布里渊显微镜揭示3D乳腺癌单细胞向多细胞转化的体积调控
三维肿瘤微环境力学研究的技术瓶颈
细胞体积、细胞核形态与细胞刚度是调控肿瘤增殖、成团、侵袭转移的核心力学表型。相较于二维平板培养，3D 水凝胶、肿瘤球体、类器官更贴合体内肿瘤微环境，但传统检测手段存在难以逾越的局限：
细胞体积、细胞核形态与细胞刚度是调控肿瘤增殖、成团、侵袭转移的核心力学表型。相较于二维平板培养，3D 水凝胶、肿瘤球体、类器官更贴合体内肿瘤微环境，但传统检测手段存在难以逾越的局限：
- 接触式力学检测（AFM、微针）：需机械探针触碰样本，破坏 3D 多细胞结构，无法原位追踪球体内部细胞力学变化；
- 荧光 / 共聚焦成像：仅能观测细胞形态、周期分布，无法定量获取细胞刚度、折射率、含水量等力学参数；
- 标记类成像手段：荧光染料易引发光毒性、光漂白，长期活体培养实验会干扰细胞原生生理状态；
- 空间分辨率局限：难以区分肿瘤球体核心细胞与外周侵袭细胞的原位力学梯度，无法同步关联细胞核尺寸、细胞质拥挤度与弹性模量变化。
现有研究仅能通过细胞周期理论部分解释 3D 肿瘤细胞体积缩小现象，缺少无标记、非侵入、三维同步定量的力学表征工具，难以厘清 “细胞密度 — 含水量 — 体积 — 刚度” 完整调控通路。德国德累斯顿工业大学 Taubenberger 课题组依托CellSense 生物型布里渊显微镜Discoverer，突破传统技术壁垒，完整解析单细胞向多细胞肿瘤球体转化、肿瘤细胞向外侵袭全过程的细胞体积可塑性与力学演变规律，成果发表于知名期刊《Advanced Science》。
生物型布里渊显微镜研究优势
生物型布里渊显微镜研究优势
- 无标记 + 非接触无损测量，适配长期活体 3D 肿瘤模型：采用 780 nm 近红外低光毒激光，全程无需荧光染色、无机械探针接触，可对 PEG - 肝素水凝胶内活体 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，规避染料、机械挤压带来的实验偏差。
- 三维力学成像：无需机械接触，即可直接获得三维空间的力学信息，检测范围覆盖细胞器、单细胞、细胞球、类器官、复杂组织，以及斑马鱼、秀丽隐杆线虫等生物，尤其适合活体研究；
- 快速扫描：可以对细胞力学信号进行快速mapping，大幅提升检测效率；
- 高兼容性易集成：可与实验室常规的正置、倒置显微镜或者共聚焦联用；
- 操作简单：全自动化仪器设置与校准，无需复杂调试流程。
图1. 生物型布里渊显微镜Discoverer
3D 乳腺癌球体体积与力学调控机制研究
来自德国德累斯顿工业大学的Taubenberger课题组，在3D水凝胶基质中，由单个癌细胞培养出多细胞结构，以模拟早期肿瘤的形成。单细胞在形成多细胞结构的过程中，其细胞和细胞核体积显著缩小，部分可归因于细胞周期的改变。然而，课题组使用CellSense 生物型布里渊显微镜-Discoverer发现，独立于细胞周期效应，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，表明单细胞和多细胞系统之间的细胞体积调节机制存在差异。
课题组着手研究了单细胞在模拟细胞外基质的水凝胶中形成球体时的体积变化，以此作为肿瘤微组织形成的体外模型。课题组将单个MCF-7乳腺癌细胞包埋在力学性能可调且MMP（基质金属蛋白酶）可裂解的PEG-肝素水凝胶中。在第1天以单细胞为主；到第4天可形成约4-30个细胞组成的小细胞簇（图2B）。在第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（图2B）。
课题组着手研究了单细胞在模拟细胞外基质的水凝胶中形成球体时的体积变化，以此作为肿瘤微组织形成的体外模型。课题组将单个MCF-7乳腺癌细胞包埋在力学性能可调且MMP（基质金属蛋白酶）可裂解的PEG-肝素水凝胶中。在第1天以单细胞为主；到第4天可形成约4-30个细胞组成的小细胞簇（图2B）。在第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（图2B）。
图2. 在水凝胶中由单细胞构建多细胞结构
通过共聚焦显微成像等方法，课题组首先确认了与单细胞相比，球体内细胞的细胞核体积大幅缩小。其次，实验和理论模型均表明，细胞周期向变化可以解释随着培养时间推移所观察到的细胞及细胞核体积的缩小。然而，与理论模型相反，与单细胞相比，实验中S/G2期细胞的积聚并未使缩小的细胞核体积完全恢复，暗示在多细胞状态下，存在导致细胞核体积变化的额外因素。
