这些实验方案将帮助研究人员利用Seahorse细胞外通量分析技术,探究三维培养的癌细胞系来源类球体中的线粒体能量代谢。
方法文章
这些实验方案将帮助研究人员利用Seahorse细胞外通量分析技术,探究三维培养的癌细胞系来源类球体中的线粒体能量代谢。
三维(3D)细胞聚集体,称为球状体,已成为 体外 近年来,细胞培养技术不断发展。与将细胞培养为二维单层细胞(2D培养)不同,球形细胞培养能够促进、调控并支持细胞生理结构和特性的形成 体内包括细胞外基质蛋白的表达、细胞信号传导、基因表达、蛋白质合成、分化和增殖。三维培养的重要性已在多个研究领域得到认可,包括肿瘤学、糖尿病、干细胞生物学和组织工程。在过去十年中,已开发出改进的方法用于生成类球体并评估其代谢功能和命运。
已使用XF24胰岛捕获板或XFe96类球体微孔板,通过细胞外通量(XF)分析仪研究三维微组织(如类球体)中的线粒体功能。然而,利用XF技术探测类球体中线粒体能量代谢的具体实验方案及优化方法尚未被详细描述。本文提供了使用XFe96 XF分析仪和类球体微孔板对单个三维类球体进行线粒体能量代谢检测的详细实验方案。通过使用不同癌细胞系,证明了XF技术能够区分不同大小、体积、细胞数量、 DNA含量和类型的三维类球体中的细胞呼吸。
使用寡霉素、BAM15、鱼藤酮和抗霉素A等线粒体效应化合物的最佳浓度,检测三维球状体中线粒体能量代谢的特定参数。本文还讨论了对球状体获得数据进行归一化处理的方法,并阐述了利用XF技术研究球状体代谢时需考虑的诸多因素。本方案将有助于推动先进模型中的相关研究 体外 球状体模型
过去20年中,生物研究领域的体外(in vitro)模型技术迅速发展。如今,这类模型包括器官芯片、类器官以及三维微组织球体,这些已成为提升体外(in vitro)与体内(in vivo)研究之间转化效率的共同研究重点。先进体外(in vitro)模型的应用,特别是球体模型,已广泛覆盖多个研究领域,包括组织工程、干细胞研究、癌症与疾病生物学1,2,3,4,5,6,7,以及安全性测试,如遗传毒理学8,9,10、纳米材料毒理学11,12,13,14,以及药物安全性和有效性测试8,15,16,17,18,19。
正常的细胞形态对于生物学表型和功能至关重要。将细胞培养成三维微组织球体可使细胞获得更接近体内实际观察到的形态、表型功能和组织结构 体内 但难以通过传统的单层细胞培养技术捕获。两者 体内 和 体外 细胞功能直接受到细胞微环境的影响,这种影响不仅限于细胞间的通讯与程序化过程(如细胞间连接的形成、细胞生态位构建的机会);还包括细胞对局部环境中激素和生长因子的暴露(如作为炎症反应一部分的细胞因子暴露);物理与化学基质的组成(如细胞是生长在刚性组织培养塑料上还是弹性组织环境中);以及最重要的是,细胞代谢如何受到营养物质、氧气供应以及乳酸等代谢废物处理过程的影响。
代谢通量分析是一种强大的方法,可用于在限定条件下研究细胞代谢 体外 系统。具体而言,XF 技术能够分析完整细胞和组织中细胞生物能量学的实时、活体动态变化。鉴于许多细胞内代谢事件发生在数秒至数分钟的时间尺度内,实时功能分析方法对于理解完整细胞和组织中细胞代谢通量的实时变化至关重要。 体外.
