多形性胶质母细胞瘤是主实质脑肿瘤的最常见和侵略性的形式。治疗通常包括同时放疗和化疗的手术;然而，预后仍然很差，中位生存期仅为几个月。虽然许多潜在因素导致其他有希望的多形性胶质母细胞瘤疗法的效果差，但一个主要但有争议的限制是跨血脑屏障和血肿瘤屏障的异质药物递送。血脑屏障为药物输送到正常大脑提供了物理和生化障碍，并且排除了大多数肿瘤药物。所述血脑屏障通常被认为是在多形性胶质母细胞瘤被破坏，通过在肿瘤区域上的磁共振图像正常脑造影剂的积累证明。然而，成像可检测的对比度水平与小分子浓度之间的关系尚未得到很好的表征。此外，下面的所有对比度增强肿瘤全切除毛众多图像引导的活检研究和失败的图案表明，断然，所有多形性胶质母细胞瘤的显著部分侵入组织超出对比度增强的区域。因此，血脑屏障的不均匀干扰可能影响药物递送整个多形性胶质母细胞瘤肿瘤，将所得异构药效学对肿瘤细胞存活的影响可以是限制在多形性胶质母细胞瘤测试了许多疗法的功效的关键因素。
　　 多形性胶质母细胞瘤的一个共同的遗传特征是表皮生长因子受体的过表达。表皮生长因子受体基因扩增发生在多形性胶质母细胞瘤，并且这些肿瘤中几乎一半具有额外的截短或点突变，这导致配体非依赖性，高水平的组成型信号传导。失调的表皮生长因子受体信号传导促进细胞增殖，迁移，侵袭和凋亡受损。厄洛替尼是第一代表皮生长因子受体酪氨酸激酶抑制剂批准的用于治疗非小细胞肺癌的，具有与在表皮生长因子受体激酶结构域的活化突变在腺癌显著活动。基于激活的频率和表皮生长因子受体信号传导的重要性，一直有兴趣评估多形性胶质母细胞瘤中的各种表皮生长因子受体抑制剂。在药代动力学研究中，厄洛替尼在患者脑脊液中的测量浓度与临床前研究中的有效浓度相似;然而，知之甚少埃罗替尼脑脊液浓度怎样涉及在人脑和肿瘤组织中的浓度和埃罗替尼分布的异质。在临床前模型中，厄洛替尼在正常小鼠脑中的分布有限，并且与肿瘤中血脑屏障的异质分布可能限制疗效的概念一致在新诊断或新诊断的患者中测试厄洛替尼的临床试验中仅观察到边际活动。复发性多形性胶质母细胞瘤。厄洛替尼是已知可用于在血脑屏障，糖蛋白的主要外排蛋白的和乳腺癌耐药蛋白的基板。如在神经胶质瘤的侵袭区域中发现的，限制厄洛替尼穿过完整血脑屏障的渗透性的主动外排机制可能部分地导致缺乏足够的递送并因此导致多形性胶质母细胞瘤中的功效。虽然这些临床研究表明厄洛替尼不是多形性胶质母细胞瘤的可行疗法，但还有许多其他小分子表皮生长因子受体抑制剂正在开发中，并且在血脑屏障中具有可变分布。因此，本文报道的研究提供了“失败分析”以理解厄洛替尼肿瘤分布的局限性并描述可用于评估和提名最有希望的药物用于多形性胶质母细胞瘤临床测试中的评估和提名的多模式平台。
　　 成功评估多形性胶质母细胞瘤的新疗法需要更好地了解许多生理和药理学参数的影响。在这里，我们提出了一种新的多模式方法，以响应厄洛替尼在多形性胶质母细胞瘤患者衍生的异种移植物模型中探测这些参数。简而言之，磁共振成像加权高信号和加权对比增强图像区域允许近似描绘肿瘤。通过基质辅助激光解吸电离质谱成像分析离体组织切片以分析药物和药物代谢物分布，并且鉴定为肿瘤的代谢生物标志物的离子允许准确描绘肿瘤区域。通过受激拉曼散射显微镜对连续切片进行成像，产生蛋白质脂质和血红素分布的高分辨率图像，从而评估脑和肿瘤组织微结构的差异。图像与磁共振图像共同配准，以提供对各种成像参数的药物分布的全面理解。药物水平评估与激光捕获显微切割配对，随后分析异质药物递送区域的转录反应。颅内和侧翼异构药效学的比较研究包括在实验设计中，以评估药物递送的差异和血脑屏障对转录和蛋白质信号传导水平的治疗反应的影响。
