 Pathology of the nudemice.H&E staining，×10

腦內原位種植，建模成功率高，但一般只有單發腫瘤，且不能模擬腫瘤細胞自原位形成、移行、侵入血管，透過血腦屏障的過程，在研究腫瘤腦轉移的發生機制上具有局限性。尾靜脈注射，腫瘤細胞經靜脈系首先滯留于肺部，只有那些通過肺毛細血管床及從肺部轉移灶脫離的腫瘤細胞方可進入體循環，進而形成腦轉移可能；且該方法實驗周期較長，腦轉移成瘤性不高。

腫瘤“原位”種植，就肺癌腦轉移研究上，可將肺癌細胞或組織塊經支氣管移植、胸腔注射等方法進行原位建模研究。該方法雖較好地模擬了腫瘤發生、發展、轉移的過程，但實驗周期長，動物模型的生長一致性差，不易形成對照；而且，支氣管移植的方法操作要求高、難度大；而胸腔種植又存在氣胸、腹腔轉移等情況。本實驗采用胸腔原位種植的方法，在注射過程中，裸鼠雖未出現呼吸急促、呼吸困難等氣胸表現；但存在胸腔廣泛種植情況，甚至轉移至腹腔，出現腹部腫塊、腹腔積液表現（圖1-F）；另外，9只裸鼠惡液質出現時間不一致，沒有形成良好對照；且病理HE示：僅有一只裸鼠出現腦轉移，轉移率低。我們猜想：這可能與裸鼠在腦轉移灶形成前，就因不堪胸腔負瘤狀態出現惡液質死亡有關。

左心室注射、頸內動脈注射的方法很好地模擬了肺癌的血道轉移過程：即通過肺毛細血管床的腫瘤細胞以及從形成的轉移灶脫離的腫瘤細胞進入左心室，隨血流流向腦部，產生腦轉移可能［12］。此外，該方法大大減少了肺毛細血管床對腫瘤細胞的滯留，增加了穿過腦實質的腫瘤細胞數量，并延遲因肺癌而導致的死亡，進而延長了腫瘤細胞在腦內生長、增殖的時間，從而獲得更高的腦轉移形成的成功可能［16ˉ17］。與頸內動脈注射方法相比，左心室注射雖然存在其他臟器轉移的可能，但操作方法相對簡單。按照“種子與土壤”轉移學說的觀點，進入動脈系統的腫瘤細胞形成特定器官的轉移，是腫瘤細胞異質性與靶器官微環境相互作用的結果，而與“血流機械”理論無關［18］。因此，經左心室注射進入體循環的腫瘤細胞，雖然開始沒有經歷肺毛細血管床的阻滯，但在后續過程中腫瘤細胞同樣要經過粘附、降解、遷移等過程，才能透過血腦屏障，形成腦轉移［19］。本實驗采用左心室注射的方法：裸鼠于第3周開始出現體重下降，并逐漸出現惡液質，裸鼠各階段生存狀況相一致；第4周裸鼠處死時，肉眼雖未見到肺、腦臟器表面異常結節形成，但病理HE示：全部裸鼠均出現大小不一的多發腦轉移灶，腦轉移率100%；而肺組織形態正常。我們推測，這與肺癌細胞直接經動脈系統進入腦組織有關。另外，就開胸后少數裸鼠胸腔內出現散在微小種植灶，我們考慮：左心室注射過程中，不可避免的導致腫瘤細胞漏出至胸腔或針道帶出的可能，期望通過加強左心室注射方法的練習得以改進。

綜上所述，就胸腔原位種植與經左心室注射建立肺癌腦轉移實驗動物模型的兩種方法，在操作簡并性與可行性上相當；但經左心室注射的方法，裸鼠各階段生存狀況相一致，且保證了更高的腦轉移率。

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Com parison between the establishmentmethods ofmousemodels of lung cancer brain metastases by intrathoracic orthotopic im plantation and by left ventricular injection

CHEN Yu-sheng，TU Xun-wei，YU Mei-e，LIN Xian，LIHong-ru
（Fujian Provincial Hospital，Fujian Medical University，Fuzhou 350001，China）

ObjectiveTo establish an appropriate animalmodel ofbrainmetastases from lung cancer in nudemice by thoracic orthotopic implantation in the chestor left ventricular injection，and to serve further studies on themechanisms of lung cancer brain metastasis.M ethodsPC-9 cells（1×106/0.1 mL）in logarithmic phase were respectively injected into 18 nudemice by orthotopic implantation in the chest or left ventricular injection（n=9 each group）.The statuses of nudemice were observed after implantation.Animals showing clear signs of dyscrasia were killed.At autopsy，the lung，brain，liver and kidney were removed and histological sectionswere stained with H/E to detect the presence of tumor cells.Resu ltsIn the thoracic orthotopic implantation group，three weeks after implantation，the number 4，6，9 mice showed tumor nodules in the chestwall，they began to loseweight in the fourth to sixth week differently，showing signs of dyscrasia gradually，and were sacrificed at the fifth to seventh week.The thoracotomy revealed that thewhole thorax was occupied bymany large lung cancermasses，spreading into bilateral ribs，pleura and spinal vertebra，with scarce eroded，compressed，pale and distorted lung tissues left.Histological examination with HE staining showed the presence of neoplasms in their lung tissues but only the number 6 mouse showed metastatic lesions in the brain tissue.In the left ventricular injection group，themice almost began to loseweight in the third week simultaneously and becamemoribund slowly，which were all sacrificed at the fourth week.After thoracotomy，the thoraxeswere clear except the number 11 and 18 mice which appeared 2-3 tiny tumor foci in the chestwall，with normal lung tissues.Histological examination with HE staining showed the presence of brain metastases in all the ninemice.The rate of brain metastases from lung cancer in the left ventricular injection group was 100%，compared with 11.1%in the thoracic orthotopic implantation group.ConclusionsThe establishment method ofmousemodel by left ventricular injection shows significantly higher rate of lung cancer brainmetastases than that by thoracic orthotopic implantation.

Brain metastases from lung cancer；Left ventricular injection；Intrathoracic implantation；Animal model；Mice

Q95-33

A

1005-4847（2015）05-0490-05

10.3969/j.issn.1005ˉ4847.2015.05.009

2015-03-04

國家衛生和計劃生育委員會科研基金（WKJ-FJ-17，2013-2016）；福建省立醫院優秀青年醫師項目（2014YNQN03）；福建省自然科學基金（2015J01376）。

陳愉生（1957年ˉ），女，教授，博士生導師。Email：slyyywb@126.com