4.6: 使用 3D 矩阵的入侵检测

科学家们开发了 3D 模型，以更准确地研究细胞侵袭和迁移过程。虽然大多数传统的细胞培养系统都是 2D 的，但我们组织中的细胞存在于称为细胞外基质或 ECM 的 3D 分子网络中。虽然 2D 和 3D 细胞运动所需的许多机械过程相似，但与二维迁移相比，ECM 的刚度降低、迁移增加的第三个维度以及穿过 ECM 中长聚合物网格的物理障碍等因素都对细胞提出了不同的挑战。

本视频将简要介绍 ECM 的基本功能和结构，以及细胞调节和迁移的机制。接下来，我们将讨论用于研究内皮细胞侵袭的一般方案。最后，我们将重点介绍 3D 矩阵在研究不同生物学问题中的几种应用。

让我们首先检查 ECM 的组成，以及细胞如何与它相互作用。

ECM 执行许多功能，例如为细胞提供支持、促进细胞间通讯和分离组织。ECM 组成因组织而异，具有不同的生物学特性，但可分为两大类。基底膜用于锚定和分离组织，而间质基质则包围并支撑组织内的细胞。间质基质主要由纤维蛋白胶原蛋白组成，但也包括弹性蛋白和纤连蛋白。

细胞需要发生几个生物过程才能通过 ECM 迁移。第一种是细胞-基质粘附，它涉及称为整合素的跨膜蛋白。这些将 ECM 连接到细胞的内部支架，称为细胞骨架。

另一个过程是细胞骨架的结构重排。这导致形成称为侵袭性伪足的特殊结构，这些结构是细胞突起到其周围基质中的部分。最后一步是 ECM 调制。这通常涉及称为基质金属蛋白酶或 MMP 的降解分子，它们在侵袭性伪足中积累并降解周围的 ECM，从而促进细胞侵袭。3D 基质侵袭分析使科学家能够可视化和研究这一复杂的过程。

现在您已经熟悉了 ECM 及其与细胞的相互作用，让我们来了解一下研究 ECM 侵袭内皮细胞形成小管的方案。通过在 3D 环境中培养内皮细胞，可以模拟血管生长的生物过程，也称为血管生成，这在正常发育和癌症中都很重要。

首先，培养内皮细胞，然后用胰蛋白酶等蛋白酶处理细胞，然后通过网状过滤器以分解细胞团块，从而制备单细胞悬液。3D 基质通常由胶原蛋白、纤维蛋白、层粘连蛋白或这些成分的更复杂的组合组成，可以在实验室制备或从商业供应商处订购，然后在冰上解冻。由于大多数 ECM 制剂在较高温度下聚合，因此将其他设备和试剂保持低温也有助于。将细胞悬液与解冻的基质溶液混合以包埋细胞，并将该混合物放入细胞培养箱中，较高的温度会导致基质聚合。

一旦设置了含有细胞的基质，将含有血管生成因子的培养基添加到基质培养皿中。使用延时显微镜软件，可以跟踪单个细胞以观察它们在基质中的迁移。分析生成的图像，并使用细胞位置来计算运动方向和距离（以微米为单位）。然后可以绘制这些值以确定运动活动——细胞的平均迁移率。最后，使用可视化软件观察和分析管网的形成，以识别节点、管和环等特征。

现在，让我们探索一下 3D 矩阵在特定实验中的一些应用。

细胞迁移是由细胞骨架的主动调节介导的。在本实验中，制备胶原蛋白基质并与含有红色荧光蛋白的染色剂混合以进行可视化。分离单个细胞球体，即自由漂浮的细胞簇，并将其包埋在胶原蛋白基质中。孵育后，对包埋的细胞进行特异性细胞骨架成分染色，并通过荧光显微镜成像。研究人员观察到细胞骨架成分及其在细胞通过 ECM 迁移时的改变。

科学家还可以研究 ECM 的特性如何影响迁移。使用同心凝胶系统，其中细胞包埋在被不同浓度的外部基质包围的内凝胶基质中，科学家可以使用延时显微镜跟踪细胞，以研究它们从内部凝胶迁移到最初无细胞的外部凝胶。研究人员观察到，较高浓度凝胶的刚度更高，导致细胞位移和细胞迁移总距离增加。

最后，可以在活体动物体内进行基质侵袭测定，以在器官特异性背景下研究血管生成。在这里，产生了纤维蛋白凝胶（由于其可生物降解性而常用于组织工程），然后植入小鼠肺中，在那里凝胶被胶水固定到位。由蛋白质纤维蛋白原制成。在接下来的 7 至 30 天内允许细胞迁移和新血管形成，之后收获、固定和切片肺和纤维蛋白凝胶。这些切片的成像揭示了植入凝胶中的血管和肺泡形成，使研究人员能够深入了解体内肺发育的这一关键方面。

您刚刚观看了 JoVE 关于细胞外基质侵袭检测的视频。该视频讨论了 ECM 的组成以及细胞如何通过它迁移，提出了一种通过 3D 基质研究内皮细胞迁移的简单方案，并重点介绍了目前正在细胞-ECM 相互作用背景下研究的几个细胞过程。由于内源性细胞迁移发生在 3D 空间中，因此最好通过 3D 培养技术来模拟这些生物条件。基质组成的改进将继续使科学家能够在实验室中更准确地复制和研究细胞迁移。一如既往，感谢您的观看！