各向异性微粒在二维（2D）和三维（3D）培养系统中的细胞摄取

《Biomaterials Advances》：Cellular uptake of anisotropic microparticles in 2D and 3D culture systems

【字体：大中小】 时间：2025年12月30日 来源：Biomaterials Advances 6

编辑推荐：

　　3D细胞培养模型中不同形状血红石微颗粒的细胞摄取机制研究，发现杆状颗粒在3D癌症球体中摄取效率最高且深入细胞核心，揭示了形状和细胞微环境对摄取的影响，3D模型显著提高药物敏感性评估准确性。

美国佛罗里达州塔拉哈西市FAMU-FSU工程学院化学与生物医学工程系，邮编32310

摘要

三维（3D）细胞培养模型通过更好地模拟体内微环境（包括细胞外基质相互作用、细胞间接触和营养梯度），为传统的二维（2D）培养提供了一种更具生理相关性的替代方案。虽然3D培养中纳米粒子的摄取现象已得到广泛研究，但微粒的内化过程仍较少被探讨。本文研究了通过溶胶-凝胶法合成的不同形状（立方体、椭球体和棒状）的单分散各向异性赤铁矿微粒在2D和3D培养的正常细胞及癌细胞系中的摄取情况。结合显微镜和光谱技术，我们发现了形状依赖性的摄取模式：棒状微粒的内化程度显著增强，尤其是在3D癌细胞球体中。共聚焦Z-stack成像进一步表明，与其它形状的微粒相比，棒状微粒能更深入地渗透到球体核心，这突显了粒子长宽比和细胞微环境对摄取效率的影响。细胞毒性实验显示2D培养与3D培养之间存在差异，强调了3D模型在评估治疗平台中的重要性。这些发现有助于加深对微粒在复杂组织环境中行为的理解，为改进药物递送、组织工程和再生医学应用提供了支持。

引言

二维（2D）细胞培养是一种常用的体外研究细胞行为和反应的方法。作为分析细胞对刺激反应的广泛接受的方法[1]，2D细胞培养是在平坦表面上（通常是在培养皿或烧瓶中）培养细胞。这种方法便于观察和操作细胞；然而，这些条件无法准确模拟体内的自然环境，包括组织微环境、细胞间相互作用以及细胞对治疗和药物的反应[2]。因此，药物发现和再生医学的进展受到阻碍，难以预测和理解细胞对治疗和药物的反应。为克服这一不足，3D细胞培养模型的开发成为了一种有前景的替代方案，它能够更好地再现组织的复杂性和异质性[3]，为细胞提供更真实的微环境，包括细胞外基质成分、细胞间相互作用和营养梯度[4]，并有助于深入了解细胞增殖、分化、迁移和药物敏感性。已有多种技术（如悬滴法、强制漂浮法、基质支架法和搅拌法）用于创建3D细胞培养系统[[5], [6], [7], [8], [9]]。此外，使用基质支架的研究显著增加，因为这些支架能够紧密模拟天然细胞外基质（ECM）的特性[5,6,10,11]。例如，源自人组织的细胞外基质（hDAM）支架为乳腺癌细胞生长和药物测试提供了仿生的3D微环境。与传统的2D培养相比，使用hDAM的培养能够更准确地模拟体内条件，显示出细胞增殖、迁移、形态和药物反应的显著差异[12]。类似的基质也被用于构建3D肿瘤模型，癌细胞可以在其中自组装成多细胞球体。利用这些材料进行3D培养的药物筛选实验表明，与传统培养相比，细胞对抗癌药物的抵抗性更强，这突显了3D模型在体外药物测试中的潜力[13]。

纳米粒子因其独特的特性和功能，在药物递送和组织工程等领域具有广泛应用前景[[14], [15], [16]]。已有许多关于纳米粒子在2D和3D细胞培养中摄取的研究[[18], [19], [20]]。最近的研究使用人类肠道类器官和球体（直径400微米）来评估纳米粒子的摄取情况，发现2D和3D培养都能使纳米粒子充分渗透。载有多柔比星的纳米粒子比溶解态药物能更深入肿瘤球体，这表明体外肠道模型在开发用于局部治疗的纳米药物方面具有潜力[19]。除了纳米粒子，微粒在过去几十年中也受到了广泛关注，因为它们具有独特的性质和多功能性。微粒的定义是直径在1到1000微米之间的颗粒。与纳米粒子相比，微粒具有多个优势：直径大于100纳米的微粒通常不会通过淋巴系统扩散，从而在局部产生更强的效果，并且在皮肤中的滞留时间更长。肺部递送受益于直径小于10微米的微粒，因为它们可以到达肺泡区域；而直径小于20微米的微粒进入血液后可以被吞噬细胞吞噬。微粒可以制成固体、液体或半固体剂型，可通过皮下、静脉、肌肉或口服途径给药。在疫苗配方中，它们可以提高溶解度和生物利用度，共同递送多种生物活性成分，促进可控、持久的靶向释放，并增强免疫反应。因此，它们在药物递送、组织工程、再生医学、成像和诊断应用中发挥着重要作用。微粒的可定制尺寸、成分和表面功能使其能够精确控制生物相互作用[21,22]。

