三維腫瘤微環(huán)境力學(xué)研究的技術(shù)瓶頸

細(xì)胞體積、細(xì)胞核形態(tài)與細(xì)胞剛度是調(diào)控腫瘤增殖、成團(tuán)、侵襲轉(zhuǎn)移的核心力學(xué)表型。相較于二維平板培養(yǎng)，3D 水凝膠、腫瘤球體、類器官更貼合體內(nèi)腫瘤微環(huán)境，但傳統(tǒng)檢測手段存在難以逾越的局限：

• 接觸式力學(xué)檢測（AFM、微針）：需機(jī)械探針觸碰樣本，破壞 3D 多細(xì)胞結(jié)構(gòu)，無法原位追蹤球體內(nèi)部細(xì)胞力學(xué)變化；

• 熒光 / 共聚焦成像：僅能觀測細(xì)胞形態(tài)、周期分布，無法定量獲取細(xì)胞剛度、折射率、含水量等力學(xué)參數(shù)；

• 標(biāo)記類成像手段：熒光染料易引發(fā)光毒性、光漂白，長期活體培養(yǎng)實驗會干擾細(xì)胞原生生理狀態(tài)；

• 空間分辨率局限：難以區(qū)分腫瘤球體核心細(xì)胞與外周侵襲細(xì)胞的原位力學(xué)梯度，無法同步關(guān)聯(lián)細(xì)胞核尺寸、細(xì)胞質(zhì)擁擠度與彈性模量變化。

現(xiàn)有研究僅能通過細(xì)胞周期理論部分解釋 3D 腫瘤細(xì)胞體積縮小現(xiàn)象，缺少無標(biāo)記、非侵入、三維同步定量的力學(xué)表征工具，難以厘清   “細(xì)胞密度 — 含水量 — 體積 — 剛度" 完整調(diào)控通路。德國德累斯頓工業(yè)大學(xué) Taubenberger 課題組依托CellSense 生物型布里淵顯微鏡Discoverer，突破傳統(tǒng)技術(shù)壁壘，完整解析單細(xì)胞向多細(xì)胞腫瘤球體轉(zhuǎn)化、腫瘤細(xì)胞向外侵襲全過程的細(xì)胞體積可塑性與力學(xué)演變規(guī)律，成果發(fā)表于期刊《Advanced Science》。

生物型布里淵顯微鏡研究優(yōu)勢

• 無標(biāo)記 + 非接觸無損測量，適配長期活體 3D 腫瘤模型：采用 780 nm 近紅外低光毒激光，全程無需熒光染色、無機(jī)械探針接觸，可對 PEG -   肝素水凝膠內(nèi)活體 MCF-7 乳腺癌球體開展長達(dá) 14 天的時序追蹤，有助于維持細(xì)胞原有的滲透壓、含水量與力學(xué)狀態(tài)，減少染料和機(jī)械擠壓對實驗結(jié)果的影響。

• 三維力學(xué)成像：無需機(jī)械接觸，即可直接獲得三維空間的力學(xué)信息，檢測范圍覆蓋細(xì)胞器、單細(xì)胞、細(xì)胞球、類器官、復(fù)雜組織，以及斑馬魚、秀麗隱桿線蟲等生物，尤其適合活體研究；

• 快速掃描：可以對細(xì)胞力學(xué)信號進(jìn)行快速mapping，大幅提升檢測效率；

• 高兼容性易集成：可與實驗室常規(guī)的正置、倒置顯微鏡或者共聚焦聯(lián)用；

• 操作簡單：全自動化儀器設(shè)置與校準(zhǔn)，無需復(fù)雜調(diào)試流程。

圖1.   生物型布里淵顯微鏡Discoverer

3D 乳腺癌球體體積與力學(xué)調(diào)控機(jī)制研究

來自德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)的Taubenberger課題組，在3D水凝膠基質(zhì)中，由單個癌細(xì)胞培養(yǎng)出多細(xì)胞結(jié)構(gòu)，以模擬早期腫瘤的形成。單細(xì)胞在形成多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的過程中，其細(xì)胞和細(xì)胞核體積顯著縮小，部分可歸因于細(xì)胞周期的改變。然而，課題組使用CellSense 生物型布里淵顯微鏡-Discoverer發(fā)現(xiàn)，獨(dú)立于細(xì)胞周期效應(yīng)，與單細(xì)胞相比，多細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞具有增加的質(zhì)量密度和更高的布里淵頻移，其細(xì)胞質(zhì)更為擁擠且可壓縮性降低，表明單細(xì)胞和多細(xì)胞系統(tǒng)之間的細(xì)胞體積調(diào)節(jié)機(jī)制存在差異。

