Nature子刊：利用Cell Painting实现3D球状体的高内涵分析

瑞典乌普萨拉大学等机构的研究人员近日对Cell Painting方法进行改良，以观察3D肿瘤球状体内的单个细胞。两种在2D单层培养物中表现几乎相同的药物，在3D环境中表现出完全不同的作用。

　　

Cell Painting（细胞全景绘制）是一种广受欢迎的高内涵成像分析方法，能够大规模捕捉2D细胞培养物的形状和内部结构。

尽管3D培养物是生理上更相关的模型，但由于光线在到达培养物内部之前就会发生散射，因此对成像而言仍具有挑战性。

瑞典乌普萨拉大学等机构的研究人员近日对Cell Painting方法进行改良，以观察3D肿瘤球状体内的单个细胞。这项成果于10月21日发表在《Nature Communications》杂志上。

两种在2D单层培养物中表现几乎相同的药物，在3D环境中表现出完全不同的作用。研究人员将这种差异归因于每种药物激活细胞p53应激反应的方式不同。

Cell Painting技术对细胞的主要部分进行染色，比如细胞核、线粒体和细胞内部支架，以便在显微镜下对其进行详细拍摄。药物开发人员利用该技术来观察药物如何改变细胞。

不过，到目前为止，它主要应用于2D单层培养的细胞。为此，研究人员开发出一种可扩展方法，使其适用于3D球状体。

他们在实验室培养板中将肠癌细胞培养成微球。之后，利用一种简单的糖和甘油溶液让微球变得透明，这样显微镜就可以观察到微球内部的单个细胞，并测定每个细胞形状和结构的各个细节。

共同第一作者、乌普萨拉大学的Christa Ringers博士表示：“细胞在三维环境中生长时表现不同，但大多数筛选方法要么采用平面培养，要么将整个3D样本压缩成一张图片。我们希望保留单个细胞的细节，同时仍能测试多种药物。”

研究团队测试了52种为癌症治疗而开发的药物。他们发现，与扁平化的球状体视图相比，单细胞指纹能够更可靠地解析药物作用。

值得注意的是，两种药物（化疗药5-氟尿嘧啶和靶向药奥拉帕尼）在平面培养中几乎无法区分，但在球状体中却表现出不同的作用。

只有当研究人员单独观察每个细胞时，这种差异才会显现，而将每个微球作为整体观察时则无法察觉。

后续实验还有一个意外发现。5-氟尿嘧啶造成的DNA损伤比奥拉帕尼小，但在抑制细胞分裂方面效果更好。基因活性分析指向了p53通路，5-氟尿嘧啶对该通路的激活作用更强烈。

研究人员表示：“这个工作流程在转盘式共聚焦显微镜上运行，采用标准的384孔板格式，让已开展Cell Painting的实验室能够轻松开展单细胞3D分析。”

这项研究是在实验室的两种癌细胞系中进行的，并未揭示这些药物在患者体内的作用机制。研究人员如今希望将这种方法应用于更复杂的3D模型，比如由患者组织培养而成的类器官。