本文提供了培养源自癌症的细胞系 A549(肺腺癌)、HepG2/C3A(肝细胞癌)、MCF-7(乳腺腺癌)和 SK-OV-3(卵巢腺癌)的实验方案 体外 3D 采用强制聚集方法的球状体模型(图1)。本文还(i)详细描述了如何使用安捷伦 XFe96 XF 分析仪检测单个三维球状体的线粒体能量代谢;(ii)强调了利用单个三维球状体优化 XF 检测的方法;(iii)讨论了采用该方法检测三维球状体代谢时的重要注意事项与局限性。尤为重要的是,本文阐述了数据的采集方法,这些数据可用于计算氧消耗率(OCR),从而确定细胞球状体中的氧化磷酸化水平及线粒体功能。尽管本方案未对细胞外酸化率(ECAR)进行分析,但 ECAR 是 XF 实验中与 OCR 同时测量的另一项参数。然而,ECAR 数据常因采用仪器制造商提供的基础分析方法而被解读不当或不准确。本文对基于该技术厂商基本方法计算 ECAR 所存在的局限性进行了评述。
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图1:细胞类球体生成、细胞外通量分析及下游检测的图解工作流程。 四种癌细胞系被选择性地以单层形式培养(A),从组织培养瓶中解离后,接种至超低吸附96孔微孔板中以形成类球体(B)。人肺癌腺癌A549细胞、人肝癌HepG2/C3A细胞、人卵巢腺癌SK-OV-3细胞以及人乳腺癌MCF-7细胞以每孔1 × 103–8 × 103个细胞的密度接种,并培养至多7天,以形成单个类球体,并通过连续观察和平面测量优化类球体接种密度和培养时间。类球体形成后,用无血清XF培养基洗涤,并小心接种至预先包被多聚-D-赖氨酸的类球体检测用微孔板中(C)。随后使用XFe96分析仪,通过多种实验方案对类球体进行细胞外通量分析,旨在解决以下问题:(1)基础线粒体呼吸反应的最佳类球体尺寸;(2)线粒体呼吸抑制剂的优化滴定;(3)类球体在微孔板孔内位置的优化(D)。细胞外通量分析完成后,采用相差显微镜观察及类球体DNA定量,用于数据归一化及其他下游体外in vitro检测。 请点击此处查看该图的放大版本。
1. 癌细胞系三维培养 体外 球状体
| 细胞系 | 描述 | 培养基 | 来源 |
| A549 | 肺癌细胞系 | RPMI 1640 | 欧洲认证细胞库(European Collection of Authenticated Cell Cultures, ECACC) |
| 丙酮酸钠(1 mM) | |||
| 青霉素-链霉素(100 U/mL – 100 mg/mL) | |||
| 10 % (v/v) FBS | |||
| HepG2/C3A | 肝癌细胞系,为亲代HepG2细胞系的克隆衍生物 | DMEM | 美国模式培养物集存库(American Tissue Culture Collection, ATCC) |
| 青霉素-链霉素(100 U/mL – 100 mg/mL) | |||
| 10 % (v/v) FBS | |||
| MCF7 | 乳腺腺癌细胞系 | RPMI 1640 | 欧洲认证细胞库(European Collection of Authenticated Cell Cultures, ECACC) |
| 丙酮酸钠(1 mM) | |||
| 青霉素-链霉素(100 U/mL – 100 mg/mL) | |||
| 10 % (v/v) FBS | |||
| SK-OV-3 | 卵巢腺癌细胞系 | RPMI 1640 | 欧洲认证细胞库(European Collection of Authenticated Cell Cultures, ECACC) |
| 丙酮酸钠(1 mM) | |||
| 青霉素-链霉素(100 U/mL – 100 mg/mL) | |||
| 10 % (v/v) FBS | |||
| 组分 | RPMI 检测培养基(终体积 50 mL) | ||
| 基础培养基 | Agilent Seahorse XF RPMI,pH 7.4 | ||
| 葡萄糖(1 M 无菌储备液) | 11 mM(0.55 mL 储备液) | ||
| L-谷氨酰胺(200 mM 无菌储备液) | 2 mM(0.5 mL 储备液) | ||
| 丙酮酸钠(100 mM 无菌储备液) | 1 mM(0.5 mL 储备液) |
表1:癌细胞系培养基与XF培养基的成分。
2. 利用细胞外通量(XF)技术检测单个球状体的线粒体能量代谢
3. XF 检测中传感器微孔板的化合物制备与加样
| 注射策略 | 化合物(进样口) | XFe96 微孔起始体积(µL) | 目标终孔浓度 | 进样口体积(µL) | 注射后 XFe96 微孔最终体积(µL) | 工作储备液浓度 |
