細胞的3D聚集體類球體的內部結構說明

細胞培養在腫瘤學、細胞生物學和組織工程中的應用正在增加。它提供了體外培養的可訪問性和靈活性，同時提供了一個更接近于體內組織 3D 結構的平臺。本綜述重點關注細胞的 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用、它們的生物學、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域需要改進的領域。
 
 
球狀體是細胞間的相互作用而不是附著在基質上時形成的 3D 細胞聚集體。當細胞不能與固定支持物（例如培養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。它依賴于在胚胎發生、形態發生和器官發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重要（Lee et al. 2012）。整合素是跨膜蛋白，可以與細胞外基質 (ECM) 成分結合，并作為網絡啟動細胞的聚集。然后，同源的 E-cadherin 相互作用將細胞緊密地包裝在一起，并使結構演變成一個緊湊的球體。
如果使用的細胞能夠產生 ECM 成分，它們可以鞏固結構，而細胞由于接觸相互作用而自主排列（Takezawa et al. 1993）。這創造了一個適應細胞的環境，類似于體內條件：依賴于 ECM 和細胞間相互作用的信號通路被適當激活，細胞微環境的組成和密度可以在球體內自動調節，不同來源的細胞可以分離隨著時間的推移復制一個類似體內的組織。
 
 
壓縮后，球體可以顯示多達三個不同的層，這些層可以調節細胞的表型（Nath 等人，2016 年）。擴散現象僅限于致密聚集體內部，氧氣僅少量到達其核心，生物廢物保留在最內層區域，只有球體的外層獲得足夠的養分來增殖（圖 1）。它可以導致三層結構，其中中心由壞死和缺氧細胞組成，核心被一層靜止細胞包圍，外圍細胞高度增殖并產生代謝物。這些不同域的大小取決于所使用的細胞、結構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細胞培養，已經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，營養物質和廢物在球體上的擴散足以維持整個結構的健康。
 
 
許多細胞類型已被證明能夠形成聚集體，例如分化的上皮細胞 (Xia et al. 2012 (Hepatocytes), Takezawa et al. 1993 (Fibroblasts))、間充質干細胞 (MSCs) (Qiu et al. 2015 (Qiu et al. 2015)脂肪來源的 MSCs)、Wang et al. 2009 (Human MSCs))、原代干細胞 (Kim et al. 2014 (鼠胚胎干細胞)) 和癌細胞系 (Froehlich et al. 2016 (MCF-7, SK-BR) -3, MDA-MB-231, 乳腺癌), Sirenko et al. 2015 (HCT116, 結腸癌, DU145, 前列腺癌, HepG2, 肝癌), Yamazaki et al. 2014 (HepG2, 肝癌))。不同細胞類型的共培養也是可能的，并且可能有助于創建更逼真的模型（Otsuka et al. 2013）。例如，成纖維細胞可以與癌細胞一起培養以形成更堅固的結構（Lee, JM et al. 2018）。來自同一組織的不同細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，可能會使用內皮細胞和形成朗格朗斯島的不同細胞（Jun et al. 2019）。
 

 
圖 1. 球體的內部組織 (A) 由壞死核心、一層靜止細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胞的消耗，球體內的氧濃度降低。(C) 生物廢物堆積在球體的核心，使核心更加酸性。(D) 幾種細胞類型可以在球體中共培養并自動排列。
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板，可將細胞直接鋪板在微結構化基底上，上面的錨定點有助于在介質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測的位置，可實現自動圖像采集分析。
下面是將細胞培養在一般的多孔培養板，和4DCell公司的產品比較：

法國4DCell公司提供的帶有錨定點的類球體微孔培養板，其產品結構示意圖如下：