课题组发现，从多细胞结构中游离出来的细胞，其细胞核体积与原位测量的体积相比有显著增加（图3A），猜测游离后相对较快的细胞核体积膨胀是由于通过改变细胞内水分含量来进行细胞体积调节所致。通过比较水凝胶内MCF-7单细胞和小细胞簇（第1天和第4天）的折射率，得出细胞簇具有更高的质量密度（图3E）。细胞质量密度的变化也会影响细胞的可压缩性。因此，课题组使用CellSense的布里渊显微镜绘制了单细胞和多细胞结构的弹性特性分布图（图3F），发现与小细胞簇（第4天）和单细胞（第1天）相比，MCF-7球体（第14天）的布里渊频移显著更高，表明纵向模量随着细胞簇的增大而相对增加（图3G）。生长中的细胞簇内的细胞缩小了其细胞质和细胞核体积，除了上述细胞周期分布的调整外，这很可能是由细胞的相对细胞内水分含量减少所引起的，而这也影响了细胞的力学特性。
图3. 多细胞结构内的细胞具有更紧密的细胞质和更低的可压缩性
接下来，课题组考虑了相反的情况，即起源于肿瘤球体的细胞以单个细胞或小群细胞的形式侵袭周围基质。因此，课题组建立了一种侵袭性肿瘤的体外模型（图4A），发现与球体内细胞相比，侵袭细胞的细胞核体积显著更大（图4B）。CellSense布里渊显微结果表明，与球体核心内的细胞相比，球体侵袭结构内的细胞具有较低的布里渊频移（图4C,D）。
这些结果表明，与球体核心结构内的细胞相比，侵袭细胞的细胞核体积增大，且同时刚度较低。对于导管原位癌（DCIS）和浸润性导管癌（IDC）的临床组织标本的检测发现，在IDC中，与位于核心或中间区域的细胞核相比，侵袭结构内的细胞核显著变大（图4F）；反之，在DCIS中，从核心向外周并未观察到细胞核大小呈现连续的梯度变化（图4G）。体外和体内实验的结果都表明，在单细胞向多细胞转变过程中观察到的体积变化，可在细胞迁出细胞簇的条件下（如侵袭性肿瘤细胞的情况）发生逆转。
图4. 多细胞结构内的细胞具有更紧密的细胞质和更低的可压缩性
在本研究中，课题组发现在3D环境中单细胞形成多细胞结构时，细胞核和细胞体积会发生急剧减小。除了细胞周期分布的改变以外，通过布里渊显微成像发现，由于相对含水量减少导致的细胞体积缩小，这与质量密度和整体细胞刚度的增加有关；反之，在单细胞从球体向外侵袭的侵袭性肿瘤体外模型中，观察到了相反的趋势，即细胞的细胞核体积增大且刚度降低，突显了研究肿瘤生长和进展过程中细胞核体积变化可塑性的重要性，为多细胞状态下以及肿瘤发生和侵袭相关过程中的细胞体积调节提供了新的见解。
本方案可解决您的哪些课题需求？
1. 肿瘤力学生物学方向
- 3D 肿瘤球体、类器官时序力学追踪，解析增殖成团过程体积 / 刚度调控；
- 肿瘤侵袭、转移前后细胞力学表型差异定量；
- 临床肿瘤组织切片原位力学分区，区分原位病灶与浸润区域；
- 基质刚度、MMP 降解微环境对细胞渗透压、细胞核形态的调控研究。
2. 通用 3D 类器官 / 干细胞研究
无标记长期监测类器官发育过程中细胞密度、弹性动态变化，避免染色干扰干细胞分化状态。
3. 生物材料与细胞互作
定量水凝胶、支架基质力学对细胞含水量、细胞体积、皮层张力的调控，同步采集材料与细胞力学图谱。
4. 其他拓展方向
角膜无损力学检测、植物组织形态发生、小型模式生物（斑马鱼）活体三维力学成像、软物质高分子弹性表征。
总结
传统力学检测工具无法兼顾活体 3D 样本、无标记、非接触、原位三维同步定量四大需求，CellSense生物型布里渊显微镜Discoverer填补了 3D 肿瘤、类器官力学生物学的表征空白。
德国 Taubenberger 课题组依托该设备完整揭示早期肿瘤形成、侵袭全过程的细胞体积可塑性与力学调控机制，产出高水平成果。对于从事 3D 细胞培养、肿瘤微环境、细胞力学、类器官发育的科研团队，本套无损三维力学成像解决方案可一站式获取细胞核形态、细胞密度、含水量、弹性模量多维度定量数据，为解析细胞物理调控机制、挖掘肿瘤转移标志物提供全新核心技术手段。
参考文献：
[1]. Mahajan, V., Babu, K. G., Mukenhirn, M., Garside, A., Kini, V. A., Adhikari, T., ... & Taubenberger, A. V. (2026). Cells dynamically adapt their nuclear volumes and proliferation rates during single to multicellular transitions. Advanced Science, 13(31), e24325.
