zenCELL owl活細(xì)胞成像系統(tǒng)助力神經(jīng)細(xì)胞-微纖維相互作用研究

在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，構(gòu)建精確的 3D 細(xì)胞培養(yǎng)模型極具挑戰(zhàn)，模擬如大腦、脊髓等超軟組織則更加困難。傳統(tǒng)的水凝膠符合這類(lèi)組織的部分特性，但機(jī)械強(qiáng)度較弱，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求。已有研究使用Melt Electrowritten（MEW）支架進(jìn)行3D 構(gòu)建，卻依然存在結(jié)構(gòu)與水凝膠交織、實(shí)驗(yàn)操作不便、限制神經(jīng)元調(diào)整纖維排列，以及無(wú)法同時(shí)進(jìn)行細(xì)胞和支架的生物打印等問(wèn)題。為解決這些難題，將PCL 微纖維或納米纖維增強(qiáng)材料摻入生物墨水中，用于改善生物墨水的可打印性，提高水凝膠的機(jī)械完整性，還可以支持細(xì)胞黏附、分化和增殖。因此研究不同微纖維與神經(jīng)元細(xì)胞的相互作用，成為探索微纖維材料最適合神經(jīng)元模型的關(guān)鍵。

德國(guó)維爾茨堡大學(xué)醫(yī)院臨床神經(jīng)生物學(xué)研究所的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，聚焦于不同微纖維的形態(tài)和力學(xué)特性，及其與神經(jīng)細(xì)胞之間的相互作用。通過(guò)精確控制微纖維的尺寸、形態(tài)、力學(xué)特性和表面化學(xué)性質(zhì)，分析這些因素對(duì)神經(jīng)細(xì)胞行為的影響。相關(guān)研究成果以“Impact of Polymorphic Microfibers for Establishment of Neuronal Model”為題發(fā)表于《Nnao Select》雜志上。
 

 

在本文中，innoME公司的zenCELL owl活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像及分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄微纖維與NSC-34細(xì)胞的相互作用過(guò)程，并對(duì)圖片和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到定性和定量結(jié)果。NSC-34細(xì)胞是一種具有運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元特性的細(xì)胞系，由富含運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的胚胎小鼠脊髓細(xì)胞與小鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤 N18TG2 融合而成，作為研究運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元生物學(xué)的重要模型，常被用于研究脊髓的神經(jīng)退行性疾病。該細(xì)胞包含兩種細(xì)胞群體：圓形、未成熟、幾乎沒(méi)有突起的細(xì)胞，以及經(jīng)歷分化、長(zhǎng)突起的細(xì)胞，類(lèi)似成熟的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元細(xì)胞。將zenCELL owl 置于在37°C、5% CO₂的培養(yǎng)箱內(nèi)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以每5分鐘一次的高頻次獲取圖像，并生成長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)視頻，清晰展示了細(xì)胞與微纖維之間的動(dòng)態(tài)互動(dòng)過(guò)程。

研究發(fā)現(xiàn)，不同微纖維引發(fā)的細(xì)胞行為差異明顯，而細(xì)胞對(duì)不同形狀、表面涂層和機(jī)械性能的微纖維反應(yīng)也不同。PCL Db + 微纖維會(huì)被細(xì)胞收集、攜帶或拖動(dòng)，其細(xì)胞 - 微纖維組合的移動(dòng)距離比未接觸細(xì)胞的微纖維長(zhǎng)約 25 倍（圖1A）；PCL Rd + 微纖維主要被細(xì)胞在邊緣接近，然后翻轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸細(xì)胞的微纖維約每 10 幀就有一次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而未接觸細(xì)胞的微纖維在超 500 幀中僅有三次較大方向變化（圖1B）；Coll Rd 微纖維會(huì)使細(xì)胞聚集，隨著時(shí)間推移，細(xì)胞簇?cái)?shù)量減少，但覆蓋總面積增加（圖1C）。

圖1 NSC - 34 細(xì)胞與不同類(lèi)型微纖維之間的相互作用行為，第一行是通過(guò)BioRender.com創(chuàng)建的細(xì)胞行為示意圖，第二行是zenCell Owl的監(jiān)測(cè)圖片，第三行是分析的軌跡圖 Tracks 1 – 4（左下）和量化分析圖（右下）。其中， PCL Db+表示涂有膠原蛋白 I 的 PCL 啞鈴形微纖維，PCL Rd+表示涂有膠原蛋白 I 的 PCL 桿形微纖維，Coll Rd表示純膠原蛋白 I 桿形微纖維

研究團(tuán)隊(duì)還使用 Matrigel 水凝膠作為細(xì)胞外基質(zhì)，對(duì)NSC-34 細(xì)胞與不同微纖維的相互作用進(jìn)行了3D培養(yǎng)驗(yàn)證，并觀察到與2D培養(yǎng)中類(lèi)似的 NSC-34 細(xì)胞行為（圖 2A–C）。

圖2 NSC-34 細(xì)胞在 Matrigel水凝膠中與不同微纖維相互作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程，細(xì)胞與纖維相互接觸，并進(jìn)一步形成細(xì)胞簇（紅色箭頭）

細(xì)胞與微纖維的相互作用受微纖維特性影響顯著，主要由微纖維的表面化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)特性和形狀所決定，為開(kāi)發(fā)更精確的三維神經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)模型提供了重要的理論依據(jù)。通過(guò)選擇合適的微纖維特性，可以更好地模擬神經(jīng)細(xì)胞在體內(nèi)的生長(zhǎng)環(huán)境，從而為神經(jīng)科學(xué)的研究和神經(jīng)退行性疾病的治療提供新的思路和方法。而zenCELL owl在這一研究中的成功應(yīng)用，也充分展示了其在細(xì)胞行為觀察和研究中的強(qiáng)大功能和潛力。

德國(guó)innoME公司研發(fā)的zenCELL owl活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像及分析系統(tǒng)，提供了一種創(chuàng)新的解決方案。該系統(tǒng)基于非標(biāo)記、非侵入的方法，能夠在細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，通過(guò)24個(gè)顯微成像鏡頭對(duì)24個(gè)視野進(jìn)行連續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和圖像獲取，為用戶(hù)提供高質(zhì)量圖像、視頻、統(tǒng)計(jì)學(xué)曲線和定量數(shù)據(jù)。

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文獻(xiàn)原文閱讀：
https://doi.org/10.1002/nano.202400122

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