　　显示厄洛替尼，血红素，厄洛替尼的活性代谢物厄洛替尼和的未鉴定离子的离子图像，通过与比较发现其映射到肿瘤区域。使用内部'生物标记'来绘制不同的组织特征可以提供比或其他染色技术更准确的比较，因为连续切片经历单独的制备并且经受不同的变形。有趣的是母体和代谢物表现出不同的分布，代谢物分布比母体药物更广泛，并且在侧脑室中检测到相对高的浓度。通过计算离子图像对之间的相关系数来测量不同离子之间的共定位，在母体药物和药物代谢物之间观察到最高的共定位，并且母体药物和代谢物显示出与肿瘤生物标志物类似的共定位，表明对靶区域具有相似的特异性。来自相同动物的磁共振图像和图像被共同登记以建立血脑屏障破坏，药物分布和肿瘤微环境之间的关系。为了评估与组织学和磁共振成像相关的药物分布，将非刚性配准应用于减少的数据集，并将厄洛替尼映射到对齐的坐标。药物和磁共振图像之间的叠加图像可以看到。药物离子图像和组织学之间的配准揭示了肿瘤区域内药物分布的异质性程度。磁共振图像中高对比度的区域相似，药物信号强度在磁共振图像中的高对比度区域内最高，如使用从磁共振和厄洛替尼图像分割的三个不同感兴趣区域的掩模图像测量的。厄洛替尼在肿瘤侵袭性边缘处的低强度超出磁共振图像的对比增强区域表明肿瘤细胞的显着部分是曝光不足的。总之，这些数据表明厄洛替尼药物水平升高但在肿瘤内高度可变。
　　 受激拉曼散射显微镜用于提供脑和肿瘤微环境的化学成分的高空间分辨率图像。获得用于的脑的连续切片中的蛋白质，脂质和血红素的受激拉曼散射图像。多色受激拉曼散射图像显示细胞形态，并证明了细胞和组织中不同化学类别的相对水平：蛋白质，脂质和血红素。由于高度包装的癌细胞体，在肿瘤核心中检测到更高水平的蛋白质。在脑肿瘤边界，观察到肿瘤边缘的髓鞘轴突纤维的压缩或重组以及侵入正常脑组织的癌细胞。在正常脑结构中，由于脂质蛋白质浓度差异，白质和灰质被区分。连续切片的相应图像证明了受激拉曼散射成像提供标准组织学无法提供的详细空间和化学信息的能力。厄洛替尼和受激拉曼散射图像的叠加，共同登记图像提供了研究药物分布及其与脑组织结构，形态和化学成分的相关性的手段。图像显示富含蛋白质的肿瘤核心含有较高浓度的药物。在肿瘤边缘，观察到具有较高脂质含量和较低药物含量的反比关系。在第三脑室中检测到一个小的，高度局部的高药物浓度区域。总之，这样的初步观察表明厄洛替尼可以进入肿瘤核心，但在正常脑区域内，肿瘤浸润边缘和肿瘤与白质之间的界面处的完整血脑屏障的扩散有限。
　　 进行定量以测量低剂量和高剂量厄洛替尼下脑和侧腹肿瘤中每个像素的绝对浓度。通过分析含有已知量厄洛替尼的组织模拟模，并产生校准曲线。通过测量的正常脑中的计算药物浓度，感兴趣区域和侧腹肿瘤与在正常和肿瘤中使用分析性测定法测量的相似。承担组织，从而验证使用进行厄洛替尼定量。定量仅在每个处理组中对一只动物进行，但与测量结果一致表明通过分析的动物代表该组和还提供了动物之间变异的量度。在该研究中获得的厄洛替尼的脑血浆比率与先前在大鼠神经胶质瘤模型中测量的那些相似。在颅内异构药效学厄洛替尼的平均浓度在给药被认为是相似的，以在给药所述肿瘤检测的浓度略高。这可能是由于给药动物中靠近脑表面的相对良好的血管化肿瘤。将颅内肿瘤进一步分割成核心和侵入边缘显示相对于肿瘤核心边缘处药物浓度降低几倍。在核心和边缘之间的侧腹肿瘤中没有观察到药物浓度的差异。厄洛替尼的浓度是在给药颅内肿瘤类似，厄洛替尼的在侧翼肿瘤的平均浓度是剂量依赖性。接下来使用这些浓度值来关联在进一步分析颅内和侧腹肿瘤中检测到的剂量相关反应。与侧腹肿瘤相比，颅内中总体平均药物浓度的差异不足以解释厄洛替尼在多形性胶质母细胞瘤中缺乏功效。低剂量和高剂量的颅内肿瘤中厄洛替尼的总体平均药物浓度与低剂量的侧腹肿瘤相似。组织显示与侧脑肿瘤中的安慰剂相比，降低的表皮生长因子受体水平与低剂量和高剂量的厄洛替尼相关，但在厄洛替尼浓度相似的颅内肿瘤中没有。综合考虑这些结果，似乎颅内和侧腹肿瘤中相同浓度的药物对表皮生长因子受体没有相同的作用。然而，仔细检查数据显示，在颅内肿瘤的不同区域检测到不同浓度的厄洛替尼;在肿瘤核心与边缘测量的浓度较高。此外，血红素和厄洛替尼图像之间的共定位提供了药物可用性的指示，即药物是否已离开血管并进入脑肿瘤组织。与侧翼相比，在颅内肿瘤中观察到药物和血红素之间的更高相关性，这表明该药物在颅内肿瘤中较少可用。在肿瘤边缘观察到药物和血红素之间的最高相关性，进一步表明该药物对肿瘤的浸润部分最不可用。因此，虽然肿瘤核心接受了大量在侧腹具有所需治疗效果的药物，但肿瘤边缘却没有。
