细胞的3D聚集体类球体的内部结构是怎样的？

细胞培养在肿瘤学、细胞生物学和组织工程中的应用正在增加。它提供了体外培养的可访问性和灵活性，同时提供了一个更接近于体内组织 3D 结构的平台。本综述重点关注细胞的 3D 聚集体，也称为球体或类器官。在这里，我们将讨论它们的应用、它们的生物学、使用这种模型的兴趣、目前用于生成这些模型的不同方法以及该领域需要改进的领域。

球状体是细胞间的相互作用而不是附着在基质上时形成的 3D 细胞聚集体。当细胞不能与固定支持物（例如培养板的塑料或玻璃表面）接触时，就会满足这些条件，并且它们开始以松散的聚集体自组装。它依赖于在胚胎发生、形态发生和器官发生中观察到的相同过程（Ryu et al. 2019）。整合素和 E-钙粘蛋白已被证明在这一过程中至关重要（Lee et al. 2012）。整合素是跨膜蛋白，可以与细胞外基质 (ECM) 成分结合，并作为网络启动细胞的聚集。然后，同源的 E-cadherin 相互作用将细胞紧密地包装在一起，并使结构演变成一个紧凑的球体。

如果使用的细胞能够产生 ECM 成分，它们可以巩固结构，而细胞由于接触相互作用而自主排列（Takezawa et al. 1993）。这创造了一个适应细胞的环境，类似于体内条件：依赖于 ECM 和细胞间相互作用的信号通路被适当激活，细胞微环境的组成和密度可以在球体内自动调节，不同来源的细胞可以分离随着时间的推移复制一个类似体内的组织。

压缩后，球体可以显示多达三个不同的层，这些层可以调节细胞的表型（Nath 等人，2016 年）。扩散现象仅限于致密聚集体内部，氧气仅少量到达其核心，生物废物保留在内层区域，只有球体的外层获得足够的养分来增殖（图 1）。它可以导致三层结构，其中中心由坏死和缺氧细胞组成，核心被一层静止细胞包围，外围细胞高度增殖并产生代谢物。这些不同域的大小取决于所使用的细胞、结构是否非常紧凑以及球体的尺寸。对于本综述中考虑的大多数细胞培养，已经观察到直径大于几百微米的球体存在坏死核心（Kim 等人 2020、Qiu 等人 2015、Nath 等人 2016）。低于这样的尺寸，营养物质和废物在球体上的扩散足以维持整个结构的健康。

许多细胞类型已被证明能够形成聚集体，例如分化的上皮细胞 (Xia et al. 2012 (Hepatocytes), Takezawa et al. 1993 (Fibroblasts))、间充质干细胞 (MSCs) (Qiu et al. 2015 (Qiu et al. 2015)脂肪来源的 MSCs)、Wang et al. 2009 (Human MSCs))、原代干细胞 (Kim et al. 2014 (鼠胚胎干细胞)) 和癌细胞系 (Froehlich et al. 2016 (MCF-7, SK-BR) -3, MDA-MB-231, 乳腺癌), Sirenko et al. 2015 (HCT116, 结肠癌, DU145, 前列腺癌, HepG2, 肝癌), Yamazaki et al. 2014 (HepG2, 肝癌))。不同细胞类型的共培养也是可能的，并且可能有助于创建更逼真的模型（Otsuka et al. 2013）。例如，成纤维细胞可以与癌细胞一起培养以形成更坚固的结构（Lee, JM et al. 2018）。来自同一组织的不同细胞类型可以形成一个球体，更好地模拟所研究器官的组织和功能。在这种情况下，可能会使用内皮细胞和形成朗格朗斯岛的不同细胞（Jun et al. 2019）。

图 1. 球体的内部组织 (A) 由坏死核心、一层静止细胞和外部增殖包膜组成的三层组织。(B) 由于扩散的限制和细胞的消耗，球体内的氧浓度降低。(C) 生物废物堆积在球体的核心，使核心更加酸性。(D) 几种细胞类型可以在球体中共培养并自动排列。

Moshksayan et al. 2018

法国4DCell公司提供的带有锚定点的类球体微孔培养板，可将细胞直接铺板在微结构化基底上，上面的锚定点有助于在介质交换期间将球体保持在每个微孔中，使类球体保持在原位可预测的位置，可实现自动图像采集分析。

下面是将细胞培养在一般的多孔培养板，和4DCell公司的产品比较：

法国4DCell公司提供的带有锚定点的类球体微孔培养板，其产品结构示意图如下：