課題組著手研究了單細(xì)胞在模擬細(xì)胞外基質(zhì)的水凝膠中形成球體時的體積變化，以此作為腫瘤微組織形成的體外模型。課題組將單個MCF-7乳腺癌細(xì)胞包埋在力學(xué)性能可調(diào)且MMP（基質(zhì)金屬蛋白酶）可裂解的PEG-肝素水凝膠中。在第1天以單細(xì)胞為主；到第4天可形成約4-30個細(xì)胞組成的小細(xì)胞簇（圖2B）。在第14天，可觀察到直徑約為100-160µm的較大球體，通常包含200多個細(xì)胞（圖2B）。

圖2.   在水凝膠中由單細(xì)胞構(gòu)建多細(xì)胞結(jié)構(gòu)

通過共聚焦顯微成像等方法，課題組首先確認(rèn)了與單細(xì)胞相比，球體內(nèi)細(xì)胞的細(xì)胞核體積大幅縮小。其次，實驗和理論模型均表明，細(xì)胞周期向變化可以解釋隨著培養(yǎng)時間推移所觀察到的細(xì)胞及細(xì)胞核體積的縮小。然而，與理論模型相反，與單細(xì)胞相比，與單細(xì)胞相比，實驗中 S/G2 期細(xì)胞的積聚并未使縮小的細(xì)胞核體積恢復(fù)至單細(xì)胞水平，暗示在多細(xì)胞狀態(tài)下，存在導(dǎo)致細(xì)胞核體積變化的額外因素。

課題組發(fā)現(xiàn)，從多細(xì)胞結(jié)構(gòu)中游離出來的細(xì)胞，其細(xì)胞核體積與原位測量的體積相比有顯著增加（圖3A），猜測游離后相對較快的細(xì)胞核體積膨脹是由于通過改變細(xì)胞內(nèi)水分含量來進(jìn)行細(xì)胞體積調(diào)節(jié)所致。通過比較水凝膠內(nèi)MCF-7單細(xì)胞和小細(xì)胞簇（第1天和第4天）的折射率，得出細(xì)胞簇具有更高的質(zhì)量密度（圖3E）。細(xì)胞質(zhì)量密度的變化也會影響細(xì)胞的可壓縮性。因此，課題組使用CellSense的布里淵顯微鏡繪制了單細(xì)胞和多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的彈性特性分布圖（圖3F），發(fā)現(xiàn)與小細(xì)胞簇（第4天）和單細(xì)胞（第1天）相比，MCF-7球體（第14天）的布里淵頻移顯著更高，表明縱向模量隨著細(xì)胞簇的增大而相對增加（圖3G）。生長中的細(xì)胞簇內(nèi)的細(xì)胞縮小了其細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核體積，除了上述細(xì)胞周期分布的調(diào)整外，這很可能是由細(xì)胞的相對細(xì)胞內(nèi)水分含量減少所引起的，而這也影響了細(xì)胞的力學(xué)特性。

圖3.   多細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞具有更緊密的細(xì)胞質(zhì)和更低的可壓縮性

接下來，課題組考慮了相反的情況，即起源于腫瘤球體的細(xì)胞以單個細(xì)胞或小群細(xì)胞的形式侵襲周圍基質(zhì)。因此，課題組建立了一種侵襲性腫瘤的體外模型（圖4A），發(fā)現(xiàn)與球體內(nèi)細(xì)胞相比，侵襲細(xì)胞的細(xì)胞核體積顯著更大（圖4B）。CellSense布里淵顯微結(jié)果表明，與球體核心內(nèi)的細(xì)胞相比，球體侵襲結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞具有較低的布里淵頻移（圖4C,D）。這些結(jié)果表明，與球體核心結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞相比，侵襲細(xì)胞的細(xì)胞核體積增大，且同時剛度較低。對于導(dǎo)管原位癌（DCIS）和浸潤性導(dǎo)管癌（IDC）的臨床組織標(biāo)本的檢測發(fā)現(xiàn)，在IDC中，與位于核心或中間區(qū)域的細(xì)胞核相比，侵襲結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞核顯著變大（圖4F）；反之，在DCIS中，從核心向外周并未觀察到細(xì)胞核大小呈現(xiàn)連續(xù)的梯度變化（圖4G）。體外和體內(nèi)實驗的結(jié)果都表明，在單細(xì)胞向多細(xì)胞轉(zhuǎn)變過程中觀察到的體積變化，可在細(xì)胞遷出細(xì)胞簇的條件下（如侵襲性腫瘤細(xì)胞的情況）發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

