研究目的
设计并应用一种新型生物反应器，将荧光寿命成像显微镜（FLIM）与磁共振波谱（MRS）相结合，用于研究三维细胞培养中的细胞代谢，从而实现细胞和群体尺度的互补测量。
研究成果
该生物反应器成功整合了FLIM和MRS技术用于三维细胞培养的代谢研究，通过在4T1细胞中实施葡萄糖剥夺验证了其可行性。该系统支持多尺度成像，能够连接细胞与群体层面的代谢变化，并为未来研究代谢异质性及干预措施提供了平台。
研究不足
局限性包括药物在胶原凝胶中灌注的潜在不均一性、因扩散深度有限导致的信号减弱、使用水平孔径磁体限制了场强和线圈灵敏度，以及需要进一步评估长期细胞活性和气体环境控制。
1：实验设计与方法选择：
研究设计了一种生物反应器，用于在胶原蛋白基质中维持3D细胞培养，该基质兼容FLIM和MRS技术。方法包括使用FLIM测量NADH荧光寿命，以及通过MRS监测超极化13C-丙酮酸盐代谢。建立了丙酮酸盐在胶原蛋白凝胶中的扩散模型。
2：样本选择与数据来源：
将4T1小鼠乳腺癌细胞培养于3D胶原蛋白凝胶中。样本分别采用正常培养基或无葡萄糖培养基制备。
3：实验设备与材料清单：
使用定制生物反应器部件（如聚丙烯主体、3D打印组件）、商用部件（如盖玻片、橡皮筋）及配套设备（如多光子显微镜、MRI扫描仪）。材料包括胶原蛋白、RPMI 1640培养基和超极化丙酮酸盐。
4：实验流程与操作步骤：
将细胞包埋于生物反应器的胶原蛋白凝胶中。使用740nm激发波长的多光子显微镜进行FLIM检测，随后注射超极化丙酮酸盐后通过4.7T MRI扫描仪进行MRS检测。温度控制在36±1°C。
5：7T MRI扫描仪进行MRS检测。温度控制在36±1°C。 数据分析方法：
5. 数据分析方法：采用SPCImage软件分析FLIM数据，计算平均荧光寿命并进行组分拟合；MRS数据通过MATLAB处理获取Lac:Pyr比值。统计分析使用R语言中的Wilcoxon秩和检验。
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ULS 6.75 Laser Cutter
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Universal Laser Systems, Inc.
Laser cutter used to fabricate the optical window silicone gasket from silicone sheet.
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MRI Scanner
4.7 T preclinical horizontal bore
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Used for magnetic resonance spectroscopy (MRS) to measure hyperpolarized 13C-pyruvate metabolism in 3D cell cultures.
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HyperSense Dynamic Nuclear Polarizer
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Used to polarize [1-13C] pyruvic acid for hyperpolarized MRS experiments.
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Corning Life Sciences
Serves as the optical window for FLIM imaging, allowing light transmission for microscopy.
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Bandpass Filter
450/70
Semrock
Used in the FLIM setup to collect emitted light from NADH fluorescence.
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Haas Super Mini Mill 2
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Haas Automation, Inc.
Computer numerical control machining center used to fabricate the bioreactor body from polypropylene stock material.
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Perfactory 3
EnvisionTEC Inc.
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Used for fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) to measure NADH fluorescence lifetimes in 3D cell cultures.
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MR temperature probe
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Used for temperature feedback during MRS experiments to maintain sample at 36±1°C.
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6-V DC diaphragm pump
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