3D细胞&类器官培养的 “模块化” 标准分析方案
2025-10-28 来源:安捷伦科技 点击次数:74
还在为类器官检测数据碎片化且不稳定而头疼？Nature Protocols 最新发布的标准化方案给出了示范答卷：通过序列正交分析方法模块化设计，研究者首次实现了对同批 3D 球体的 "全生命周期透视"。 这套方案以 Cytation & BioSpa8 为核心的检测工作站，正在助力 3D&类器官标准化研究踏上阳光大道。
别具一格的 ULA 3D 细胞&类器官培养法
类器官的体外培养方式丰富多样，常见的有基质胶浸没式培养法、低密度 Transwell 孔板气-液界面培养法，高通量 ULA（超低吸附表面）培养法、Hanging Drop（悬滴）法以及倒置多层气液界面培养法等。
在众多培养方法中，高通量 ULA 培养法最初主要用于构建 3D 细胞球。由于其操作简便，且支持在无外源细胞外基质（ECM）的条件下进行培养，该方法在类器官领域也逐渐收到关注。要知道，类器官系统具有高度复杂性，常常导致实验数据不稳定，而高通量 ULA 培养法恰好能够有效解决一老大问题。
图 1. 高通量（96/384）ULA 法和 Hanging Drop 3D 细胞球培养法 （DOI:10.1038/s41598-021-03739-1）相比 Hanging Drop 法，ULA 培养更为简单便捷，支持自动化操作。
此前，奥地利的一个研究团队在 cell 上发表研究结果，显示采用 ULA 培养法构建的高通量自组织心脏类器官模型，无需外源 ECM 支持，可以根据研究需求，灵活调控类器官的复杂程度且具有可重复性，为心脏类器官研究的标准化提供了便利。
目前，众多研究团队已经利用该方法成功构建了多种类器官模型，包括乳腺类器官，心脏类器官，膀胱类器官以及骨髓类器官等等。
不过，基于ULA 法的3D 细胞培养模型在类器官研究领域应用时，任然面临缺乏标准、分析表型受限、方法学与报告标准不统一等挑战。
热辣出炉的 3D 细胞球序列正交分析方法：把实验变成"数据拼搭积木"
来自比利时的研究团队在 ULA 培养法的基础上建立了一套创新的序列正交分析方案，该方案融合了动态检测和终点分析双模块。利用此方案，研究人员能够对同一批球体先开展无损伤监测（如动态形态追踪），随后再进行破坏性分析（如单细胞测序）。
今年 4 月，这项研究成果发表于 Nature Protocols，该方案具有广泛适用性，可应用于从基础研究到药物发现等多个领域，并覆盖大部分肿瘤类器官研究场景。
图 4. 将球体转移至微孔板或者 Eppendorf 管中用于 ATP、RNA、蛋白质和脂质分析。此模块中，Cytation 细胞成像多功能微孔板检测系统用于支持 ATP 测定和特定蛋白定量检测。
黄金搭档：Cytation & BioSpa8 智能活细胞检测平台
序列正交分析方案推动类器官领域的标准化发展和建立
这套基于 ULA 3D 细胞&类器官培养的序列正交模块化分析方法结合研究团队提供的 MIShperoidID 数据库，能够极大程度推动该领域的标准化进程，该数据库已收录 127 种 3D 细胞球培养方案，提供不同平台数据的可比性。而标准化评价方法非常有助于开启精准医疗新路径，比如治疗响应预测，通过实时追踪治疗后的类器官形态变化和 ATP 变化曲线，结合流式细胞术解析球体核心区 vs 边缘细胞的分子特征，分析类器官的空间异质性等，获得的分析结果能够更好的评价和指导临床用药方案。
参考文献
1. Cardioids reveal self-organizing principles of human cardiogenesis Hofbauer, Pablo et al. Cell, Volume 184, Issue 12, 3299 - 3317.e22
2. Sequential orthogonal assays for longitudinal and endpoint characterization of three-dimensional spheroids Blondeel, E., Ernst, S., De Vuyst, F. et al. Nat Protoc (2025)
相关产品：
Cytation 5 细胞成像多功能微孔板检测系统
关于安捷伦细胞分析
安捷伦细胞分析平台包括xCELLigence RTCA实时细胞分析仪、NovoCyte系列流式细胞仪、Seahorse能量代谢分析仪以及Synergy系列微孔板检测仪和Cytation 系列（共聚焦）细胞成像多功能微孔板检测仪。安捷伦细胞分析平台聚焦基础科研与细胞与基因治疗产品的开发全流程，作为适配新一代疗法的强大分析工具，提供多方位的细胞效力检测和深度的细胞分析，并致力于研发、生产质控以及临床的全方位检测与分析方案开发。
别具一格的 ULA 3D 细胞&类器官培养法
