細(xì)胞的3D聚集體類球體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)說明

細(xì)胞培養(yǎng)在腫瘤學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和組織工程中的應(yīng)用正在增加。它提供了體外培養(yǎng)的可訪問性和靈活性，同時提供了一個更接近于體內(nèi)組織 3D 結(jié)構(gòu)的平臺。本綜述重點關(guān)注細(xì)胞的 3D 聚集體，也稱為球體或類器官。在這里，我們將討論它們的應(yīng)用、它們的生物學(xué)、使用這種模型的興趣、目前用于生成這些模型的不同方法以及該領(lǐng)域需要改進的領(lǐng)域。
 
 
球狀體是細(xì)胞間的相互作用而不是附著在基質(zhì)上時形成的 3D 細(xì)胞聚集體。當(dāng)細(xì)胞不能與固定支持物（例如培養(yǎng)板的塑料或玻璃表面）接觸時，就會滿足這些條件，并且它們開始以松散的聚集體自組裝。它依賴于在胚胎發(fā)生、形態(tài)發(fā)生和器官發(fā)生中觀察到的相同過程（Ryu et al. 2019）。整合素和 E-鈣粘蛋白已被證明在這一過程中至關(guān)重要（Lee et al. 2012）。整合素是跨膜蛋白，可以與細(xì)胞外基質(zhì) (ECM) 成分結(jié)合，并作為網(wǎng)絡(luò)啟動細(xì)胞的聚集。然后，同源的 E-cadherin 相互作用將細(xì)胞緊密地包裝在一起，并使結(jié)構(gòu)演變成一個緊湊的球體。
如果使用的細(xì)胞能夠產(chǎn)生 ECM 成分，它們可以鞏固結(jié)構(gòu)，而細(xì)胞由于接觸相互作用而自主排列（Takezawa et al. 1993）。這創(chuàng)造了一個適應(yīng)細(xì)胞的環(huán)境，類似于體內(nèi)條件：依賴于 ECM 和細(xì)胞間相互作用的信號通路被適當(dāng)激活，細(xì)胞微環(huán)境的組成和密度可以在球體內(nèi)自動調(diào)節(jié)，不同來源的細(xì)胞可以分離隨著時間的推移復(fù)制一個類似體內(nèi)的組織。
 
 
壓縮后，球體可以顯示多達(dá)三個不同的層，這些層可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的表型（Nath 等人，2016 年）。擴散現(xiàn)象僅限于致密聚集體內(nèi)部，氧氣僅少量到達(dá)其核心，生物廢物保留在最內(nèi)層區(qū)域，只有球體的外層獲得足夠的養(yǎng)分來增殖（圖 1）。它可以導(dǎo)致三層結(jié)構(gòu)，其中中心由壞死和缺氧細(xì)胞組成，核心被一層靜止細(xì)胞包圍，外圍細(xì)胞高度增殖并產(chǎn)生代謝物。這些不同域的大小取決于所使用的細(xì)胞、結(jié)構(gòu)是否非常緊湊以及球體的尺寸。對于本綜述中考慮的大多數(shù)細(xì)胞培養(yǎng)，已經(jīng)觀察到直徑大于幾百微米的球體存在壞死核心（Kim 等人 2020、Qiu 等人 2015、Nath 等人 2016）。低于這樣的尺寸，營養(yǎng)物質(zhì)和廢物在球體上的擴散足以維持整個結(jié)構(gòu)的健康。
 
 
許多細(xì)胞類型已被證明能夠形成聚集體，例如分化的上皮細(xì)胞 (Xia et al. 2012 (Hepatocytes), Takezawa et al. 1993 (Fibroblasts))、間充質(zhì)干細(xì)胞 (MSCs) (Qiu et al. 2015 (Qiu et al. 2015)脂肪來源的 MSCs)、Wang et al. 2009 (Human MSCs))、原代干細(xì)胞 (Kim et al. 2014 (鼠胚胎干細(xì)胞)) 和癌細(xì)胞系 (Froehlich et al. 2016 (MCF-7, SK-BR) -3, MDA-MB-231, 乳腺癌), Sirenko et al. 2015 (HCT116, 結(jié)腸癌, DU145, 前列腺癌, HepG2, 肝癌), Yamazaki et al. 2014 (HepG2, 肝癌))。不同細(xì)胞類型的共培養(yǎng)也是可能的，并且可能有助于創(chuàng)建更逼真的模型（Otsuka et al. 2013）。例如，成纖維細(xì)胞可以與癌細(xì)胞一起培養(yǎng)以形成更堅固的結(jié)構(gòu)（Lee, JM et al. 2018）。來自同一組織的不同細(xì)胞類型可以形成一個球體，更好地模擬所研究器官的組織和功能。在這種情況下，可能會使用內(nèi)皮細(xì)胞和形成朗格朗斯島的不同細(xì)胞（Jun et al. 2019）。
 

 
圖 1. 球體的內(nèi)部組織 (A) 由壞死核心、一層靜止細(xì)胞和外部增殖包膜組成的三層組織。(B) 由于擴散的限制和細(xì)胞的消耗，球體內(nèi)的氧濃度降低。(C) 生物廢物堆積在球體的核心，使核心更加酸性。(D) 幾種細(xì)胞類型可以在球體中共培養(yǎng)并自動排列。
Moshksayan et al. 2018
 
法國4DCell公司提供的帶有錨定點的類球體微孔培養(yǎng)板，可將細(xì)胞直接鋪板在微結(jié)構(gòu)化基底上，上面的錨定點有助于在介質(zhì)交換期間將球體保持在每個微孔中，使類球體保持在原位可預(yù)測的位置，可實現(xiàn)自動圖像采集分析。
下面是將細(xì)胞培養(yǎng)在一般的多孔培養(yǎng)板，和4DCell公司的產(chǎn)品比較：

法國4DCell公司提供的帶有錨定點的類球體微孔培養(yǎng)板，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如下：