该方法用于评估癌细胞从类球体向周围三维基质的侵袭。类球体通过悬滴培养法生成，随后包埋于含有基底膜成分和I型胶原的基质中，继而监测类球体外的侵袭情况。
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摘要
摘要
癌细胞系的侵袭性被认为与其转移潜能相关。然而，大多数传统检测方法并未在三维环境中考察这些侵袭特征，导致所得数据的生物学适用性降低。本文介绍了一种在生理相关条件下可视化细胞系侵袭能力的方法。癌细胞球体侵袭实验首先利用重力作用，在悬挂在细胞培养皿盖上的培养基液滴中形成球体。随后，将这些球体嵌入由基底膜材料与I型胶原混合组成的三维基质中。接着，随时间推移监测癌细胞从球体向周围基质中的迁移情况。本文所述方法可进行修改，以检测不同类型细胞共培养后、添加药物/抑制剂后，或细胞外基质（ECM）成分改变后的侵袭行为。
引言
已知癌细胞的运动能力可预测其转移潜能，因为这种行为有助于癌细胞穿过基底膜并进入循环系统。1大多数关于运动性的研究集中于细胞在二维（2D）环境中的行为，尽管目前普遍认识到，细胞在三维（3D）基质中的运动更能真实反映这些细胞的实际行为方式 体内2三维培养系统正被越来越多地用于研究细胞行为，范围涵盖细胞形态、生长动力学以及药物敏感性3在三维微环境中监测癌细胞侵袭能力的需求，推动了已有技术的整合与发展，其中通过悬滴培养法生成三维细胞聚集体（球状体）是关键技术之一4，随后将这些球体嵌入由胶原蛋白和基底膜成分构成的三维细胞外基质（ECM）中5该方法旨在通过提供一种简化的操作流程，改进此前已建立的技术，以便在多种实验条件下轻松地比较侵袭能力。
评估细胞运动性的更传统方法 体外 划痕损伤实验和Transwell实验6前者在二维环境中描述细胞运动能力，因此不依赖于多种对 体内 侵袭， 例如 蛋白酶活性7Transwell 实验在小室插入物包被了细胞外基质（ECM）底物后能更好地模拟细胞侵袭，但仅能提供单一参数， 即 对侧膜表面细胞的出现情况进行测量，因此细胞侵袭的许多细微特征难以直接观察。与这些技术不同，肿瘤细胞球体侵袭实验（图1可实现实时监测细胞侵袭过程，其环境不仅具有生理相关性，还能可视化重要的细胞系特异性特征，例如单个细胞迁移与集体细胞迁移。8该方法相较于标准的3D培养生长检测也具有优势。通过悬滴法生成细胞聚集体时，细胞运动最初受到限制，从而促使细胞在限制解除后发生侵袭。此外，一旦限制解除，细胞外移将沿一致的方向进行，便于后续定量分析。
用于癌细胞球体实验的最常用细胞外基质（ECM）材料是Matrigel和I型胶原蛋白，这些组分在影响转移行为方面各自具有重要且不同的作用。Matrigel是由Engelbreth-Holm-Swarm小鼠肉瘤细胞分泌的蛋白质混合物，富含基底膜蛋白，如层粘连蛋白（laminin）、巢蛋白（entactin）和IV型胶原蛋白9。因此，Matrigel在本文中被称为“基底膜材料”。这些基底膜材料不仅提供了癌细胞侵袭过程中整合素黏附所需的必需配体10，还含有多种对细胞行为产生广泛影响的其他蛋白质11。相比之下，I型胶原蛋白通常由肌腱及其他致密胶原结构经酸消化制备12，是一种更为简单的基质材料，作为结缔组织和间质的主要结构成分，支撑着身体的组织和器官。已有研究表明，胶原蛋白的物理特性可调控细胞运动性的多种特征；例如，在肿瘤-间质界面处胶原原纤维的排列，可引导癌细胞沿这些纤维向间质侵袭迁移13。在本实验中，I型胶原蛋白和基底膜材料均被用作研究三维癌细胞-间质相互作用的工具。
在细胞嵌入三维基质后，可监测调控侵袭相关通路的抑制或激活效应。根据是否需要长时间处理以调节侵袭，细胞可在悬滴培养生长期间或转移至三维培养时进行预处理。对于较短时间的处理，建议在收集细胞后将药物加入球体悬液中，并加入包围三维培养物的培养基中，以确保细胞充分接触药物。接下来，可将正常基质细胞或肿瘤相关基质细胞与基质材料混合，以评估它们在调节肿瘤细胞侵袭中的作用，或确定旁分泌和自分泌信号如何影响细胞行为。这一思路已在一项研究中得到验证：结肠癌细胞与内皮细胞在悬滴中共培养后，在球体内部形成了血管样网络14。最后，细胞外基质（ECM）的组成成分也可进行调整，因为不同基质成分会影响癌细胞的侵袭行为15。因此，下文所述方法将为在多种条件下评估癌细胞侵袭提供一个系统框架。通常发现，并非所有细胞系都能在悬滴中形成球体，而呈上皮样形态的细胞系通常可形成规则的球形结构。
