多模态成像技术揭示3D细胞培养模型的微观结构与生物化学特性

《Scientific Reports》：Multiparametric physicochemical analysis of a type 1 collagen 3D cell culture model using light and electron microscopy and mass spectrometry imaging

本研究利用多模态成像技术，针对3D细胞培养模型中的细胞分布、细胞骨架形态、支架纤维组织和生物分子组成之间的关系展开深入探究，为理解细胞与细胞外基质的相互作用提供了新的视角，助力再生医学和药物筛选领域的发展。

　　3D细胞培养技术在再生医学和药物筛选领域具有重要应用前景，但传统的二维细胞培养模型无法完全模拟体内细胞的生长环境。为了更好地理解细胞与细胞外基质（ECM）之间的相互作用，英国国家物理实验室（National Physical Laboratory）的研究人员开展了一项创新性研究，利用多模态成像技术对I型胶原蛋白3D细胞培养模型进行了深入分析。该研究通过结合荧光显微镜、振动光谱显微镜、二次谐波生成（SHG）显微镜、二次离子质谱成像（SIMS）和透射电子显微镜（TEM），揭示了细胞分布、细胞骨架形态、支架纤维组织和生物分子组成之间的复杂关系。研究结果表明，细胞在3D胶原蛋白支架中的分布和形态受到局部细胞外基质环境的影响，且通过多模态成像技术能够实现对细胞和细胞外基质的精确分析。该研究为3D细胞培养模型的进一步优化和应用提供了重要的理论依据，也为再生医学和个性化医疗的发展奠定了基础。论文发表在《Scientific Reports》上，展示了多模态成像技术在生物医学研究中的强大潜力。

在研究中，研究人员采用了多种关键的技术方法，包括共聚焦激光扫描荧光显微镜（CLSFM）、双光子激发荧光（TPEF）、受激拉曼散射（SRS）和SHG显微镜，用于观察细胞分布、细胞骨架组织以及细胞内外的脂质和蛋白质含量；同时利用ToF-SIMS和NanoSIMS技术对细胞和细胞外基质中的分子碎片进行检测和定位；最后通过TEM观察细胞在胶原蛋白支架中的包裹情况。这些技术的结合为研究人员提供了从宏观到微观的全面视角，使得对3D细胞培养模型的分析更加深入和全面。

研究背景

3D细胞培养技术因其能够更好地模拟体内细胞的生长环境而受到广泛关注。与传统的二维细胞培养模型相比，3D模型能够更准确地反映细胞的生理行为和对药物的反应。然而，要充分发挥3D细胞培养技术的潜力，需要能够全面分析细胞、支架成分和细胞外环境的分析方法。目前，单一的成像技术在空间分辨率和信息量上存在局限性，而多模态和相关成像方法能够克服这些限制，通过多种成像技术对同一样本进行分析，从而提供更全面的信息。

研究方法与结果

研究人员开发了一种多模态、部分相关的高分辨率成像工作流程，用于分析人皮肤成纤维细胞（HDFs）在I型胶原蛋白支架中的结构、形态和化学特性。通过CLSFM、TPEF、SRS和SHG显微镜，研究人员观察了细胞分布、细胞骨架组织、细胞内外的脂质和蛋白质含量以及局部细胞外基质结构。结果显示，细胞在胶原蛋白支架中的分布和形态受到局部细胞外基质环境的影响，细胞在靠近盖玻片-支架界面处呈现出扁平的二维形态，而在支架内部则呈现出多极形态，具有紧凑的细胞体和少量的长突起。

结论与讨论

本研究通过多模态成像技术揭示了3D细胞培养模型中细胞与细胞外基质之间的复杂相互作用。研究结果不仅为理解细胞在3D环境中的行为提供了新的视角，还为优化3D细胞培养模型和开发新的个性化治疗方法提供了重要的理论依据。此外，该研究还展示了多模态成像技术在生物医学研究中的强大潜力，为未来的研究提供了新的思路和方法。