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利用新型印章装置从二维细胞培养生成三维球状体/类器官

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DOI：

10.3791/67787

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2025年3月28日

 ,  ,  ,  , 
1Cell and Molecular Therapy NUCEL Group, School of Medicine, University of São Paulo, 2Biochemistry Department, Chemistry Institute, University of São Paulo, 3Department of Polymers, Faculty of Technology of the State of São Paulo – Zona Leste (FATEC ZL), 4Technical Division for Teaching, Research and Innovation Support - DTAPEPI Biotechnology and Innovation Facility, School of Medicine, University of São Paulo

本文内容

摘要

本研究介绍了一种经济高效且简便的3D细胞结构制备方法，该方法采用基于印章的系统在琼脂糖模具中制备微孔。该系统可促进均一的类球体/类器官形成，从而增强细胞间相互作用。该方法降低了实验变异性，适用于药物筛选和组织工程等应用。

摘要

三维（3D）细胞培养能够更准确地模拟体内环境 体内 相较于传统的二维（2D）培养，三维（3D）培养能促进细胞之间以及细胞与细胞外基质之间更充分的相互作用，从而更好地模拟体内微环境。 本研究旨在开发一种高效、经济且可重复的方法，利用创新的印章式系统在琼脂糖模具中创建微孔，以生成三维细胞结构（球状体/类器官）。采用一种新型印章，在6孔板的每个孔中可制作663个微孔，为细胞聚集提供了理想环境。将原代猪胰岛细胞接种于这些微孔中，细胞在其中聚集形成球状体/类器官。培养物置于37 °C、5% CO₂条件下孵育。2，每隔3天更换一次培养基。定期监测类球体的形成情况，并收集样品进行表征。 该方法成功生成了均一且高质量的球状体，降低了实验变异性，减少了操作步骤，并增强了细胞间相互作用。采用基于琼脂糖的微图案模具为三维培养提供了简化且可控的环境，具有标准化和成本效益的优势。该技术适用于药物筛选和组织工程等应用，为三维细胞培养模型提供了一个实用且可扩展的平台，可在多种实验室环境中轻松实施。

引言

在过去的50年中，大量细胞生物学研究表明，二维（2D）培养无法准确模拟在动物模型中观察到的体内环境1。从结构上看，二维细胞培养不允许细胞进行三维排列，也无法复制体内系统中所观察到的情况。此外，与三维（3D）培养相比，二维培养中的细胞信号通路发生了改变，这可能解释了为何基于二维培养的某些药物筛选结果存在显著差异2。随着三维培养系统的出现，细胞培养技术取得了重大进展。三维系统在复杂性上差异显著，具体取决于细胞组成和细胞结构。通常，可形成两类结构：类球体（spheroids）和类器官（organoids）。类球体被描述为来自正常组织或肿瘤组织、胚胎体以及细胞系的简单细胞聚集体。三维结构的形成受到多种因素的影响，包括细胞间相互作用以及由细胞外基质（ECM）组分介导的信号通路，后者提供结构支持和生化信号。这些因素调控着有助于组织结构和功能建立的相互作用3。类球体培养系统最早于20世纪70年代初被描述，当时采用V79中国仓鼠肺细胞系作为结节性癌的模型，在非黏附条件下生长并形成完美的 球体4。类器官则被定义为来源于干细胞或前体细胞的、具有器官特异性的细胞类型聚集体，这些细胞通过细胞分选和谱系特化等过程在空间受限的条件下实现自我组织，从而模拟体内发育过程5。

目前有多种可用的方法和材料可用于在三维条件下培养细胞。当前用于构建三维培养的主要方法包括：1）悬滴法；2）旋转细胞培养与低吸附塑料材料；3）含有圆锥形微孔的金字塔培养板；4）大孔支架；5）磁性微珠；以及 6）无支架水凝胶。

悬滴法是获得无支架三维培养物的方法。该方法存在某些局限性，包括需要大量操作、生产效率低、形成球形结构以及暴露于高剪切力。此外，特定操作步骤（如更换培养基或添加化合物）可能较为困难，并可能导致材料损失。进一步地，文献报道表明，某些细胞系在采用此方法时无法形成紧密聚集的球状体6。

