研究背景

腫瘤球體（3D細(xì)胞模型）比傳統(tǒng)2D培養(yǎng)更能模擬真實(shí)腫瘤的微環(huán)境，但其內(nèi)部代謝異質(zhì)性（如外層增殖細(xì)胞與內(nèi)層壞死核心的差異）一直缺乏高精度分析方法。現(xiàn)有方法仍存在局限：要么需要切片樣本并在真空環(huán)境下操作，要么難以實(shí)現(xiàn)對(duì)球體內(nèi)細(xì)胞的電離檢測(cè)。

研究?jī)?nèi)容

南京大學(xué)江德臣教授團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種基于納米毛細(xì)管電噴霧電離質(zhì)譜（ESI-MS） 技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)活體腫瘤球內(nèi)部不同區(qū)域（外層/內(nèi)層/下層）代謝異質(zhì)性的原位空間分析，全面揭示了腫瘤球體內(nèi)部的代謝異質(zhì)性。研究團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)結(jié)合顯微操控精確定位納米毛細(xì)管，實(shí)現(xiàn)了從單個(gè)活體腫瘤球體不同區(qū)域（外層/內(nèi)層/下層）的原位細(xì)胞成分采樣及代謝分析。在納米毛細(xì)管穿透腫瘤球體過程中，球體外層形成的“傷口表面”僅占球體整個(gè)區(qū)域的0.1%，這一面積大限度地維持了球體內(nèi)細(xì)胞活性，為代謝分析提供了理想條件。研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤球體外層細(xì)胞與二維培養(yǎng)細(xì)胞的代謝成分存在顯著差異，表明球體培養(yǎng)中細(xì)胞間及其與微環(huán)境的相互作用更為頻繁。這一成果不僅為單個(gè)活體腫瘤球代謝異質(zhì)性的原位分析提供了有力工具，也為理解三維培養(yǎng)模型的代謝特性提供了分子依據(jù)。相關(guān)工作以“In Situ Spatial Analysis of Metabolic Heterogeneity in Single Living，Tumor Spheroids Using Nanocapillary-Based Electrospray Ionization Mass Spectroscopy”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Analytical Chemistry》上。

圖1.納米毛細(xì)管電噴霧電離質(zhì)譜（ESI-MS）采樣裝置示意圖及后續(xù)分析流程。右側(cè)腫瘤球體圖像顯示外層與內(nèi)層均呈現(xiàn)黑色素沉積區(qū)域。

該研究利用固定于顯微操作系統(tǒng)上的納米毛細(xì)管，在顯微鏡實(shí)時(shí)觀察下，精準(zhǔn)定位并插入活體腫瘤球的不同區(qū)域（外層、內(nèi)層、貼近培養(yǎng)基底的下層）細(xì)胞成分；通過觀察腫瘤球體內(nèi)外層顏色差異（內(nèi)層更深）引導(dǎo)插入深度，外層僅推進(jìn)約5μm，內(nèi)層則深入約200μm；插入前，毛細(xì)管已預(yù)裝超純水并連接可控負(fù)壓裝置，尖端到達(dá)目標(biāo)區(qū)域（外層或內(nèi)層）后，施加負(fù)壓即可實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤球體內(nèi)部特定區(qū)域（需在區(qū)域內(nèi)不同位置重復(fù)采樣）細(xì)胞成分的微創(chuàng)提取。成功提取后，將毛細(xì)管尖端置于電噴霧離子源噴口約1厘米處，通過在金屬絲處施加高電壓來實(shí)現(xiàn)電噴霧過程，達(dá)到從活體腫瘤球內(nèi)不同區(qū)域進(jìn)行多種物質(zhì)質(zhì)譜分析的目的。

研究結(jié)果

圖2. (a)利用納米毛細(xì)管對(duì)單個(gè)活體腫瘤球體內(nèi)局部采樣進(jìn)行明場(chǎng)成像，比例尺為100 μm。（b）和(c) 分別為腫瘤球體外層和內(nèi)層的細(xì)胞成分質(zhì)譜圖。(d)腫瘤球體內(nèi)層與外層代謝物的主成分分析結(jié)果。

圖3.(a)腫瘤球體下層細(xì)胞成分的質(zhì)譜圖。(b)腫瘤球體下層與外層代謝物的主成分分析結(jié)果。

圖4.(a)單個(gè)二維培養(yǎng)CT-26細(xì)胞的質(zhì)譜圖。(b)二維培養(yǎng)CT-26細(xì)胞與腫瘤球體外層細(xì)胞的代謝物主成分分析。

圖5.(a)400μm尺寸腫瘤球體中代謝物的主成分分析結(jié)果，包含內(nèi)層、下層和外層。(b)400μm尺寸腫瘤球體內(nèi)層、下層及外層前25位差異代謝物的熱圖分析。

顯微操作系統(tǒng)

顯微操作系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱微操）一種用來在顯微鏡下對(duì)細(xì)胞進(jìn)行細(xì)微手術(shù)和注射的裝置，該裝置受機(jī)械或軟件控制，通過人工手動(dòng)或電動(dòng)操縱，將玻璃毛細(xì)管尖兒端、電極或探針等安裝在微操上，每次以μm或nm進(jìn)行移動(dòng)。利用甚小的工具做抓、切、擠壓、注入、縮回等動(dòng)作。

產(chǎn)品功能