　　 厄洛替尼的受激拉曼散射显微镜图像和离子图像的配准使得药物的分布与组织的化学组成相关。厄洛替尼与高脂质浓度区域呈几乎反比关系。药物图像中强度最高的区域与富含蛋白质的肿瘤核心相对应。在富含脂质的白质区域的界面处和界面处检测到较低的药物相对浓度。这两种成像方式的组合证明了药物分布如何与各种组织的全球化学含量相关，并进一步证明了肿瘤中药物分布的有限和异质性质。由于未结合部分的区域特异性变化，不同肿瘤区域中非特异性结合的差异可导致不同浓度的游离药物。组织化学成分的差异，如肿瘤核心，外周肿瘤边缘，正常脑，甚至侧腹肿瘤，可能导致游离药物浓度的差异，因此是决定疗效的一个因素。用厄洛替尼的离子图像配准磁共振图像证明药物分布与肿瘤的对比增强部分重叠，并且高药物强度区域大于对比增强部分。这表明造影剂和厄洛替尼具有不同的分布，正如对具有不同物理化学性质和药代动力学的分子所预期的那样，但是当使用对比度增强磁共振来间接评估药物分布时，其大多被忽视。此外，尽管磁共振图像异常中的药物水平普遍增加，但药物水平变化很大。蛋白酪氨酸磷酸化信号网络的激活或抑制应该导致转录网络的随之改变，转录网络本身可以反馈以改变磷酸信号传导;总之，这些调节网络控制许多细胞对扰动的反应，包括用激酶抑制剂治疗。整合的磷酸化蛋白质组学和磁共振测序数据显示，蛋白质信号传导途径的抑制不一定与各自的转录水平相关。用厄洛替尼处理的表皮生长因子受体药代动力学的磷酸化的变化与它们各自的转录物无关，这可能表明磷酸化的变化是由于信号传导的改变而不是由于转录和翻译。
　　分析从高剂量颅内肿瘤的四个象限分离的磁共振，表明颅内处理的肿瘤在转录水平上与这两个较低剂量的侧翼群组更相似。虽然颅内象限的差异基因表达和独创性途径仅限于考虑所有基因过滤掉低丰度基因和批次序列效应，但总体结果提供了在颅内和侧翼中观察到类似剂量相关反应的证据。肿瘤暴露于相对相似的药物水平。应当注意，在单次剂量的厄洛替尼后分析颅内肿瘤，而侧腹肿瘤在给药三次并在最终剂量后几小时处死。两个小时后，颅内肿瘤中的药物浓度与低剂量侧翼测量的相似，并且磁共振标记的转录组学分析验证了药物浓度。此外，磁共振转录物快速变化，这与颅内肿瘤转录物特征与低剂量侧腹肿瘤的特征相似。考虑到本研究的广泛影响，考虑模型特定的限制很重要。小鼠血脑屏障的完整性显然是评估药代动力学的关键因素;最近比较无胸腺裸鼠和免疫活性小鼠的血脑屏障通透性，发现血浆和正常脑组织中药物普纳替尼，另一种酪氨酸激酶抑制剂浓度无差异。已显示脑肿瘤中血脑屏障的妥协主要归因于细胞因子的肿瘤细胞分泌，其导致对紧密连接的局部效应，以及血脑屏障其他结构特征。这种对血脑屏障的细胞因子作用已显示存在于无胸腺小鼠表明本文所述的异构药效学模型是多形性胶质母细胞瘤中药代动力学异构药效学研究的合适模型。异构药效学模型的使用需要缺乏免疫系统，因此炎症反应将受到损害;在未来的工作中，我们将考虑使用多形性胶质母细胞瘤的基因工程小鼠模型，以保留和研究完整免疫系统的效果。除了使用异构药效学模型可能存在的问题;在这项工作中，我们考虑了单个多形性胶质母细胞瘤异种移植模型，很可能由于不同多形性胶质母细胞瘤肿瘤之间基因型和表型的异质性，在其他模型中会观察到药代动力学和异构药效学的差异。总体而言，我们提出颅内异构药效学肿瘤的显着部分接受不足的药物水平以成功抑制表皮生长因子受体酪氨酸激酶信号传导，并且这可能是由于血脑屏障施加的限制和组织特征。该结论是基于厄洛替尼与其他化学和功能标志物的分布成像而得出的，并证明了多模式平台在建立药物药代动力学和异构药效学之间关系方面的能力。