类器官的体外培养方式丰富多样，常见的有基质胶浸没式培养法、低密度 Transwell 孔板气-液界面培养法，高通量 ULA（超低吸附表面）培养法、Hanging Drop（悬滴）法以及倒置多层气液界面培养法等。
在众多培养方法中，高通量 ULA 培养法最初主要用于构建 3D 细胞球。由于其操作简便，且支持在无外源细胞外基质（ECM）的条件下进行培养，该方法在类器官领域也逐渐收到关注。要知道，类器官系统具有高度复杂性，常常导致实验数据不稳定，而高通量 ULA 培养法恰好能够有效解决一老大问题。
图 1. 高通量（96/384）ULA 法和 Hanging Drop 3D 细胞球培养法 （DOI:10.1038/s41598-021-03739-1）相比 Hanging Drop 法，ULA 培养更为简单便捷，支持自动化操作。
此前，奥地利的一个研究团队在 cell 上发表研究结果，显示采用 ULA 培养法构建的高通量自组织心脏类器官模型，无需外源 ECM 支持，可以根据研究需求，灵活调控类器官的复杂程度且具有可重复性，为心脏类器官研究的标准化提供了便利。
目前，众多研究团队已经利用该方法成功构建了多种类器官模型，包括乳腺类器官，心脏类器官，膀胱类器官以及骨髓类器官等等。
不过，基于ULA 法的3D 细胞培养模型在类器官研究领域应用时，任然面临缺乏标准、分析表型受限、方法学与报告标准不统一等挑战。
热辣出炉的 3D 细胞球序列正交分析方法：把实验变成"数据拼搭积木"
来自比利时的研究团队在 ULA 培养法的基础上建立了一套创新的序列正交分析方案，该方案融合了动态检测和终点分析双模块。利用此方案，研究人员能够对同一批球体先开展无损伤监测（如动态形态追踪），随后再进行破坏性分析（如单细胞测序）。
今年 4 月，这项研究成果发表于 Nature Protocols，该方案具有广泛适用性，可应用于从基础研究到药物发现等多个领域，并覆盖大部分肿瘤类器官研究场景。
图 2. 方案全景，从球体构建开始，然后用于多方面动态和终点表型分析的模块化分析框架。
该分析检测方案包括培养基代谢物变化、球体内部 ATP 浓度水平以及细胞死亡的空间分布情况等，通过互补且独立的正交分析方法，从不同维度对球状体（spheroids）进行表型分析，研究者能够如同搭乐高积木般，灵活组合各类检测模块，以此来实现多维度验证。
Part 1——球体制备阶段：支持自动化的培养流程搭建
此方案中阐述了手动和自动化单细胞接种操作，到球体收获、上清液收集，以及在 ULA 板内和从 ULA 板进行化合物管理的全流程。在此环节中，安捷伦的 Bravo 自动化工作站能够高效完成上清液收集、化合物给药等操作；而 MultiFloFX 独有的 AMX 模块，则非常适合球形底板的培养基更换、清洗等精细步骤。
Part 2——动态监测阶段的纵向分析：成分、形态与功能三模块联动
在这部分的实验框架中，设置了三个主要子模块：
该分析检测方案包括培养基代谢物变化、球体内部 ATP 浓度水平以及细胞死亡的空间分布情况等，通过互补且独立的正交分析方法，从不同维度对球状体（spheroids）进行表型分析，研究者能够如同搭乐高积木般，灵活组合各类检测模块，以此来实现多维度验证。
Part 1——球体制备阶段：支持自动化的培养流程搭建
此方案中阐述了手动和自动化单细胞接种操作，到球体收获、上清液收集，以及在 ULA 板内和从 ULA 板进行化合物管理的全流程。在此环节中，安捷伦的 Bravo 自动化工作站能够高效完成上清液收集、化合物给药等操作；而 MultiFloFX 独有的 AMX 模块，则非常适合球形底板的培养基更换、清洗等精细步骤。
Part 2——动态监测阶段的纵向分析：成分、形态与功能三模块联动
在这部分的实验框架中，设置了三个主要子模块：
- 上清液成分分析：纵向追踪球体上清液的动态变化，突破传统单时间点检测的局限，以避免遗漏关键表型或误判治疗效果
- 形态测量分析：通过光学显微镜观测球体整体形态，结合荧光示踪技术（如落射荧光或共聚焦显微镜），精准捕捉细胞状态特异性信息
- 功能活性评估：采用径向迁移测定和侵袭测定两大实验，量化球体的迁移与侵袭能力，从而更真实地反映其生物学行为
值得一提的是，以上三类分析子模块均支持在培养过程中开展动态纵向分析。要知道，单次检测往往仅能提供类似“快照”的瞬时数据，而长期跟踪监测则能够完整、全面揭示球体的动态变化，进而为更精准的药物疗效评估提供可靠依据。
图 3. 使用 Cytation&BioSpa8 活细胞工作站动的态图像捕获和图像定量分析功能，分别在径向迁移和侵袭试验中监测 SW1353 球体的迁移和侵袭能力
Part 3——终点分析阶段：从三维结构到单细胞水平的超级解构
方案的最后一个大模块是终点分析，从分子到单细胞再到空间结构，多维度数据还原球体真实状态，主要包含以下三个子模块：
1. 分子含量分析：精准检测球体裂解后的关键成分
