研究背景

腫瘤球體（3D細胞模型）比傳統2D培養(yǎng)更能模擬真實腫瘤的微環(huán)境，但其內部代謝異質性（如外層增殖細胞與內層壞死核心的差異）一直缺乏高精度分析方法。現有方法仍存在局限：要么需要切片樣本并在真空環(huán)境下操作，要么難以實現對球體內細胞的電離檢測。

研究內容

南京大學江德臣教授團隊成功開發(fā)了一種基于納米毛細管電噴霧電離質譜（ESI-MS） 技術，首次實現了對單個活體腫瘤球內部不同區(qū)域（外層/內層/下層）代謝異質性的原位空間分析，全面揭示了腫瘤球體內部的代謝異質性。研究團隊利用該技術結合顯微操控精確定位納米毛細管，實現了從單個活體腫瘤球體不同區(qū)域（外層/內層/下層）的原位細胞成分采樣及代謝分析。在納米毛細管穿透腫瘤球體過程中，球體外層形成的“傷口表面”僅占球體整個區(qū)域的0.1%，這一面積大限度地維持了球體內細胞活性，為代謝分析提供了理想條件。研究發(fā)現，腫瘤球體外層細胞與二維培養(yǎng)細胞的代謝成分存在顯著差異，表明球體培養(yǎng)中細胞間及其與微環(huán)境的相互作用更為頻繁。這一成果不僅為單個活體腫瘤球代謝異質性的原位分析提供了有力工具，也為理解三維培養(yǎng)模型的代謝特性提供了分子依據。相關工作以“In Situ Spatial Analysis of Metabolic Heterogeneity in Single Living，Tumor Spheroids Using Nanocapillary-Based Electrospray Ionization Mass Spectroscopy”為題發(fā)表在國際著名期刊《Analytical Chemistry》上。

圖1.納米毛細管電噴霧電離質譜（ESI-MS）采樣裝置示意圖及后續(xù)分析流程。右側腫瘤球體圖像顯示外層與內層均呈現黑色素沉積區(qū)域。

該研究利用固定于顯微操作系統上的納米毛細管，在顯微鏡實時觀察下，精準定位并插入活體腫瘤球的不同區(qū)域（外層、內層、貼近培養(yǎng)基底的下層）細胞成分；通過觀察腫瘤球體內外層顏色差異（內層更深）引導插入深度，外層僅推進約5μm，內層則深入約200μm；插入前，毛細管已預裝超純水并連接可控負壓裝置，尖端到達目標區(qū)域（外層或內層）后，施加負壓即可實現對腫瘤球體內部特定區(qū)域（需在區(qū)域內不同位置重復采樣）細胞成分的微創(chuàng)提取。成功提取后，將毛細管尖端置于電噴霧離子源噴口約1厘米處，通過在金屬絲處施加高電壓來實現電噴霧過程，達到從活體腫瘤球內不同區(qū)域進行多種物質質譜分析的目的。

研究結果

圖2. (a)利用納米毛細管對單個活體腫瘤球體內局部采樣進行明場成像，比例尺為100 μm。（b）和(c) 分別為腫瘤球體外層和內層的細胞成分質譜圖。(d)腫瘤球體內層與外層代謝物的主成分分析結果。

圖3.(a)腫瘤球體下層細胞成分的質譜圖。(b)腫瘤球體下層與外層代謝物的主成分分析結果。

圖4.(a)單個二維培養(yǎng)CT-26細胞的質譜圖。(b)二維培養(yǎng)CT-26細胞與腫瘤球體外層細胞的代謝物主成分分析。

圖5.(a)400μm尺寸腫瘤球體中代謝物的主成分分析結果，包含內層、下層和外層。(b)400μm尺寸腫瘤球體內層、下層及外層前25位差異代謝物的熱圖分析。

顯微操作系統

顯微操作系統（簡稱微操）一種用來在顯微鏡下對細胞進行細微手術和注射的裝置，該裝置受機械或軟件控制，通過人工手動或電動操縱，將玻璃毛細管尖兒端、電極或探針等安裝在微操上，每次以μm或nm進行移動。利用甚小的工具做抓、切、擠壓、注入、縮回等動作。

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