局部氧梯度存在于所有組織中，無論是天然的還是工程的。組織氧合影響細胞遷移、增殖和分化。缺氧環境對于某些發育過程是必要的，例如胚胎和成體干細胞需要特定的氧張力來維持其多能性、分化或維持其分化。然而，缺氧微環境也是癌癥組織的共同特征，因為它們的新陳代謝上調。多細胞腫瘤球體 （MCTS） 被認為是使用體內或體外腫瘤材料的有用體外替代方案。它們是研究抗癌藥物效果的有力工具，因為它們代表了 2D 單層細胞和常規組織結構之間的中間體。了解球狀體及其不同區域（增殖區、靜止區、壞死區）內的氧合狀態對腫瘤研究至關重要。例如，中央球狀體區域缺氧會導致核心靜止或壞死。氧合狀態可作為抗癌藥物療效的指標，有助于識別和選擇合適的個性化藥物。關于活體 3D 細胞培養物中的時間和空間分辨氧合和缺氧的信息仍然缺乏適當的生物相容性測量技術。在這里，我們提出了一種技術，該技術允許在較長時間的生長條件下對3D細胞培養模型進行空間和時間分辨監測。它可以在正常培養系統內進行自動、非侵入性測量，并提供 2D 橫截面氧分布。
材料與方法
使用二維氧成像系統VisiSens TD（PreSens，Regensburg，Germany）記錄時空梯度，該系統帶有一個特殊的顯微成像附件，該附件由顯微鏡鏡頭和適配激發光源（VisiSens TD MIC Kit）組成。SF-RPSu4氧傳感器箔（PreSens，Regensburg，Germany）用于定量局部O2濃度。使用VisiSens ScientifiCal軟件進行單圖像2D映射或時間序列圖像采集以及圖像評估。傳感器在37 °C下使用0 %和100 %空氣飽和介質進行兩點校準。
O的碎片2用硅膠（SG-1型）將傳感器箔（生長面積為0.385 cm2）粘在直徑為3.5 cm的標準培養皿的底部。白色光學隔離層從傳感器箔上剝離。用氬等離子體處理具有集成傳感器的培養皿 1 分鐘，并用 150 μl 胎牛血清 （FCS） 包被氧敏箔以支持細胞粘附。在傳感箔周圍放置一個直徑為 0.7 cm 的圓形 PDMS 腔室，以簡化球體的播種并在附著階段將其保持在適當的位置。在氧傳感器箔區域加入100μl含有單個3D培養球體（起始細胞數3000;直徑約500μm）的MCF-7培養基。培養皿的周圍區域被MCF-7培養基淹沒，以防止樣品變干。將球狀體附著在氧敏感基質表面24小時（37°C，5%CO2).
圖1：采用MIC配置的VisiSens TD氧氣成像系統圖像（左）。小型化允許將檢測器和激發單元集成到標準細胞培養箱中。傳感器箔粘在細胞培養培養皿的底部，培養皿可以放置在讀出單元的樣品架上。MCF-7 球體在粘附在傳感器箔片上時形成半球形結構（右）。生物相容性氧敏箔由成像系統的 LED 激發，發射由靈敏相機映射。自動測量由VisiSens ScientifiCal軟件控制。
結果
播種后，球體固定在傳感器箔上，附著在2D傳感器箔上并構建半球形結構。CaAM染色后，通過共聚焦激光掃描顯微鏡確認半球形和附著在傳感器箔上的附著（見圖2A）。3D 組織的滲透性和透明度有限，阻礙了染料的擴散和激發光穿透到球體的更深部分。因此，CaAM在外球體區域的活細胞中顯示亮綠色熒光，球狀體內有黑色區域。來自原始球狀體的一些細胞長出并擴散到半球周圍。紅色發光由傳感器箔發出。連接到平面氧傳感器箔的半球形結構能夠記錄球體和傳感器箔之間的接觸區域的直接橫截面二維氧圖，并可視化其中的任何梯度。成像系統聚焦在具有粘附球體的傳感器箔上。在12小時內每15分鐘自動拍攝一次圖像，以證明長期監測球體橫截面的可能性。
圖2：（A）MCF-7球體在傳感器箔上的相差顯微照片（左）和附著在傳感器箔（紅色）上的CalceinAM染色半球形球體（綠色）的3D共聚焦激光掃描顯微照片。（B） 在生長條件下 12 小時時程內繪制時空氧濃度的圖像系列。氧濃度以偽彩色給出。（C） 三個典型感興趣區域的氧合時間變化的比較：球狀體區域周圍的散裝介質（矩形 ROI）、球狀體外緣和中心部分的增殖區（圓形 ROI）。比例尺 200 μm。
圖 2B 顯示了在生長條件下沿 12 小時時間序列以偽彩色顯示的 MCF-7 球狀體橫截面的示例性 2D 氧圖。在0h時，將新鮮培養基加入培養皿中，引起再氧化。球體的內核在前兩個小時內迅速再次變為缺氧，從偽色標的紫色和藍色中肉眼可以清楚地看到。在2D氧圖中，通過球狀體區域的氧梯度也變得清晰可見。除了視覺偽彩色表示外，VisiSens評估程序還允許自由選擇氧氣圖像中不同部分的感興趣區域（ROI），提供所選區域的平均值和統計數據。氧氣濃度范圍為全氧合介質（pO2150 至 160 torr），到通過增殖區（100 至 50 torr）的陡峭梯度和球體中心的缺氧靜止區（低至 20 torr）。基于圖像的氧氣映射的另一個優勢是，可以隨著時間的推移研究不同的ROI，從而深入了解整個實驗中的時間變化。圖 2C 顯示了 12 小時內培養基、增殖區和球狀體缺氧核心的比較
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