通过旋转细胞培养和使用低吸附性塑料器皿，可防止细胞贴附于基质表面，从而促使细胞聚集并形成球状体。该过程需要特定的培养瓶和/或搅拌/旋转装置。尽管这是大规模生产球状体或类器官的最直接方法之一，但仍存在一些缺点，例如需要专用设备、培养周期较短、球状体尺寸不均一、细胞机械损伤以及效率较低6。

含有锥形孔的锥形板为市售产品，会影响成本，此外某些操作可能会阻碍球状体/类器官的形成7。

大孔支架也用于三维培养；然而，一个主要障碍在于实现有效的细胞接种和均匀分布。这一问题的产生是由于孔径可能过小而阻碍细胞进入，或过大而无法牢固地滞留细胞。为解决这一问题，已探索了多种策略8，这些策略直接影响该技术的复杂性和成本。

磁珠法生成的类球体/类器官数量较少，成本较高，且可能在细胞内残留纳米颗粒9。

在用于培养球状体的系统中，非黏附性琼脂糖水凝胶是一种可选方案，属于无支架水凝胶。该方法具有显著优势，例如可精确控制三维结构的尺寸，并能在每块培养板上生成大量此类结构。在此方法中，将细胞接种于预先形成微孔的水凝胶中，细胞会沉降至微孔内并自发组装成三维球状体10。

本研究介绍了一种利用微图案模具以简单、高效、可重复且低成本的方式制备琼脂糖微孔的装置与方法。

利用该印章作为模具，在重力辅助下于琼脂糖中制备微孔，旨在增强细胞在微孔内的相互作用及细胞有序排列，从而形成三维结构（类球体/类器官） 体外 以一种简单、高效、可重复且低成本的方式，从而节省研究时间和实验室资源。

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方案

本方案遵循本机构人类研究伦理委员会CEUA-FMUSP：1699/2021号指南，于2021年9月8日批准——"猪胰岛细胞的分离与封装"，属于我们细胞与分子治疗NUCEL研究组（www.usp.br/nucel）的专题研究项目，圣保罗研究基金会（FAPESP）资助编号2016/05311-2，项目名称：“面向慢性退行性疾病（癌症与糖尿病）治疗的再生医学”。

1. 印模装置的制备

注意：此印章由 NUCEL 团队（https://w3nucel.webhostusp.sti.usp.br/）定制制作。该印章装置采用参考软件开发，该软件以其高精度和先进的三维建模能力而广受认可。 

  1. 确保设计的原型包含663个微针，排列方式可支持生成同等数量的三维细胞培养结构，例如类球体或类器官。为保证印模在T6培养皿表面的稳定性，需沿装置周向战略性地布置五个支撑点。
  2. 确保微针为锥形设计，尺寸可调，长度范围为1至3 mm。锥体底部直径介于0.7至1.5 mm之间，锥角范围为5°至10°。
  3. 确保装置的"限位"结构（用于定义微针插入深度）具有10至19 mm的可调长度和20至40 mm的直径，且其表面均匀分布有微针。
  4. 此外，装置应设计有符合人体工学的手柄，适合单手操作，以提升使用时的实用性与精确性。
    注：为便于装置的大规模生产，提供.stl格式的数字文件，该文件对3D打印过程至关重要。
  5. 使用合适的软件对模型进行切片，并通过兼容的3D打印机进行打印。采用以下打印尺寸：X轴 - 68 mm；Y轴 - 120 mm；Z轴 - 150 mm，以确保功能性和结构质量之间的理想平衡。
  6. 装置制造应采用光固化3D打印机，所用材料为可与紫外线固化聚合物树脂兼容的材料，该树脂需具备高分辨率和均匀的表面光洁度，这是确保装置最佳性能的关键特性。
  7. 使用与所选3D打印机兼容的软件对数字模型进行切片处理，以准备打印。