| 1 | Oligomycin (A) | 180 | 3 µg/mL | 20 | 200 | 30 µg/mL |
| Rotenone (B) | 200 | 2 µM | 20 | 220 | 22 µM | |
| Antimycin A (B) | 200 | 2 µM | 20 | 220 | 22 µM | |
| 2 | BAM15 (A) | 180 | 5 µM | 20 | 200 | 50 µM |
| Rotenone (B) | 200 | 2 µM | 20 | 220 | 22 µM | |
| Antimycin A (B) | 200 | 2 µM | 20 | 220 | 22 µM |
表2:使用XFe96分析仪检测单个三维球状体线粒体能量代谢时所用线粒体相关化合物的浓度。
4. 实验设计、注射策略与数据采集
| 测量阶段 | 注射次数及端口 | 测量详情 | 阶段持续时间 (h:min:s) |
| 校准 | 不适用 | XF 分析仪始终执行此校准,以确保测量结果准确 | 00:20:00(此为平均值,不同仪器间可能存在差异) |
| 平衡 | 不适用 | 平衡发生在校准之后,建议执行此步骤 | 00:10:00 |
| 基础状态 | 不适用 | 循环次数 = 5 | 00:30:00 |
| 混匀时间 = 3:00 | |||
| 等待时间 = 0:00 | |||
| 测量时间 = 3:00 | |||
| 寡霉素 / BAM15 | 注射 1(A 端口) | 循环次数 = 10 | 01:00:00 |
| 混匀时间 = 3:00 | |||
| 等待时间 = 0:00 | |||
| 测量时间 = 3:00 | |||
| 鱼藤酮 + 抗霉素 A | 注射 2(B 端口) | 循环次数 = 10 | 01:00:00 |
| 混匀时间 = 3:00 | |||
| 等待时间 = 0:00 | |||
| 测量时间 = 3:00 | |||
| 总时间: | 03:00:00 | ||
表3:使用XFe96分析仪检测单个三维球状体线粒体能量代谢的实验方案设置。
5. 数据标准化与分析策略——检测后标准化与下游检测(可选步骤)

图 2:由细胞外通量数据分析所得参数的示意图解。 缩写:OCR = 氧气消耗速率。 请点击此处查看该图的放大版本。
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为获得形态良好且结构紧密的球状体,每种细胞系均针对接种密度和培养时间进行了单独优化(图3。A549、HepG2/C3A和SK-OV-3细胞系最初形成松散的聚集体,直到培养7天后才发育为具有清晰边界的圆形类球体。相比之下,MCF-7细胞在3天内即可形成类球体。所有类球体模型在培养结束后,初始细胞接种密度与类球体体积之间均表现出明显相关性。类球体的大小和形态随接种密度的优化而得到调控。在所有模型中,随着类球体尺寸增大,其形态和圆度开始下降。各细胞系的接种策略在4 × 103 每孔细胞数:A549 和 SK-OV-3 细胞为 cells/well;HepG2/C3A 细胞的接种密度已在其他研究中优化为 1 × 103 细胞/孔,MCF-7 细胞使用密度为 4 × 103 所有实验中每孔的细胞数/孔。在优化的接种策略下,球状体体积介于 5.46 × 107 µm³(SK-OV-3)和1.45 × 108 µm3 (A549) (
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主要发现与成果
本文提供了一项详细的实验方案 利用XFe96 XF分析仪,结合一系列癌源性细胞系,检测单个三维球状体的线粒体能量代谢。本文建立并描述了一种快速培养A549、HepG2/C3A、MCF7和SK-OV-3细胞球状体的方法,该方法采用抗细胞黏附技术实现细胞强制聚集。本方案针对使用XF技术检测球状体代谢过程中的多个关键问题进行了探讨,包括:(1)优化球状体培养流程,以及将球状体从原始培养容器转移至技术供应商提供的专用球状体检测微孔板时的操作与处理;(2)呼吸作用相关化合物的使用浓度及其渗透的时间依赖性;(3)加样注射策略的选择;(4)实验组间数据标准化的方法。本文对上述各项因素均进行了系统研究,并在下文予以详细讨论。所提出的方法旨在以XFe96通量分析仪为基础,利用单个三维球状体获得稳定可靠的代谢氧通量数据。该实验策略可作为通用框架和起点,适用于基础实验室条件下其他球状体模型的建立与应用。
注意事项
类球体生长、大小及XF技术的敏感性
为了使用...