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方案
1. 类球体的生成
- 通过使用 PBS 洗涤并随后暴露于 0.05% 胰蛋白酶-EDTA 溶液，使约 70% 汇合度的贴壁癌细胞脱离，制备用于悬滴培养的单细胞悬液。
- 用细胞培养基中和胰蛋白酶溶液，并取部分细胞悬液进行细胞计数。注意：具体的细胞培养基取决于所测试的细胞系。请遵循 ATCC 的培养基推荐，通常为 DMEM + 10% FBS。更多信息见材料表。
- 进行稀释，以便在每 20 µl 细胞培养基液滴中接种 500–1,000 个细胞。
- 取一个 10 cm 培养皿，在底部加入 5 ml 无菌 PBS。注意：此步骤可防止悬滴蒸发。可使用成本较低的“细菌学级”培养皿替代细胞培养级培养皿，因为细胞不会接触培养皿表面。
- 使用多通道移液器将稀释后的细胞悬液以 20 µl 液滴形式转移至培养皿盖内表面。
- 在 10 cm 培养皿的皿盖上点样 40 个液滴（8 列 × 5 行）。
- 将皿盖翻转并置于培养皿上方。将悬滴培养物在 37 °C 下孵育 72 小时，以生成球状体。
- 以稳定而果断的方式翻转皿盖。注意：翻转过快或过慢均可能导致液滴移位。某些细胞系可能在 48 小时或更短时间内形成球状体，而其他细胞系可能需要超过 72 小时才能形成致密的细胞聚集体。
2. 类球体嵌入三维基质
- 在包埋类球体之前，于 4 °C 下过夜解冻一份生长因子减少型基底膜材料。
- 可选：预先在孔中铺一层细胞外基质（ECM），以防止类球体与组织培养表面发生潜在相互作用。
- 在 24 孔板的每个孔中加入 200 µl ECM。
- 倾斜培养板，确保 ECM 覆盖整个孔底表面。
- 用移液器小心吸除多余的 ECM。
- 将培养板孵育至孔内干燥：室温下 3 小时，或 4 °C 过夜。
- 可选：预先在孔中铺一层细胞外基质（ECM），以防止类球体与组织培养表面发生潜在相互作用。
- 通过倾斜组织培养皿的盖子并汇集培养基来收集类球体。将含有类球体的培养基转移至 1.5 ml 微量离心管中。
- 静置 10 分钟，使类球体沉降至微量离心管底部。类球体应可通过肉眼观察到。
- 在另一个预冷的离心管中，将 100 µl 基底膜材料与 100 µl 冷的（4 °C）I 型胶原蛋白混合。保持混合物在 4 °C，以防止任一凝胶过早固化。
- 若转移体积较小，应使用预冷的移液器吸头。
- 混合基底膜材料与 I 型胶原蛋白时需小心，避免产生气泡。注意：若气泡嵌入凝胶中，可能会影响后续实验步骤中的成像效果。
- 从微量离心管底部的 40 µl 液体中吸取类球体，并与基底膜材料/I 型胶原蛋白混合液合并。混合时注意避免产生气泡。注意：含有 100 µl 基底膜材料、100 µl I 型胶原蛋白和 40 µl 类球体的溶液足以制备 4 个独立的三维培养体系。该体系可根据需要进行放大或缩小。
- 用移液器将 40 µl 黏稠混合液滴加至 24 孔板各孔的中央。保持培养板水平，防止混合液流向孔壁一侧。注意：建议每个待测条件使用 24 孔板的一整列（4 个孔）。
- 将培养板放入 37 °C 培养箱中，静置 30 分钟。在此期间，三维培养体系将发生聚合。
- 缓慢向三维培养体系中加入 1 ml 细胞培养基，使其完全浸没。
- 添加培养基时应确保其温度适宜，以进一步促进凝胶聚合。
- 关键步骤：应轻柔地向三维培养体系中添加培养基。若将培养基过快加入孔中，可能导致三维培养体系从组织培养表面脱落。
3. 类球体侵袭的监测与分析
- 在研究者确定的时间点，观察类球体细胞向周围三维基质中的侵袭情况。使用倒置显微镜配合20倍物镜拍摄图像。注意：理想的时间点取决于所测试的细胞系。侵袭性较强的细胞系在接种后不久即开始从类球体中迁移出来，因此应在接种后数小时内拍摄初始图像。通常在接种后0小时（接种后）、24小时和48小时进行拍照。侵袭过程通常在接种后24至48小时内完成。
- 使用图像分析软件（如Image J）对侵袭能力进行定量分析。
- 以细胞从类球体边缘迁移的距离来分析侵袭情况。
- 使用直线绘制工具标记半径和/或最大侵袭距离。
- 点击顶部菜单中的“Analyze”，然后点击“Measure”以显示长度测量结果。
- 以类球体外部的总侵袭面积来分析侵袭情况。
- 使用自由绘制工具勾勒类球体边界和/或总侵袭区域的轮廓。