圖4.   多細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞具有更緊密的細(xì)胞質(zhì)和更低的可壓縮性

在本研究中，課題組發(fā)現(xiàn)在3D環(huán)境中單細(xì)胞形成多細(xì)胞結(jié)構(gòu)時，細(xì)胞核和細(xì)胞體積會發(fā)生急劇減小。除了細(xì)胞周期分布的改變以外，通過布里淵顯微成像發(fā)現(xiàn)，由于相對含水量減少導(dǎo)致的細(xì)胞體積縮小，這與質(zhì)量密度和整體細(xì)胞剛度的增加有關(guān)；反之，在單細(xì)胞從球體向外侵襲的侵襲性腫瘤體外模型中，觀察到了相反的趨勢，即細(xì)胞的細(xì)胞核體積增大且剛度降低，突顯了研究腫瘤生長和進(jìn)展過程中細(xì)胞核體積變化可塑性的重要性，為多細(xì)胞狀態(tài)下以及腫瘤發(fā)生和侵襲相關(guān)過程中的細(xì)胞體積調(diào)節(jié)提供了新的見解。

本方案可解決您的哪些課題需求？

1. 腫瘤力學(xué)生物學(xué)方向

• 3D 腫瘤球體、類器官時序力學(xué)追蹤，解析增殖成團(tuán)過程體積 / 剛度調(diào)控；

• 腫瘤侵襲、轉(zhuǎn)移前后細(xì)胞力學(xué)表型差異定量；

• 臨床腫瘤組織切片原位力學(xué)分區(qū)，區(qū)分原位病灶與浸潤區(qū)域；

• 基質(zhì)剛度、MMP 降解微環(huán)境對細(xì)胞滲透壓、細(xì)胞核形態(tài)的調(diào)控研究。

2. 通用 3D 類器官 / 干細(xì)胞研究

無標(biāo)記長期監(jiān)測類器官發(fā)育過程中細(xì)胞密度、彈性動態(tài)變化，避免染色干擾干細(xì)胞分化狀態(tài)。

3. 生物材料與細(xì)胞互作

定量水凝膠、支架基質(zhì)力學(xué)對細(xì)胞含水量、細(xì)胞體積、皮層張力的調(diào)控，同步采集材料與細(xì)胞力學(xué)圖譜。

4. 其他拓展方向

角膜無損力學(xué)檢測、植物組織形態(tài)發(fā)生、小型模式生物（斑馬魚）活體三維力學(xué)成像、以及軟物質(zhì)與聚合物彈性表征。

總結(jié)

傳統(tǒng)力學(xué)檢測工具無法兼顧活體 3D 樣本、無標(biāo)記、非接觸、原位三維同步定量四大需求，CellSense 生物型布里淵顯微鏡 Discoverer 為 3D 腫瘤、類器官力學(xué)生物學(xué)研究提供了新的表征手段。

德國 Taubenberger 課題組依托該設(shè)備完整揭示早期腫瘤形成、侵襲全過程的細(xì)胞體積可塑性與力學(xué)調(diào)控機(jī)制，產(chǎn)出高水平成果。對于從事 3D 細(xì)胞培養(yǎng)、腫瘤微環(huán)境、細(xì)胞力學(xué)、類器官發(fā)育的科研團(tuán)隊，本套無損三維力學(xué)成像解決方案可一站式獲取細(xì)胞核形態(tài)、細(xì)胞密度、含水量、彈性模量多維度定量數(shù)據(jù)，為解析細(xì)胞物理調(diào)控機(jī)制、挖掘腫瘤轉(zhuǎn)移標(biāo)志物提供全新核心技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]. Mahajan, V., Babu, K. G., Mukenhirn, M.,   Garside, A., Kini, V. A., Adhikari, T., ... & Taubenberger, A. V. (2026).   Cells dynamically adapt their nuclear volumes and proliferation rates during   single to multicellular transitions. Advanced Science, 13(31), e24325.