BioTechniques：成像技术如何追上3D培养的脚步

随着3D细胞培养模型变得越来越复杂，它们也需要更加强大的工具对其进行分析。在本期的《BioTechniques》杂志上，Joseph Martin介绍了显微镜技术如何跟上这个迅速发展的领域。

　　

如今，研究似乎正朝着快速发展的3D培养领域转移，这让研究人员能够重建微型化的器官，从而深入研究疾病机制，并开发治疗药物。对于组织和疾病研究以及药物发现和分析领域而言，3D细胞培养都代表了巨大的进步。

尽管3D培养的应用潜力大大增加，但与之相关的成像和分析方法却有些滞后。随着3D细胞模型变得越来越复杂，它们也需要更强大的工具对其进行分析。如今的大多数分析技术都是为2D培养而开发的，因此向3D转换的过程并不理想。这篇文章介绍了研究人员如何开发更先进的技术以面对这些挑战。

不要标记

文章指出，共聚焦荧光显微镜是目前研究3D培养体系的金标准。不过，这项技术仍然存在一些局限性。常规的共聚焦显微镜是半定量的，需要对细胞进行标记，这可能影响细胞功能和细胞进程。

德克萨斯大学西南医学中心的Bruno da Rocha-Azevedo认为：“如果标记太多，那么你将无法检测到单分子颗粒。另一方面，如果标记太少，那么就没有足够的颗粒可被检测到，因此你看不到受体的相互作用。”

Berdeu等人早前开发出3D+时间的无透镜显微镜，以解决da Rocha-Azevedo强调的标签问题。这款3D成像平台可以直接放在培养箱中，进行多角度图像采集和3D细胞培养物的全息重建，便于人们观察3D环境下的细胞迁移，以及各种相互作用。

Kallepitis等人则利用拉曼光谱技术开发出一种无标记的定量成像方法，可用来观察3D细胞的形态，并定量生物分子的体积。他们将这种新方法称为“体积定量拉曼成像”。这种方法为研究3D培养系统中细胞与材料之间的相互作用开辟了新角度，并有望揭示过去难以测定的细胞行为和功能。

da Rocha-Azevedo所关注的问题似乎已经得到了回答，但需要付出一定的代价，无论是分辨率还是特异性。在高分辨率的活细胞3D成像的梦想实现之前，仍有一段路要走。

忘掉背景

组织透明化让人们可观察动物器官的细胞结构。然而，成年人的器官很难观察，因为不溶分子在较老的组织中不断积累。为了克服这些挑战，德国的研究人员开发出一种新的显微成像方法，能够让完整的人体组织变得透明。

研究人员发现，一种名为CHAPS的去垢剂能够在人体器官上形成“小孔”，通过这些小孔就可以加入溶液让器官变得透明。他们随后与德国美天旎合作开发出一种新型的激光扫描显微镜，对大的器官进行成像。最后，他们还开发出深度学习算法，来解决数据分析的挑战。

如今，人们正利用这种名为SHANEL的技术来绘制人体的一些主要器官，包括胰腺、心脏和肾脏。这些细胞图谱可应用在新兴的3D生物打印技术中，以便生产出人体组织和器官进行移植。

肿瘤研究

建立精准的模型来了解肿瘤的特征，对于了解各类癌症之间有何关联至关重要。利用3D细胞培养方法培养的肿瘤细胞正获得肿瘤学家的关注，因为它们有望复刻肿瘤细胞的体内环境。

目前，脑肿瘤研究的金标准方法是动物模型，但这是一个昂贵而又漫长的过程。美国东北大学的研究人员近日尝试3D打印技术，以改进胶质母细胞瘤的建模和成像。通过体外3D建模，他们能够实时观察肿瘤细胞的生长。他们还能够同时打印3D肿瘤模型和3D血管通道，因此肿瘤模型中充满了血管。通过这种方式，研究人员可以开展长期研究，更好地反映现实中的治疗过程。

正如前文所述，成像过程仍然是研究3D模型的挑战之一。3D模型通常很厚，至少有几厘米。共聚焦显微镜只能对不到一毫米的物体进行成像。此外，3D图像的重建可能需要几小时，这会导致样本光漂白。

为了解决这一问题，研究人员开发出一种新颖的成像技术。它利用激光扫描肿瘤，并捕获和追踪来自组织的散射光。之后，他们采用能够识别散射光子原始位置的数学模型来重建图像。更重要的是，这个过程相当快，只需几分钟就能从培养箱中取出样本，对细胞的破坏很小。

尽管这项技术确实为3D模型带来了图像，但也是有代价的。增加成像的深度和速度，则会导致分辨率的降低。研究人员能够观察肿瘤的整体生长。不过，他们无法在细胞水平上成像。

作者认为，3D细胞培养的未来不仅取决于显微镜技术的发展，还取决于数据分析和解释工具的发展。本文所列举的研究仅仅代表了该领域技术发展的一部分。尽管仍存在一些缺陷，但现有方法的局限性正慢慢得到解决。随着3D细胞成像的改善，肿瘤模型、癌症治疗方法和疾病检测方法也将随之发展。

原文检索

Seeing the full picture: advances in 3D cell culture microscopy
BIOTECHNIQUES VOL. 69, NO. 2