2. 琼脂糖微孔的制备

  1. 制备琼脂糖溶液。
    1. 称取纯琼脂糖粉末，溶于1×磷酸盐缓冲液（PBS）中，配制成终浓度为1–2%（w/v）的溶液。
    2. 将溶液在微波炉或水浴中加热至完全溶解，确保溶液均匀透明。
      注意：避免过热或反复加热，以免降解琼脂糖。不要配制大量储存溶液。
    3. 将溶液冷却至约40 °C，此温度适合移液操作。
  2. 准备自制印章。
    1. 用软毛海绵和蒸馏水清洗印章，去除残留物。
    2. 将清洗后的印章暴露于紫外光下5–10分钟，以确保无菌。
  3. 形成微孔。
    1. 将约3 mL、40 °C的琼脂糖溶液倒入6孔板的每个孔中，确保厚度均匀，为2–3 mm。
    2. 在琼脂糖仍处于温热状态时，将自制印章置于孔中央。
      注意：印章带有侧向支撑结构，可确保对齐和稳定，无需手动扶持。每个印章可在每孔中形成约663个微孔（高度约2 mm）。确保微针上无气泡；若产生气泡，可轻轻移动印章以消除。
    3. 在室温下静置5–10分钟，使琼脂糖凝固，期间勿移动培养板。
      注意：凝固过程中不得扰动琼脂糖，以免微孔结构不均。
    4. 以轻柔的前后晃动方式取出印章，使空气进入以释放真空，避免损伤微孔。
      注意：该动作有助于空气进入，从而平稳取出印章而不变形凝胶。微孔必须保持完整。
    5. 用PBS溶液清洗微孔3次，以去除残留物。
    6. 将培养板暴露于紫外光下10分钟，以消除微生物污染。
    7. 加入3 mL培养基，于37 °C、CO2培养箱中过夜培养。
      注意：此孵育步骤用于在接种细胞前确认无污染。

3. 微孔中细胞接种

  1. 制备细胞悬液。
    1. 通过胰酶消化或其他解离方法收集细胞，以获得均一的细胞悬液。
    2. 计数细胞，并根据每个微孔所需的细胞数量调整浓度。
      ​注意：若要在663个微孔中每孔接种5,000个细胞，需准备至少含有3.315 × 106个总细胞的悬液。优化细胞浓度以防止中心坏死，并确保营养物质和氧气的充分扩散。
  2. 接种细胞。
    1. 将约3 mL已制备好的细胞悬液加入微孔板中，轻轻摇晃培养板以确保悬液均匀分布。
    2. 让细胞依靠重力沉降（约10–15分钟），或在100 × g条件下轻柔离心5分钟。
      ​注意：可采用离心方式促使细胞集中进入微孔中。
    3. 将培养板转移至37 °C、含加湿 atmosphere 的CO2培养箱中培养。

3D 细胞培养的维持

  1. 更换培养基。
    1. 每2-3天更换一次培养基，移除50%的旧培养基，并加入新鲜培养基。
      注意：在整个培养期间应确保微孔始终浸没在液体中，以防止脱水。
  2. 监测三维培养物的形成。
    1. 继续培养至三维结构完全形成且致密（例如，原代胰岛培养约需2-3天）。
      注意：对于需要较长时间形成的培养物，应每2-3天进行一次部分培养基更换。

3D 结构的收集与表征

  1. 收集类球体/类器官。
    1. 移除旧培养基，使用大直径或剪切过的移液枪头通过剧烈吹打收集三维结构，以防止压缩或解聚。
      注意：剧烈吹打需加以控制，以使聚集体脱离而不发生形变。
  2. 准备进行分析。
    1. 立即使用所收集的类球体/类器官，或将其固定以备后续分析。
      ​注意：类球体的聚集状态与稳定性取决于细胞类型、形成时间及培养条件，操作时必须格外小心，避免解离。

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结果

本研究中使用的细胞培养物源自猪胰岛。根据二苯硫腙染色测定，本研究中所用胰岛制备物的纯度为 80 ± 5%。 >基于活细胞中荧光素二乙酸酯的检测或死细胞中碘化丙啶的检测（活/死荧光法）确定胰岛细胞存活率不低于80%。确保猪胰腺胰岛制备物纯度至少达到80%（例如通过二噻嗪染色法测定）。 >80% 存活率。分离后，将贴壁培养物维持在 CMRL 1066 培养基中，添加 1 mM L-谷氨酰胺、0.2% 环丙沙星和 10% 胎牛血清（FCS），于 37 °C 和5% CO2，如先前所述11,12.