微粒的形状对其生物活性至关重要，尤其是在粒子摄取过程中。粒子几何形状强烈影响粘附、内吞作用、循环和生物分布。球形微粒通常内化速度更快，而盘状或椭圆形微粒则表现出更长的循环时间和更好的靶向性。圆柱形或棒状微粒比球形微粒能触发更强的细胞摄取和更强的生物反应，长宽比进一步决定了摄取效率。除了整体几何形状外，粒子在细胞-膜界面处的局部曲率和方向也决定了是否会发生吞噬作用，因为高曲率区域有利于内化。这些发现表明，全局和局部形状特征对粒子-细胞相互作用、药物摄取和治疗效率有重要影响[23,24]。这些见解突显了形状工程微粒在药物递送、组织工程和机械生物学中的重要性，并为我们的研究奠定了基础，该研究探讨了不同微粒几何形状在2D和3D培养系统中的效应[25,26]。此外，3D基质的物理性质也会影响细胞对纳米/微粒的摄取。据报道，随着网络硬度和密度的增加，纳米/微粒的扩散能力会降低[27]。在3D基质中，细胞摄取机制包括复杂的过程，这些过程与2D培养中观察到的过程有显著差异，因为细胞表现出不同的表型、基因表达谱和信号通路的变化[[28], [29], [30]]。这些因素可能显著影响粒子的内化动力学和细胞内运输途径。尽管关于纳米粒子的研究较多，但关于微粒（尤其是非球形微粒）在2D和3D培养中的摄取研究相对较少。

了解微粒与2D和3D培养细胞的相互作用有助于发现增强基于微粒的药物递送系统有效性的新策略。微粒-细胞行为的一个关键方面是形状依赖性的相互作用，其中微粒的较大尺寸和多样化的几何形状便于通过显微镜进行研究。本文探讨了几何形状和细胞类型对微粒药物递送平台的影响，评估了各向异性微粒的摄取差异，例如它们独特的物理性质以及与正常细胞和癌细胞系的相互作用。

结果与讨论

通过溶胶-凝胶法合成了尺寸相似但几何形状不同的赤铁矿（Fe?O?）微粒（图1A）。扫描电子显微镜（SEM）拍摄的微粒照片分析显示，未添加Na?SO?合成的微粒呈现伪立方体形态，尺寸约为1.2微米；而添加Na?SO?合成的微粒呈现椭球体形状（长约1.3微米，宽约0.9微米）和棒状结构（长约1.6微米，宽约0.5微米）。

结论

在本研究中，我们证明了各向异性赤铁矿（Fe?O?）微粒在2D和3D培养的成纤维细胞及上皮细胞系中表现出不同的形状依赖性摄取行为。棒状微粒的内化程度最高，其次是椭球体和立方体形状的微粒。共聚焦Z-stack成像显示，棒状微粒在代谢活跃的MDA-MB-231癌细胞球体中的渗透更深，摄取更广泛。

材料

三氯化铁（III）、氢氧化钠、硫酸钠、MTT、细胞松弛素D、染料木黄酮和盐酸氯丙嗪均购自Sigma Aldrich（美国）。Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）购自Gen Clone。青霉素-链霉素溶液和胰蛋白酶购自Corning（美国）。

赤铁矿微粒的合成

赤铁矿微粒的合成采用之前报道的溶胶-凝胶方法[42]。通过添加硫酸钠来控制微粒的形状。

CRediT作者贡献声明

纳夫尼特·考尔（Navneet Kaur）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、概念化。安妮·斯库特（Annie Scutte）：撰写 – 审稿与编辑、方法学。玛丽·琼·萨维茨基（Mary Jean Savitsky）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。王琪（Qi Wang）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。皮查伊马里·格纳纳塞卡（Pitchaimari Gnanasekar）：撰写 – 审稿与编辑、正式分析。汉娜·马托斯·皮门特尔（Hannah Matos Pimentel）：撰写 – 审稿与编辑。杨大志（Dazhi Yang）：撰写 – 审稿与编辑。