在最近发表于《科学报告》（Scientific Reports）的一篇文章中，研究人员采用多模态成像方法研究了 I 型胶原三维细胞培养模型，重点研究了人真皮成纤维细胞（HDF）与细胞外基质（ECM）之间的相互作用。通过结合结构、形态和生化成像技术，该研究为3D支架内的细胞行为提供了新的见解。

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3D细胞培养的进展

3D细胞培养系统在生物研究中的重要性怎么强调都不为过。传统的2D培养往往无法复制细胞在生物体内经历的复杂体内环境。

因此，3D培养已成为组织工程、再生医学和药物发现的关键。3D培养能更准确地反映细胞间的相互作用，并能对细胞分化、迁移和治疗反应进行研究。

胶原蛋白是哺乳动物体内最丰富的蛋白质，是 ECM 的关键组成部分，在维持组织结构和功能方面发挥着关键作用。I 型胶原支架的主要价值在于其生物相容性和支持成纤维细胞附着和生长的能力。

生物成像技术的最新进展使我们能够以前所未有的细节描述这些系统，从而更深入地了解3D细胞微环境的空间和分子动态。

关于这项研究 使用成像技术

在这篇论文中，作者利用多模态成像工作流程研究了嵌入 I 型胶原支架的 HDF 的物理化学特性。

他们整合了先进的成像技术，包括荧光显微镜、二次谐波发生（SHG）显微镜、受激拉曼散射（SRS）、二次离子质谱（SIMS）和透射电子显微镜（TEM）。这些互补模式提供了3D细胞培养系统的多维视图，使细胞结构及其与 ECM 相互作用的详细可视化成为可能。

为确保精确的数据整合，研究人员开发了一套强大的成像方案，便于在不同技术中注册共同的感兴趣区（ROI）。HDF 种子支架是在网格盖玻片上制备的，因此成像模式之间可以精确配准。成像精确度通过目标配准误差（TRE）测量进行量化，平均误差约为 250 nm。

此外，通过树脂包埋、固化和染色，还可使用飞行时间（ToF）和纳米 SIMS 进行进一步分析，从而增强对细胞和 ECM 成分的表征。先进的图像处理工具被用来完善数据解读，促进与细胞和 ECM 相关的分子片段的鉴定。

使用多模态分析工作流程的成果

这项研究为了解 HDF 在3D胶原支架中的行为提供了重要依据。多模态成像显示，HDFs 表现出多极形态，其特点是细胞体紧凑，树突突起广泛。

SHG 显微镜检测到整个支架上胶原蛋白密度的显著变化，这影响了成纤维细胞的分布和组织?？拷遣Ｆ?支架界面的细胞显示出扩散的2D形态。而在支架深处的细胞则呈现出紧凑的形状，突起较少，这突出了3D基质中空间定位的影响。

定量分析表明，胶原蛋白密度较高的区域显示出更高的 SHG 信号强度，形成了一个致密的网络，在限制细胞体的同时促进树突突起。SIMS 成像确定了与细胞成分和 ECM 相关的分子片段。

通过整合多种成像模式，作者全面评估了3D培养系统内的空间异质性和生化相互作用。光学和质谱数据的相互关联为结构和分子研究架起了桥梁，加深了对细胞-ECM相互作用的理解。

这些发现凸显了多模式成像在组织工程中的重要性，为优化支架设计以影响细胞行为提供了强有力的框架。

在生物医学研究中的潜在应用

这项研究对组织工程、再生医学和药物开发具有重要意义。通过加深对细胞-ECM 相互作用的理解，它有助于开发能更准确地模拟原生组织的组织支架。

引入的工作流程还可用于评估治疗药物对三维培养物中细胞行为的影响，为临床前药物测试提供一种生理相关的方法。

对复杂的细胞-微环境相互作用进行可视化分析的能力可提高个性化医疗水平，从而实现针对个体细胞反应的治疗。所展示的多模态成像方法可应用于癌症研究、发育生物学和生物材料科学。

未来的工作重点是优化成像技术，特别是提高亚细胞分辨率和整合活细胞成像技术，以实时捕捉动态过程。

研究不同生物材料和 ECM 成分的影响对于开发创新治疗方法至关重要。将先进的成像技术与计算建模相结合，可进一步加深对三维培养物中细胞相互作用的理解，从而改进组织再生和修复策略。

随着三维细胞培养技术的发展，像这样的方法为推动整个生命科学领域的创新和改变生物医学研究的未来奠定了坚实的基础。