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作者声明无任何利益冲突。
N.J.C 获得了英国生物技术和生物科学研究生理事会(BBSRC)MIBTP 企业合作奖(BB/M01116X/1,1940003)以及 Sygnature Discovery 有限公司的支持
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| A549 | ECACC | #86012804 | 肺癌细胞系 |
| Agilent Seahorse XF RPMI 培养基,pH 7.4 | Agilent Technologies Inc. | 103576-100 | 含 1 mM HEPES 的 XF 检测培养基,不含酚红、碳酸氢钠、葡萄糖、L-谷氨酰胺和丙酮酸钠 |
| Agilent Seahorse XFe96 细胞外通量分析仪 | Agilent Technologies Inc. | - | 用于单个类球体中氧消耗速率测量的仪器 |
| 抗霉素 A | Merck Life Science | A8674 | 线粒体呼吸链复合体 III 抑制剂 |
| BAM15 | TOCRIS bio-techne | 5737 | 线粒体质子载体解偶联剂 |
| 黑色壁微孔板 | Greiner Bio-One | 655076 | 用于基于荧光的检测 |
| CELLSTAR 防粘附表面 96 孔 U 型微孔板 | Greiner Bio-One | 650970 | 用于生成类球体的微孔板 |
| CellTiter-Glo 3D 细胞活力检测试剂盒 | Promega | G9681 | 用于测定 3D 微组织类球体细胞活力的检测试剂盒 |
| Cultrex 聚-D-赖氨酸 | R&D Systems a biotechne brand | 3439-100-01 | 用于包被 XFe96 类球体微孔板以促进类球体附着的分子细胞粘附剂 |
| D-(+)-葡萄糖 | Merck Life Sciences | G8270 | 细胞培养生长及 XF 检测培养基的补充剂 |
| Dulbecco’s 改良伊格尔培养基 (DMEM) | Gibco | 11885084 | HepG2/C3A 类球体的培养基 |
| EVOS XL Core 成像系统 | Thermo Fisher Scientific | AMEX1000 | 相差成像显微镜 |
| EZ-PCR 支原体检测试剂盒 | Biological Industries | 20-700-20 | 细胞培养物中的支原体筛查 |
| FIJI 即 Image J | 合并图像的分析 | ||
| 胎牛血清 | Merck Life Science | F7524 | 细胞培养基补充剂 |
| HepG2/C3A | ATCC | #CRL-10741 | 肝癌细胞系,源自亲代 HepG2 细胞系的克隆衍生物 |
| Lactate-Glo | Promega | J5021 | 用于测定类球体培养基中乳酸含量的检测试剂盒 |
| L-谷氨酰胺(200 mM 溶液) | Merk Life Sciences | G7513 | 细胞培养生长及 XF 检测培养基的补充剂 |
| M50 体视显微镜 | Leica Microsytems | LEICAM50 | 体视解剖显微镜;用于类球体操作 |
| MCF-7 | ECACC | #86012803 | 乳腺腺癌细胞系 |
| 来自Streptomyces diastatochromogenes的鱼藤酮 | Merck Life Science | O4876 | ATP 合酶抑制剂 |
| 青霉素-链霉素 | Gibco | 15140122 | 添加至细胞培养基中的抗生素 |
| Quant-iT PicoGreen dsDNA 检测试剂盒 | Initrogen | P7589 | 类球体中双链 DNA 的分析 |
| 鱼藤酮 | Merck Life Science | R8875 | 线粒体呼吸链复合体 I 抑制剂 |
| RPMI 1640 | Gibco | 21875091 | A549、MCF7 和 SK-OV-3 类球体的培养基 |
| Seahorse Analytics | Agilent Technologies Inc. | Build 421 | https://seahorseanalytics.agilent.com |
| Seahorse XFe96 类球体 FluxPak | Agilent Technologies Inc. | 102905-100 | 每个 Seahorse XFe96 类球体 FluxPak 包含:6 个 Seahorse XFe96 类球体微孔板(102978-100)、6 个 XFe96 传感器盒和 1 瓶 500 mL Seahorse XF 校准液(100840-000) |
| 移液管:5、10 和 25 mL | Greiner Bio-One | 606107; 607107; 760107 | 细胞培养耗材 |
| SK-OV-3 | ECACC | #HTB-77 | 卵巢腺癌细胞系 |
| 丙酮酸钠(100 mM 溶液) | Merck Life Science | S8636 | 细胞培养生长及 XF 检测培养基的补充剂 |
| T75 cm2 细胞培养瓶 | Greiner Bio-One | 658175 | 用于维持细胞培养的组织培养处理瓶 |
| TrypLExpress | Gibco | 12604-021 | 细胞解离试剂 |
| Wave 控制器软件 | Agilent Technologies Inc. | - | |