图 3. 使用 Cytation&BioSpa8 活细胞工作站动的态图像捕获和图像定量分析功能，分别在径向迁移和侵袭试验中监测 SW1353 球体的迁移和侵袭能力
Part 3——终点分析阶段：从三维结构到单细胞水平的超级解构
方案的最后一个大模块是终点分析，从分子到单细胞再到空间结构，多维度数据还原球体真实状态，主要包含以下三个子模块：
1. 分子含量分析：精准检测球体裂解后的关键成分
- 能量代谢：ATP（CellTiter-glo 3D 检测）
- 基因表达：RNA（RT-qPCR、RNA 测序）
- 蛋白质调控：蛋白质印迹、蛋白质组学
- 脂质构成：专用试剂盒结合脂质组学
2. 单细胞层面的解析：制备单细胞悬液，通过流式细胞术深入表征细胞组成与状态。
3. 空间结构的微观呈现：通过多种高分辨率成像技术对球体天然结构进行分析
3. 空间结构的微观呈现：通过多种高分辨率成像技术对球体天然结构进行分析
- 免疫组织化学 ：可定位目标蛋白的空间分布
- 透射电镜/光片荧光显微镜：提供亚细胞级超清成像
图 4. 将球体转移至微孔板或者 Eppendorf 管中用于 ATP、RNA、蛋白质和脂质分析。此模块中，Cytation 细胞成像多功能微孔板检测系统用于支持 ATP 测定和特定蛋白定量检测。
黄金搭档：Cytation & BioSpa8 智能活细胞检测平台
在这套严谨且科学的正交分析方案的整体流程里，涵盖了从 3D 细胞球&类器官的培养构建、动态监测到终点数据分析全过程，包含多项子分析模块。这些模块中的大多数，都对培养环境和检测环境的稳定性有着较高的要求。而 Cytation 细胞成像多功能微孔板检测仪与 BioSpa8 自动化培养箱的巧妙搭配，恰好能够全方位地支持该标准分析模块所涉及的多项实验，实现“培养-监测-分析”的流程闭环。
BioSpa8 自动化培养箱：支持 8 个板位的 ULA 培养板自动化操作，根据需要可选择左侧对接 MultiFloFX 液体处理系统， 定时定点进行培养、换液或者成像检测操作。
Cytation 系列细胞成像分析系统：将两套检测平台巧妙整合在一套紧凑的空间内，实现了微孔板检测与自动化成像完美结合，这种设计，使其非常适配此方案中的细胞球形态监测、功能分析和分子水平的检测等各项任务。为研究者提供全面、准确且可靠的实验数据。
BioSpa8 自动化培养箱：支持 8 个板位的 ULA 培养板自动化操作，根据需要可选择左侧对接 MultiFloFX 液体处理系统， 定时定点进行培养、换液或者成像检测操作。
Cytation 系列细胞成像分析系统：将两套检测平台巧妙整合在一套紧凑的空间内，实现了微孔板检测与自动化成像完美结合，这种设计，使其非常适配此方案中的细胞球形态监测、功能分析和分子水平的检测等各项任务。为研究者提供全面、准确且可靠的实验数据。
序列正交分析方案推动类器官领域的标准化发展和建立
这套基于 ULA 3D 细胞&类器官培养的序列正交模块化分析方法结合研究团队提供的 MIShperoidID 数据库，能够极大程度推动该领域的标准化进程，该数据库已收录 127 种 3D 细胞球培养方案，提供不同平台数据的可比性。而标准化评价方法非常有助于开启精准医疗新路径，比如治疗响应预测，通过实时追踪治疗后的类器官形态变化和 ATP 变化曲线，结合流式细胞术解析球体核心区 vs 边缘细胞的分子特征，分析类器官的空间异质性等，获得的分析结果能够更好的评价和指导临床用药方案。
参考文献
1. Cardioids reveal self-organizing principles of human cardiogenesis Hofbauer, Pablo et al. Cell, Volume 184, Issue 12, 3299 - 3317.e22
2. Sequential orthogonal assays for longitudinal and endpoint characterization of three-dimensional spheroids Blondeel, E., Ernst, S., De Vuyst, F. et al. Nat Protoc (2025)
相关产品：
Cytation 5 细胞成像多功能微孔板检测系统
关于安捷伦细胞分析
安捷伦细胞分析平台包括xCELLigence RTCA实时细胞分析仪、NovoCyte系列流式细胞仪、Seahorse能量代谢分析仪以及Synergy系列微孔板检测仪和Cytation 系列（共聚焦）细胞成像多功能微孔板检测仪。安捷伦细胞分析平台聚焦基础科研与细胞与基因治疗产品的开发全流程，作为适配新一代疗法的强大分析工具，提供多方位的细胞效力检测和深度的细胞分析，并致力于研发、生产质控以及临床的全方位检测与分析方案开发。
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