簡介

大多數體外細胞培養工作是在二維 (2D) 模式下進行的，這樣細胞可以在平面上生長。然而，在 2D 中培養細胞以篩選藥物可提供體內發生情況的圖像有限，因為它無法捕獲來自細胞外基質 （ECM） 的信號如何影響細胞對不同化合物的反應。相反，腫瘤細胞和細胞球可以在微孔板中培養，并在三維 （3D） 基質中成像，以便在更接近模擬體內腫瘤微環境的模型中篩選藥物。

在這里，我們將新型光交聯 3D 細胞培養平臺、Symphony® 儀器和 VersaGel® ECM 水凝膠與 ImageXpress® Micro Confocal 共聚焦高內涵成像系統配對，以展示適用于高通量篩選的 3D 檢測。VersaGel 是一種可光交聯的 ECM 水凝膠，用于 3D 體外和離體測定。這種可調諧的 ECM 水凝膠可概括人體生理學并支持多種細胞類型。腫瘤細胞懸液或細胞球可包封在 VersaGel 中。一旦細胞模型建立，可添加化合物，隨后進行細胞染色，隨后對培養物進行成像。

為了進一步提高通量，MetaXpress® 高內涵圖像采集和分析軟件允許在僅觀察到 1-4 個細胞球/孔的實驗中使用 QuickID。使用 QuickID，可在低放大倍率下快速掃描整個板，然后僅在更高放大倍率和多個 z 平面下對包含細胞球的孔或視野進行重新成像。我們展示

經化療藥物處理的三種不同 VersaGel 硬度中不同腫瘤細胞系的優化細胞球生長的結果，以說明 Symphony 和 VersaGel 如何與 ImageXpress Micro Confocal 系統搭配使用是一個簡單的工作流程，可為藥物篩選提供強大的解決方案（圖 1）。

圖 1：Symphony 和 VersaGel 3D 培養系統隨后使用 ImageXpress Micro Confocal 共聚焦系統成像，是一種生理學相關的方法，適用于高通量藥物篩選。

優勢

使用 Symphony 和 VersaGel 3D 平臺篩選 3D 細胞球中的藥物

使用自動 QuickID 靶向成像將數據采集速度

圖像生成量比標準采集少 20X

渲染 3D 對象或 2D 投影以進行分割

Materials

•       已證實的腫瘤細胞系 - U2OS, MCF-7, HCT-116

•       玻璃底，96 孔微孔板（Greiner）

•       EarlyTox Caspase-3/7-D NucView 488 檢測試劑盒（Molecular Devices，PN R8348）

•       EarlyTox 活細胞/死細胞檢測（Molecular Devices，PN R8340）

•       VersaGel ECM 水凝膠 （Cypre， Inc.）

•       Symphony 儀器 （Cypre， Inc.）

•       ImageXpress Micro Confocal 共聚焦高內涵成像系統與 MetaXpress 高內涵圖像采集和分析軟件 （Molecular Devices）

3D VersaGel 細胞球生長和成像方法 

Symphony 和 VersaGel 3D 培養平臺使用一種簡單的技術，其中液體 VersaGel 最初以 1：1 的體積比例與培養基中的細胞或細胞球混合。接下來，VersaGel/細胞球混合物被 Symphony 交聯，使整個板暴露于低強度藍光下 60 秒，以使孔內的凝膠聚合。然后可以使用 ImageXpress Micro Confocal 系統對細胞球進行成像。由于 VersaGel 是微孔的，細胞可以用小分子化合物或抗體處理，并在包封在基質中后染色并固定甲醛?；|保持附著在平板上，可在 4°C 下儲存，而不影響固定后的結構。

使用 QuickID 靶向成像提高成像效率

QuickID 通過靶向 96 孔板中成像的細胞球簡化成像。首先使用 2X 物鏡在一個視野中捕獲整個孔。識別目標對象，并使用其 X 和 Y 坐標自動獲得多個 z 平面上三個波長的更高放大倍數的圖像。該過程比高倍放大下的手動細胞球成像快 10X，產生的高分辨率圖像需要存儲的時間減少了 20X（圖 2）。

圖 2. QuickID 用于簡化細胞球圖像的采集。在低放大倍率下采集的用于在一個視野中查看整個孔的圖像被用于識別對象，以便使用跨多個 z 平面的三個波長在更高的放大倍率下自動重新成像。

