在抗肿瘤免疫应答中，自然杀伤细胞（NK细胞）作为先天免疫系统的关键效应细胞，具备快速识别并清除恶性转化或病毒感染细胞的能力。根据其组织分布与表型特征，NK细胞可进一步分为循环NK细胞（cNK）与组织驻留NK细胞（trNK）。后者表达CD103、CD49a等组织驻留标志物，具有独特的免疫监视功能。
 

近日发表于《Lab on a Chip》的一项研究，通过整合三维微生理系统（MPS）与Celloger活细胞动态成像技术，首次实现了对trNK细胞迁移、浸润及杀伤活性的实时定量评估。该研究直观揭示了trNK细胞相较于cNK细胞在肿瘤微环境中表现出更强的运动能力、持续的目标接触作用及显著的细胞毒性优势，为基于trNK细胞的肿瘤免疫治疗策略提供了关键实验依据。
 

为何关注trNK细胞？

传统NK细胞（cNK细胞）主要在血液中循环，是免疫系统的“快速反应部队”。而组织驻留NK细胞（trNK细胞）则长期驻扎在肝脏、皮肤等组织中，更像是“地方警备队”，它们表达特定的标志物（如CD103和CD49a），使其能够更好地适应并潜伏在组织环境中。

理论上，这些“在地”特性让trNK细胞在对抗实体肿瘤时可能更具优势，但缺乏直接证据。如何实时观察并量化这些细胞在复杂肿瘤微环境中的行为，一直是领域内的难题。

创新平台：微生理系统+活细胞成像

为了解决这一难题，研究团队构建了一个精巧的“肿瘤-血管界面”芯片（微生理系统，MPS）。这个三维芯片模拟了人体内肿瘤组织与血管相邻的真实情况：

中央通道：包裹在凝胶中的肿瘤细胞（模拟肿瘤组织）
侧通道：人脐静脉内皮细胞形成血管壁
NK细胞：从侧通道引入，需穿越“血管壁”才能攻击“肿瘤”

研究的点睛之笔在于采用了Celloger Mini Plus活细胞成像系统对整个过程进行长时间动态捕捉。

图1.基于微生理系统（MPS）的肿瘤模型设计，用于自然杀伤（NK）细胞特征分析。

Celloger如何捕捉“免疫猎杀”现场？

1. 细胞染色，让玩家可见
肿瘤细胞：绿色荧光（GFP或Alexa Fluor 488标记）
NK细胞：远红色荧光（CellTrace Far Red标记）
死细胞：红色荧光（PI标记）

2. 长时间拍摄，不错过任何细节
Celloger系统持续监测48小时
每5分钟自动拍摄一次全场照片
维持37°C、5% CO₂ 的生理环境，保证细胞活性

3. 获取关键数据
通过定时拍摄，海量的图像被转化为动态视频，研究人员可直观比较：
杀伤效率：红色（死细胞）区域出现得多快、多广？
迁移能力：哪种NK细胞能更快穿越屏障、更深入肿瘤？
相互作用：NK细胞与肿瘤细胞接触的持续时间多长？
惊人发现：trNK细胞展现全面优势

①更强的杀伤力
在3D微环境中，trNK细胞的杀伤效率显著高于cNK细胞。48小时后，trNK组肿瘤细胞存活率仅15%，而cNK组仍高达53%。
 

图2.与cNK细胞相比，trNK细胞的细胞毒性活性显著增强

②更深的浸润能力
在肿瘤球体模型中，trNK细胞表现出更强的组织穿透力，其浸润深度和浸润细胞密度均显著超过cNK细胞。
 

图3.肿瘤球模型中trNK与cNK细胞浸润的比较

③更卓越的迁移能力
在趋向肿瘤的迁移比赛中，trNK细胞表现更活跃：
迁移速度：trNK细胞约12 μm/分钟 vs cNK细胞10.5 μm/分钟
总移动距离：trNK细胞约18,000 μm vs cNK细胞显著更短
轨迹模式：trNK细胞轨迹更广泛、更探索性；cNK细胞则更受限
 

图4. 使用肿瘤-血管界面模型进行NK细胞渗外迁移和迁移试验

图5.(i) 活细胞成像技术观察三种NK细胞的行为，包括外渗、肿瘤细胞识别和肿瘤细胞杀伤。 (ii) 柱状图比较两种NK细胞亚群的迁移速度（n=20） (iii) 每种亚群的总迁移距离（n=5）

④缺氧环境下依然高效
即使在模拟肿瘤内部的低氧（1%氧气）环境中，trNK细胞仍保持更强的迁移和杀伤能力，展现出更好的环境适应性。

技术亮点：活细胞成像的价值体现

1. 动态过程捕捉
传统终点法检测只能知道"结果"，而活细胞成像能够展示"过程"——如何迁移、如何接触、如何杀伤

2. 多参数同步分析
单次实验可同步获取迁移速度、运动轨迹、杀伤效率、浸润深度等多个关键参数

3. 生理相关环境
在维持细胞活性的前提下进行长期观察，数据更具生理相关性

4. 高通量潜力
合适的平台设计可支持多个条件平行测试，提高研究效率

研究启示：从机制到应用的桥梁

这项研究不仅揭示了trNK细胞的卓越功能，更展示了活细胞成像技术在3D微生理系统中的强大应用价值：

1. 机制研究：实时观察细胞行为，深入理解免疫细胞作用机制
2. 药物筛选：为免疫细胞疗法提供可靠的体外评估平台
3. 个性化治疗：可用于评估患者来源免疫细胞的抗癌能力
4. 治疗方案优化：测试不同培养条件对免疫细胞功能的影响

参考文献：
Choi, Hyeri et al. “Evaluating migration and cytotoxicity of tissue-resident and conventional NK cells in a 3D microphysiological system using live-cell imaging.” Lab on a chip vol. 25,11 2696-2707. 28 May. 2025, doi:10.1039/d4lc01095g