肿瘤球形成

   传统的二维（2D）细胞体外培养，即细胞在单层中生长，已被用作评估生物活性分子的生物学性能工具，多用于治疗如帕金森病、艾滋病毒、糖尿病或癌症等不同的疾病。然而，单层细胞培养无法模拟肿瘤微环境元素及肿瘤球3D组织所赋予的结构和耐药性，而3D球体能够准确模拟实体瘤的某些特征，如空间结构、生理反应、可溶性介质分泌、基因表达模式和耐药机制等，因此3D细胞培养模型已经成为一个有前途的平台筛选抗癌疗法。

         3D肿瘤球培养方法

            1. 基于支架的3D细胞培养（水凝胶和插入物）

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在基于支架的3D培养中，细胞生长到模拟细胞外基质（ECM）结构的3D支架上。这些支架可由天然（如胶原蛋白）、半合成（如壳聚糖）或合成（如聚己内酯）生物材料组成，复合材料可以在孔隙率、渗透性等方面很好的模拟天然细胞外基质，模拟细胞与细胞间的相互作用以及细胞与细胞外基质间的相互作用，允许细胞在支架上聚集、增殖和迁移。）

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            2. 基于非支架的3D细胞培养

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非支架的3D细胞培养是一种简单的细胞培养方法，无需额外材料，利用细胞排斥材料处理的细胞培养器皿或使用悬滴等特殊系统开展细胞培养，避免细胞在培养皿表面黏附，使其聚集成团，从而形成细胞微球。          

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         肿瘤侵袭模型的建立

            1. 细胞异质性和细胞-细胞信号传导

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肿瘤球状体可仅由癌细胞（同型球状体）或癌细胞与其他类型细胞（异型球状体），如成纤维细胞、内皮细胞（如HUVECs或免疫细胞组成。此外，异型球状体可以有不同的癌症与基质细胞的比例，以更好地模拟实体肿瘤中发现的细胞异质性。此外，在3D球状体中，所有细胞密切接触生长，从而复制了在实体肿瘤中观察到的信号通路。          

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            2. 3D肿瘤球状体的内部结构

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与实体瘤一样，球形细胞的内部结构由不同的细胞层组成（图 1B）。外层由增殖率高的细胞组成，中层主要由衰老细胞组成，核心则是坏死细胞。球形外围细胞的高增殖率是因为它们更容易获得氧气和营养物质。相比之下，球体内的细胞由于缺乏氧气（缺氧）和营养物质而处于衰老或坏死状态。细胞层中的球形组织是导致抗癌药物或载药纳米载体疗效受损的原因。在球形体的内层，即缺氧区，药物通过形成活性氧促进细胞死亡的疗效降低。​

            3. 球状体中ECM沉积、ECM-细胞和细胞-细胞的物理相互作用

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3D球体内的细胞会沉积 ECM 成分，如胶原蛋白、层粘连蛋白、纤连蛋白、蛋白聚糖、腱鞘蛋白和其他成分。球体 ECM-细胞（α5- 和 β1-整合素）和细胞-细胞物理接触（如 E-粘连蛋白）形成了一道屏障，限制了抗癌化合物在肿瘤组织中的渗透和分布。此外，ECM蛋白的沉积和密切的物理相互作用增加了球状体密度，导致了组织流体压力（IFP）的增加。          

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            4. 3D肿瘤球状体生长动力学

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实体肿瘤的生长可分为两个主要阶段。在生长期，实体瘤的体积呈指数级增长，这也是无血管的生长阶段。之后细胞生长保持在休眠阶段，血管快速生长阶段开始。随后，癌细胞获得侵袭性并转移到远处。在球体中也发现了类似的生长模式，即在早期阶段，球体体积呈指数增长，直到直径达到200-500μm；随后，体积增长率开始减小，直到球体体积保持不变。这种生长曲线对于建立球状体的层状组织至关重要。

            5. 3D肿瘤球状体：基因表达谱

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细胞基因表达谱受到微组织特有的3D细胞组织的强烈影响。球体内的基因表达模式与在体内实体瘤中观察到的模式相似。研究者分析并比较了黑色素瘤细胞2D和3D球形培养物中编码趋化因子、促血管生成因子和细胞粘附分子的 179 个基因的表达模式，结果表明，大量基因在三维球形培养物中过度表达。这些过表达的基因在皮肤癌的进展、侵袭和坏死中起着至关重要的作用。此外，模拟结直肠癌、间皮瘤和肝脏肝细胞癌的三维球状细胞也有类似的结果。​

        JuLI™ Stage活细胞成像分析系统助力肿瘤球形成实验        

         JuLI™ Stage实时活细胞成像仪可根据拍摄图像形成生长曲线、合成生长视频、细胞计数、大小/面积分析等；具有全自动X-Y-Z轴以及Z-Stack功能，可完整采集清晰立体的图像；可自由设置多位点监测与全孔拼接；配备3D球体分析软件，实现多结果分析，得到完整数据。

        JuLI™ Stage活细胞成像分析系统在肿瘤球形成中的应用        

         我们挑选了一篇使用JuLI™ Stage活细胞成像分析系统应用在肿瘤球形成方向的代表性文章，来自艾克斯-马赛大学马赛癌症研究中心(CRCM)的研究团队在《EBioMedicine》期刊发表题为'Beta-blockers disrupt mitochondrial bioenergetics and increase radiotherapy efficacy independently of beta-adrenergic receptors in medulloblastoma'的文章    ，研究人员使用JuLI™ Stage活细胞成像分析系统实时监测球状体生长，在第0天、第7天、第14天以及第21天进行拍照，对比不同处理组球体生长变化。结果表明，低浓度的β受体阻滞剂显著增强了临床相关的放射治疗方案的效果。 尽管患者活检显示可检测到B-肾上腺素能受体表达，但重新利用的药物增强电离辐射的能力并不是由于抑制了信号通路。研究强调，组合治疗的功效取决于代谢阻滞，该阻滞剥夺了髓母细胞瘤的适应性生物能量学能力。这导致超氧自由基的过量产生，并最终导致电离辐射介导的DNA损伤增加。

             参考文献

             [1] Costa EC, Moreira AF, de Melo-Diogo D, Gaspar VM, Carvalho MP, Correia IJ. 3D tumor spheroids: an overview on the tools and techniques used for their analysis. Biotechnol Adv. 

                    2016 Dec;34(8):1427-1441.（IF16.0）

             [2] Rossi M, Talbot J, Piris P, Grand ML, Montero MP, Matteudi M, Agavnian-Couquiaud E, Appay R, Keime C, Williamson D, Buric D, Bourgarel V, Padovani L, Clifford SC, Ayrault O, Pasquier E, André N, 

                   Carré M. Beta-blockers disrupt mitochondrial bioenergetics and increase radiotherapy efficacy independently of beta-adrenergic receptors in medulloblastoma. EBioMedicine. 2022 Aug;82:104149.（IF11.1）