Discoverer生物型布里渊显微镜——3D肿瘤球体力学研究的前沿突破

Discoverer生物型布里渊显微镜——3D肿瘤球体力学研究的前沿突破

在癌症研究中，肿瘤的力学特性正日益被认为是影响其进展、侵袭和治疗响应的关键因素之一。然而，传统的研究手段面临一个两难困境：原子力显微镜能够精准测量细胞的力学特性，但其接触式测量会破坏3D多细胞结构的完整性；荧光成像可以观察细胞形态和分子标记，却无法提供力学信息。Discoverer™生物型布里渊显微镜的出现，为这一困境提供了新的解决路径。

一、从单细胞到多细胞球体：一个未被完全理解的转化过程

当癌细胞在3D微环境中从单个细胞增殖为多细胞球体时，其细胞体积和细胞核体积会显著缩小。传统的观点认为这一变化主要归因于细胞周期的改变——细胞在快速增殖的过程中核质比发生变化。然而，这一解释始终缺少直接的力学证据支持。

德国德累斯顿工业大学Taubenberger课题组利用Discoverer系统，对包埋在PEG-肝素水凝胶中的MCF-7乳腺癌细胞开展了长达14天的时序追踪研究。他们发现了一个与细胞周期理论并行的力学调控路径：与单细胞相比，多细胞结构内的细胞具有增加的质量密度和更高的布里渊频移，其细胞质更为拥挤且可压缩性降低。这一发现表明，在单细胞和多细胞系统之间，细胞的体积调节机制存在差异——细胞核体积的缩小不仅仅是细胞周期的结果，还与细胞力学状态的改变密切相关。

二、技术突破：在3D活体模型中“看见”肿瘤力学

Discoverer系统的核心优势使其成为这一研究的理想工具：

无标记、非接触、长期活体追踪：采用780 nm近红外低光毒激光，无需荧光染色或机械探针接触，可对水凝胶内活体MCF-7乳腺癌球体开展长达14天的时序追踪，最大程度保留细胞原生渗透压、含水量与力学状态。

亚细胞分辨率的力学成像：布里渊图谱可以区分细胞质、细胞核乃至核仁的力学差异——这在一个完整的球体内部实现，无需任何标记。

三维体积力学信息：填补AFM等技术在3D多细胞结构力学表征方面的空白。

三、从水凝胶到类器官：多元3D模型适配

研究团队将MCF-7细胞包埋在力学性能可调、基质金属蛋白酶可裂解的PEG-肝素水凝胶中。这一微环境模拟了细胞外基质的力学和生化特性。在第1天，水凝胶中以单细胞为主；到第4天可形成约4-30个细胞组成的小细胞簇；第14天可观察到直径约为100-160µm的较大球体，通常包含200多个细胞。

除了乳腺癌球体，研究还涉及胶质母细胞瘤球体与类器官的对比分析。同一细胞系的球体表现出相对均一的生物力学特性，而来自同一患者的类器官则表现出更大的力学和生化异质性。

四、力学-生物学的跨尺度关联

布里渊显微镜提供的关键力学参数——布里渊频移和线宽——可直接反映样本的刚度与粘性。通过将这些力学数据与细胞周期状态（FUCCI报告系统）、细胞核体积、细胞质拥挤度等信息关联分析，研究人员建立了一个从“细胞密度—含水量—体积—刚度”的完整调控通路。这种跨尺度的关联分析，正是Discoverer系统多模态联用能力的最佳体现。

特征与好处

                  特征                                                                         好处

780 nm近红外激光，低光毒性                                            可对肿瘤球体进行长达14天的时序追踪，不干扰细胞正常生理状态

无标记、非接触式力学测量                                                    无需荧光染色或物理探针，保持3D多细胞结构完整

亚细胞分辨率，区分细胞质、细胞核、核仁力学差异             深入揭示细胞器层面的力学异质性

三维体积力学成像                                                                     填补AFM等技术在3D多细胞结构力学表征方面的空白

可用于多种3D模型                                                                     水凝胶、肿瘤球体、类器官等均适用

成果发表于《Advanced Science》                                            科研价值获国际顶刊认可