自动化宫颈和子宫内膜癌细胞的高通量筛选：3D模型的制造
宫颈癌（cervical cancer）和子宫内膜癌（endometrial cancer）是女性健康领域的重大挑战，其高死亡率及有限的治疗选择使得相关研究尤为重要。传统的二维（2D）细胞筛选模型虽然能够提供药物对单细胞的影响信息，但无法捕捉多细胞间的相互作用，而这些相互作用在三维（3D）多细胞组织工程模型中得到了更好的体现。然而，手动制备3D模型不仅耗时，还存在较大的变异性。因此，本研究旨在通过自动化细胞分配技术，利用HP D100单细胞分配器，构建基于3D细胞的高通量筛选（high throughput screening, HTS）平台，以提高模型制备的效率和可重复性。
论文来源
本论文由Samantha Seymour、Ines Cadena、Mackenzie Johnson等作者共同撰写，作者来自Oregon State University和HP Inc.。论文于2025年1月23日在线发表于Cellular and Molecular Bioengineering期刊，题为《Empowering High Throughput Screening of 3D Models: Automated Dispensing of Cervical and Endometrial Cancer Cells》。
研究流程
1. 研究目标与方法
本研究的主要目标是评估自动化细胞分配技术对宫颈癌和子宫内膜癌细胞行为的影响，并将其与传统手动分配方法进行比较。研究团队通过调整分配协议，使其与细胞在溶液中的大小及最低细胞数量相匹配，以确保细胞的存活率和增殖率。此外，研究还优化了先前报道的共培养模型，将其转化为384孔板格式，并测量了微血管长度和癌细胞侵袭能力。
2. 细胞分配与模型构建
研究团队使用了HP D100单细胞分配器进行自动化细胞分配。分配器通过微流体通道检测细胞通过时的“捏点”（pinch point），并根据细胞大小调整捏点直径。为了确保分配的准确性，研究团队首先测量了细胞在溶液中和贴壁状态下的直径，并比较了11微米和14微米捏点直径的分配效果。最终，选择了14微米的捏点直径进行后续实验。
在模型构建方面，研究团队将宫颈癌和子宫内膜癌细胞与人类微血管内皮细胞（HMEC）共培养，构建了多层多细胞模型。模型的底层由胶原蛋白（collagen）、纤维蛋白原（fibrinogen）和明胶甲基丙烯酰（gelatin methacryloyl, GelMA）组成，顶层则由胶原蛋白、纤维连接蛋白（fibronectin）和GelMA组成。研究团队还使用了聚乙二醇二丙烯酸酯（polyethylene glycol diacrylate, PEGDA）作为对照材料。
3. 细胞存活与增殖评估
为了确定384孔板中每个孔的最低细胞数量，研究团队对宫颈癌细胞（SiHa、Ca Ski）和子宫内膜癌细胞（HEC-1A）进行了不同细胞密度的测试，范围从7个细胞/孔到1750个细胞/孔。结果显示，SiHa和Ca Ski细胞在所有密度下均表现出较高的存活率，而HEC-1A细胞在27个细胞/孔时才能达到50%的存活率。此外，SiHa和Ca Ski细胞的增殖率在所有密度下均高于1倍，而HEC-1A细胞在27个细胞/孔时才开始增殖。
4. 自动化与手动分配的比较
研究团队比较了手动分配和自动化分配对细胞行为的影响。结果显示，两种分配方法在细胞存活率、增殖率和表型反应（如微血管长度、癌细胞侵袭等）上均无显著差异。自动化分配在精确度上表现更优，尤其是在低细胞密度下，其标准偏差小于手动分配。这表明自动化分配技术可以在不影响细胞行为的情况下，显著减少模型制备时间。
主要结果
- 最低细胞数量：研究确定了384孔板中每个孔的最低细胞数量为27个，以确保细胞的存活率和增殖率。
- 捏点直径选择：基于细胞在溶液中的大小，研究团队选择了14微米的捏点直径进行自动化分配。
- 自动化与手动分配的比较：自动化分配在细胞存活率、增殖率和表型反应上与手动分配无显著差异，但在精确度上表现更优。
- 多层多细胞模型的构建：研究成功构建了基于宫颈癌和子宫内膜癌细胞的多层多细胞模型，并验证了其在药物筛选中的潜在应用价值。
结论与意义
本研究表明，自动化细胞分配技术可以高效、精确地构建3D体外多层多细胞模型，且对细胞行为的影响极小。这一技术不仅减少了模型制备时间，还提高了实验的可重复性，为高通量药物筛选提供了新的工具。通过自动化分配技术，研究团队为宫颈癌和子宫内膜癌的药物研发开辟了新的途径，具有重要的科学价值和应用前景。
研究亮点
- 自动化分配技术的应用：本研究首次将HP D100单细胞分配器应用于3D体外模型的构建，展示了其在细胞分配中的高效性和精确性。
- 多层多细胞模型的优化：研究团队成功将宫颈癌和子宫内膜癌的共培养模型转化为384孔板格式，为高通量药物筛选提供了标准化平台。
- 最低细胞数量的确定：通过系统测试，研究团队确定了384孔板中每个孔的最低细胞数量，为后续实验提供了重要参考。
其他有价值的信息
研究团队还探讨了Matrigel作为对照材料在细胞培养中的应用，发现其在细胞附着和增殖方面表现较差，进一步验证了优化后的水凝胶模型的优越性。此外，研究团队还提供了详细的实验数据和统计分析，为后续研究提供了可靠的基础。
通过本研究，自动化细胞分配技术在3D体外模型构建中的应用得到了验证，为癌症研究和药物筛选提供了新的技术支持。