- 点击顶部菜单中的“Analyze”，然后点击“Measure”以显示面积测量结果。
- 使用插件（如ROI Manager Tools）对图像序列（stack）创建测量数据。
- 以细胞从类球体边缘迁移的距离来分析侵袭情况。
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结果
使用球状体侵袭实验（图1），检测了一组癌细胞系形成球体的能力，以及在植入由基底膜成分和I型胶原构成的三维基质后细胞迁移出球体的程度（表1。这些结果表明，并非所有癌细胞系都能形成结构完整的球状体，其中具有上皮样形态的细胞系 体外 倾向于形成规则且光滑的聚集体。不同细胞系在该实验中的侵袭能力也各不相同。已知具有侵袭性的细胞系，如4T1、E0771和U-87 MG，在实验中表现出较高的类球体外排能力。而侵袭性较弱的细胞系，如MCF-7、BT474和MCF10DICS.com，则未表现出侵袭行为，与预期一致。然而，A-431和COLO 357 PL细胞缺乏侵袭性则出乎意料。部分细胞系的实验数据示例如下（图2对于4T1和E0771细胞，细胞侵袭在将类球体嵌入三维基质后24小时已显著出现；而对于U-87 MG细胞，侵袭在植入基质后即刻开始。
细胞侵袭的定性评估可通过图像分析软件中的定量分析进一步支持。文中提供了两种不同的侵袭程度定量策略（图3...
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讨论
本研究评估了一组癌细胞系在球体侵袭实验中的表现（表1）。通常情况下，我们发现上皮样特征更明显的细胞系更有利于球体的形成，因为细胞间连接的存在促进了类似球体结构的构建。已知经历上皮-间质转化的细胞系（如 MDA-MB-231 细胞）在悬滴培养中无法形成球体，这很可能归因于其 E-、N- 和 P-钙黏蛋白表达水平降低16。
类球体侵袭实验中的某些步骤需要严格遵循操作规程。在移液基底膜与胶原蛋白混合物时，操作必须迅速，且在整个操作过程中必须将混合物保持在接近 4 °C 的温度，因为该混合物在室温下会开始凝固。此外，可溶性胶原蛋白制剂呈酸性，通过加入少量氢氧化钠和盐并升温至 37 °C 可诱导其形成凝胶。据我们经验，将等体积的胶原蛋白与基底膜材料直接混合后，升温即可使其具备成胶能力，因为基底膜组分能够中和胶原蛋白的酸性。如果计划使用较低比例的基底膜：胶原蛋白，则应在加入基底膜混合物之前预先中和胶原蛋白，以促进其聚合。一旦形成，大多数类球体具有较强的抗解离能力，能够在构成三维培养体系的黏稠混合物中存活。在重悬步骤中，还必须小心避免产生气...
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
由美国国立卫生研究院（NIH）资助，项目编号 P30 CA051008 和 T32 CA009686（ATR）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 生长因子减少型Matrigel | Corning | CB-40234 | |
| Ⅰ型胶原蛋白，大鼠尾部来源，100 mg | Millipore | 08-115 | |
| DMEM | Life Technologies | 11995-065 | |
| RPMI 1640培养基 | Life Technologies | 11875-093 | |
| PBS | Life Technologies | 10010-023 | |
| 0.05%胰蛋白酶-EDTA | Life Technologies | 25300-054 | |
| 胎牛血清，热灭活 | Omega Scientific | FB-12 | |
| 100 mm细胞培养处理培养皿 | Corning Incorporated | 430167 | |
| 24孔细胞培养处理板 | NEST Biotechnlology | 702001 | |
| Olympus IX-71倒置显微镜 | |||
| 细胞系在DMEM + 10% FBS中培养，BT-474和LNCaP细胞除外，这两种细胞系在RPMI + 10% FBS中培养。 |
参考文献
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