| 宽口移液枪头 | STARLAB International GmbH | E1011-8400 | 具有宽开口的移液枪头,用于类球体操作 |
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申请许可An erratum was issued for: Exploring Mitochondrial Energy Metabolism of Single 3D Microtissue Spheroids using Extracellular Flux Analysis. The Representative Results section was updated.
Figure 5 was updated from:

Figure 5: Single or sequential injection of mitochondrial respiratory compounds. Cancer-cell-derived spheroids of MCF-7, HEPG2/C3A, SK-OV-3, and A549 were placed into wells of an XFe96 spheroid microplate in XF RPMI and probed for OCR using the Agilent Seahorse XFe96 analyzer. OCR was measured 5x, after which 2 µg/mL oligomycin (injection Port A: green trace) or 5 µM BAM15 (injection Port A: blue trace or injection port B: green trace) to inhibit the mitochondrial ATP synthase and determine maximal respiratory capacity, respectively. Kinetic OCR data are expressed as % basal (A-D). Maximal respiratory capacity (OCRmax) was calculated as a factor of basal OCR by the equation: OCRmax = OCRBAM15 / OCRbasal. OCRmax was obtained from OCR averages across measurement cycles 8-10 post BAM15 injection with (green bars) and without (blue bars) oligomycin. Data are averages ± SEM from 3-8 individual well replicates across the spheroid assay microplate. Abbreviations: OCR = oxygen consumption rate. Please click here to view a larger version of this figure.
to:

Figure 5: Single or sequential injection of mitochondrial respiratory compounds. Cancer-cell-derived spheroids of MCF-7, HEPG2/C3A, SK-OV-3, and A549 were placed into wells of an XFe96 spheroid microplate in XF RPMI and probed for OCR using the Agilent Seahorse XFe96 analyzer. OCR was measured 5x, after which 2 µg/mL oligomycin (injection Port A: green trace) or 5 µM BAM15 (injection Port A: blue trace or injection port B: green trace) to inhibit the mitochondrial ATP synthase and determine maximal respiratory capacity, respectively. Kinetic OCR data are expressed as % basal (A-D). Maximal respiratory capacity (OCRmax) was calculated as a factor of basal OCR by the equation: OCRmax = OCRBAM15 / OCRbasal. OCRmax was obtained from OCR averages across measurement cycles 8-10 post BAM15 injection with (green bars) and without (blue bars) oligomycin. Data are averages ± SEM from 3-8 individual well replicates across the spheroid assay microplate. Abbreviations: OCR = oxygen consumption rate. Please click here to view a larger version of this figure.