優化生長和染色條件

為了優化源自 MCF-7 乳腺癌細胞的細胞球的條件，首先在超低附著微孔板中培養單個細胞球，方法是在圓底 96 孔板中接種 1，500 個細胞/孔，并培養 3-5 天。然后將培養基中的細胞球與三種不同的 VersaGel 制劑以 1：1 的體積比組合，并將 50 uL/孔轉移至玻璃底 96 孔微孔板。使用 Symphony 儀器使凝膠聚合，并且在用 Hoechst 和 Phalloidin-AlexaFluor 546 固定和染色之前，使囊封的細胞球再生長三天。MCF-7 細胞球的共聚焦圖像顯示，它們在堅硬的 VersaGel 中通常保持更緊湊，并且在軟制劑中生長的球形更少（圖 3）。

圖 3. MCF-7 細胞球在三種 VersaGel 硬度下培養。 細胞球形狀和大小略有不同，但選擇標準凝膠硬度進行進一步實驗。

使用 EarlyTox 檢測試劑盒檢測化合物對細胞球的影響

EarlyTox 活細胞/死細胞測定用于確定 U2OS 骨癌細胞球的活性。在 VersaGel 中交聯活細胞、預形成的細胞球后，它們再生長兩天，然后用化合物處理 48 小時。用通常用于 2D 細胞培養的兩倍染料濃度對細胞球進行染色，并孵育兩倍長的時間。使用 QuickID 識別細胞球，并測量活染（綠色）與死染（紅色）相比的存在（圖 4A）。結果（圖 4B）確認使用 Symphony 和 VersaGel 平臺與預成形細胞球兼容 EarlyToxLive/Dead 檢測。

圖 4. EarlyTox 活細胞/死細胞檢測與 VersaGel 中的細胞球兼容。A） 用三種不同的化合物處理預形成的 U2OS 細胞球 48 小時。B） 存在活染（綠色）和死染（紅色）時測得的毒性。腫瘤細胞球對每種藥物化合物的反應與預期一致。

然后，我們使用 EarlyTox Caspase 3/7 檢測與在標準 VersaGel 中培養的預成型 HCT-116 結腸癌細胞球，如前所述。用三種不同的化合物處理細胞球 48 小時，并使用 QuickID 識別和測定凋亡細胞核的存在（綠色）
（圖 5）。分析結果顯示對化合物的預期反應，證實了 EarlyToxCaspase 3/7 NucView 488 檢測與 Symphony 和 VersaGel 平臺的兼容性。

圖 5. EarlyTox 凋亡檢測與 VersaGel 兼容。 用三種不同的化合物處理預形成的 HCT-116 細胞球 48 小時，并通過凋亡核（綠色）的存在來測定細胞毒性。

2D 投影分析得出的結論與 3D 分析相同
MetaXpress 軟件用于比較 2D 和 3D 分析之間 HCT-116 細胞球中的凋亡。將細胞球懸浮在 VersaGel 中，并采集多個 Z 平面以收集跨越細胞球深度的圖像。所有圖像都被保存以構建 3D 對象，并且還用于創建單個 2D 最佳對焦投影（圖 6A）。

使用EarlyTox Caspase 3/7 NucView 488 檢測法測定細胞凋亡，并將 2D 投影分析與 3D 對象分析進行比較。圖形分析表明，使用 2D 和 3D 分析，依托泊苷處理可增加 HCT-116 細胞的凋亡（圖 6B）。

圖 6. 2D 和 3D 分析的比較。左圖是針對凋亡標記（綠色）和細胞核（藍色）染色的最佳聚焦圖像的疊加圖。中心圖像是使用*家藍分割的綠色凋亡細胞分析 2D 圖像時產生的分割掩膜。右圖是 3D 對象的分割掩膜，Hoechst 細胞核呈單色偽彩，NucView 488 陽性細胞呈綠色。B. NucView 488 強度的測定表明，經依托泊苷處理的細胞凋亡增加。3D 分析顯示，使用 2D 投影分析時，經處理細胞中的細胞球體積減少并不明顯。

結論

該平臺用途廣泛，是腫瘤腫瘤學研究的理想選擇。單個或大體積預形成的細胞球可轉移至 VersaGel 中，細胞也可直接在微孔板的 VersaGel 中培養。VersaGel 剛度可進行調整，以實現最佳細胞球培養。

QuickID 簡化了該過程，因此圖像的采集時間比標準成像少得多，生成的圖像也少得多，從而減少了存儲需求。此外，MetaXpress 軟件還簡化了 3D 細胞分析工作流程，能夠覆蓋細胞圖像、構建 3D 對象并將圖像折疊成單個 2D 投影進行分析，然后分割陽性細胞。

該實驗表明，將 Symphony 和 Versagel 3D 檢測與 ImageXpress Micro Confocal 共聚焦系統配對是一種多功能、強大的解決方案，可將藥物篩選提升到一個新的水平。