在本研究中，对基于印章的琼脂糖模具微孔制备系统的有效性进行了全面评估（图1）。如图2所示的印章设计，展示了微针结构的精确性及其排布方式，有助于在微孔形成过程中实现一致的对准和操作。这确保了整个培养板上微孔图案的均一性，对于获得可...

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讨论

尽管文献中存在多种3D培养方案，Wassmer等人13开展的一项研究测试了多种利用胰岛生成3D结构的方法。作者观察到，天然胰岛和自聚集形成的球状体在大小和形状上表现出显著的异质性，且体积大于其他方法获得的球状体。根据他们的研究结果，作者得出结论：球状体可通过不同技术生成，每种技术均有其优缺点。对于胰岛细胞的聚集，推荐的方法包括悬滴法、琼脂糖微孔板或Sphericalplate 5D。

文献中已有一些用于生成琼脂糖微孔的装置。例如，Stuart 等人14使用一种装置取得了有前景的结果，但该装置存在某些需要解决的缺点。这些缺点包括其可生成的微孔数量有限、由于模具面积较小导致工作体积减少，以及其设计为负模，这使得操作复杂化，并增加了微孔破损和变形的风险。

Charelli 及其同事利用 3D 打印技术开发出一种用于生成球状体的印章式装置15。该装置通过立体光刻技术使用光固化树脂制成，可在每块...

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披露

作者声明不存在利益冲突。

致谢

我们特别感谢巴西圣保罗大学医学院Zizi de Mendonça提供的出色技术支持。本研究得到了以下巴西研究机构资助：BNDES 09.2.1066.1、CAPES（PVE项目编号88881.068070/2014-01）、CNPq（资助编号457601/2013-2、401430/2013-8及INCT-Regenera编号465656/2014-5）、FAPESP（专题项目编号2016/05311-2）、FINEP 01.08.06.05，以及科学技术部（MCTI）和卫生部（MS-DECIT）。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
31L 微波炉Electrolux78965840 6699 9用于加热琼脂糖溶液，促进其溶解并确保更高的均匀性。可使溶液达到形成加样孔所需的理想液态。
3DFila 灰色不透明光敏 3D 树脂可紫外固化的聚合物树脂
3D 打印机 - Creality Halot OneCrealityN/A用于打印印章装置的 3D 打印机
琼脂糖UNISCIENCEUNI-R10111用于形成凝胶，将其 1% 至 2% 溶解于磷酸盐缓冲液（PBS）或适当培养基中。
Autodesk Fusion 360三维建模
BB15 CO2 培养箱Thermo Fisher51023121用于在适宜且受控的环境中孵育培养的细胞。
ChituboxChituboxN/A用于对打印部件进行切片的软件
II 级生物安全柜Grupo VECON/A确保在既定参数和规程下进行细胞培养时的无菌环境。
培养基USBiological/Life SciencesC5900-03A含有支持细胞正常生长的添加剂。
培养板（P6）SARSTEDT1023221用于塑形琼脂糖及培养细胞。
锥形瓶（25 mL）Laborglas91 216 14用于在磷酸盐缓冲液（PBS）或其他合适培养基中溶解 1–2% 琼脂糖，通常需在微波炉中加热。
Falcon 15 mL 聚苯乙烯离心管Corning352099用于维持细胞悬液及进行可能的稀释操作。
胎牛血清（FBS）Vitrocell Embriolife005/19培养基添加剂。
PBS 溶液（磷酸盐缓冲液）实验室自制N/A用 MiliQ 超纯水稀释至 1 倍浓度。用于溶解 1% 至 2% 琼脂糖，以及清洗已制备的加样孔。
带蓝色瓶盖的试剂瓶 - SchottLaborglas21801545用于配制和储存培养基。
印章装置NUCEL GroupN/A链接 - 此链接提供印章装置的 .stl 文件。只需使用适当的软件进行切片，并用兼容的 3D 打印机打印即可。https://drive.google.com/drive/folders/1gTYComnJWzHpN6ZKOyK
EChKS3Qns0rOA?usp=sharing
带滤器的处理型培养瓶 25 cm²Corning430639用于贴壁细胞的培养与维持。
胰蛋白酶Merck07-07-9002用于接种前的细胞解离。
紫外线（UV）N/AN/A用于对印章和培养板进行灭菌。

参考文献

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