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無基質(zhì)(Scaffold-Free)3D細胞球體的制備解析
更新時間:2023-02-21
技術(shù)文章
細胞在體內(nèi)緊密的空間排列使得單個細胞之間以及細胞與細胞外基質(zhì)之間能夠進行復(fù)雜的相互作用。這種排列為細胞提供了的線索,以指導(dǎo)特定的細胞功能和生長。為了在體外復(fù)制這種空間排列,可以在三維(3D)培養(yǎng)系統(tǒng)中培養(yǎng)細胞,使細胞與細胞聚集形成球體。
讓細胞聚集成細胞球體的無基質(zhì)(SCAFFOLD-FREE)3D細胞球體培養(yǎng)是構(gòu)建3D細胞球較為常見的方法。
其原理基于貼壁細胞趨向于聚集的生物特性,如腫瘤細胞、肝細胞等。
現(xiàn)階段,已有多種方法構(gòu)建細胞球體,如維持細胞在培養(yǎng)基中的懸浮培養(yǎng)(懸滴法、磁懸浮法、旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)法),或是利用低粘附孔板(U型板等)。不同的培養(yǎng)方法優(yōu)缺點是怎樣的?該如何選擇?相應(yīng)的3D細胞球體檢測和分析方法有哪些?
本期,EFL從3D細胞球體的制備、檢測及應(yīng)用三方面進行闡述,供大家參考與學(xué)習(xí)。
Scaffold-Free 3D 細胞球體制備方法
1. 懸滴法
簡介:
細胞通過重力沉積在懸掛液滴的底部,并逐漸形成球狀體。將一小滴細胞懸液(體積為10-30μL)種植在微孔板的蓋子上,然后將微孔板倒置,使細胞在重力作用下積聚在液滴的底部。
優(yōu)點:
具有高通量制備細胞球狀體的潛力。
缺點:
懸滴法通常涉及小體積液體操作,定期更換培養(yǎng)基和細胞染色都需要較高的實驗操作技能。此外,它耗時且勞動密集,難以實現(xiàn)3D多細胞球體的長期培養(yǎng)。
2. 磁懸浮
簡介:
利用磁場將含有納米顆粒的氧化鐵細胞團簇在一起形成球狀體。
優(yōu)點:
可控制細胞群的幾何形狀,能實現(xiàn)不同種細胞在共培養(yǎng)過程中的多細胞聚集。
缺點:
細胞球體的大小和形狀難以控制,均勻性差。
3. 旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)
簡介:
通過模擬微重力將細胞保持在動態(tài)液體中。沿其水平軸旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)容器以混合細胞。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器的速度,可以將流體沖擊力和剪切力降至。形成3D細胞球體后,反應(yīng)器繼續(xù)以特定速度旋轉(zhuǎn),以防止球體相互聚結(jié)。
優(yōu)
點
:
可模擬人體內(nèi)的動態(tài)條件,適用于細胞的長期培養(yǎng),便于大規(guī)模生產(chǎn)等。
缺點:
培養(yǎng)系統(tǒng)依賴性大,培養(yǎng)對象只能是各相同性的組織和器官,如軟骨、肝等,不適于各相異性的組織器官。
4.
超低粘附 U 型底多孔板
簡介:
非貼壁表面方法使細胞聚集成球狀體,盡可能的降低細胞貼附、蛋白吸收和酶活性,維持細胞以懸浮不貼壁的狀態(tài)生長。
優(yōu)點:
非粘附表面培養(yǎng)方法方便簡潔,可實現(xiàn)3D球體的長期培養(yǎng)和異質(zhì)細胞的共培養(yǎng)。
缺點:
對細胞活性要求較高,并不適用于所有細胞形成細胞球。
細胞球體檢測方法
1. 形態(tài)分析
光學(xué)顯微鏡:
可
測量直徑、面積、周長、固體度、圓度和球形度等屬性。
電子顯微鏡
可以觀察到粗糙度、孔隙、通道和其他參與細胞-細胞相互作用的結(jié)構(gòu),存在結(jié)構(gòu)倒塌、制備和鍍金步驟導(dǎo)致球體形態(tài)發(fā)生變化的風(fēng)險。
聚焦離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)
可自動生成z軸分辨率較高的三維圖像,近年來已被應(yīng)用于大尺度三維球體成像。
透射電鏡技術(shù)
則用于更詳細地分析球體中的超微結(jié)構(gòu)區(qū)室。
2. 細胞活力定性分析,用于三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)和細胞周期的表征
共聚焦激光掃描顯微鏡:
可以觀察球體的不同層,對于光線穿透受阻的大球體的分析不太有效,可通過將球體冷凍切片來解決。然而,由于切割過程本身,切片可能會產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)的形態(tài)畸變,需要使用軟件工具將切片連接起來,重建完整的球體圖像。
光片熒光顯微鏡(LSFM):
不需要樣品切片就可觀察樣品3D結(jié)構(gòu),能夠穿透更深的樣品。但雙光子的信號很弱,采集速度非常慢,不適合對大樣品進行動態(tài)成像,其成本較昂貴。
雙光子和多光子顯微鏡系統(tǒng):
具有超高靈敏度的直接探測器能記錄組織深層最細微的內(nèi)部結(jié)構(gòu),可有效地收集來自深層組織的微弱光子,使圖像更明亮。
3. 球狀體中活細胞的定量
球狀體中活細胞的數(shù)量可以通過
直接方法(如手動或自動計數(shù))和間接方法(通過比色法和生物發(fā)光測定)
來確定。
直接法:
球體必須分解成單獨的細胞,這一過程的難度取決于組成球體的細胞類型以及細胞產(chǎn)生的ECM的特征。
間接法
包括比色法和生物發(fā)光法。
比色法
基于細胞攝取染色劑的能力,當(dāng)分離或聚集成球狀時,球體內(nèi)化合物擴散的定量方法可能會顯示差異。生物熒光法被證明更可靠、更敏感、顯色化合物干擾更低、速度更快,因為不需要染色潛伏期,而使用其他方法時可能需要幾個小時。
具體的檢測方法可參考往期EFL推文
“細胞增殖與活性檢測的“規(guī)矩"?總有一條適用你"
4. 基因表達譜
蛋白質(zhì)印跡法(免疫印跡試驗)即Western Blot可識別細胞裂解液中轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)的存在,它是分子生物學(xué)、生物化學(xué)和免疫遺傳學(xué)中常用的一種實驗方法。
5. 細胞代謝
目前用于分析球形代謝功能的分析可以使用分析細胞外流的設(shè)備,并通過細胞外酸化率測量糖酵解,通過耗氧率測量氧化磷酸化。
6. 人類細胞圖譜(HCA)
HCA方法,這項技術(shù)是提高圖像捕獲效率、圖像處理算法和開發(fā)可靠的數(shù)據(jù)分析軟件的結(jié)果。HCA有潛力應(yīng)用于單個細胞、構(gòu)成球體的一組特定亞群或整體聚集的熒光標(biāo)記的分析,而不需要細胞分離。HCA需要自動顯微鏡,通常是熒光或共聚焦顯微鏡,以及強大的數(shù)據(jù)分析和存儲軟件,這導(dǎo)致初始投資很高。
細胞球體應(yīng)用
1、藥物療效和毒性試驗:藥物篩選
2、器官發(fā)育和先天性疾病的探究
3、大規(guī)模組織工程的發(fā)展:生物制造
4、生物3D打印
5、增加系統(tǒng)復(fù)雜性:微流體和高通量平臺
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