三維多細胞類球體（腫瘤球、微球、類器官）可以幫助我們在臨床前藥物篩選階段更好地預測多種候選藥物的潛在作用。但是，相較于二維單層培養細胞，采用三維培養細胞模型系統進行檢測分析則更具挑戰性。

一起來看看珀金埃爾默是如何分析3D微組織球三維體積與分區的吧！

3D微組織球的制備和成像過程

使用 CellCarrier Spheroid ULA 96 孔微孔板制備細胞球

在CellCarrier Spheroid表面極低吸附力96孔微孔板（珀金埃爾默公司，貨號6055330）中接種 HeLa 細胞，細胞濃度分別為1.25E3、2.5E3與5E3。48小時后，以3.7%甲醇固定，再用DRAQ5™染料對胞核染色。如前文所述，用磷酸化組蛋白H3抗體（西格瑪奧德里奇公司，貨號H9908）和Alexa 546二抗體（美國生命技術公司，貨號A11081）聯合標記有絲分裂細胞。為達到快速成像的需求，本實驗應用長工作距離物鏡，使用表面低吸附力的U形96孔板直接成像。對于高分辨率深度成像試驗，本實驗將細胞球轉入兼容高質量成像CellCarrier 384孔超微孔板（珀金埃爾默公司，貨號6057300），然后利用ScaleA2試劑進行透明化處理。

“預掃描（PreciScan）”功能大大縮短圖像采集時間并減小數據量

研究人員利用Harmony軟件的“預掃描（PreciScan）”功能掃描拍攝所有細胞球的圖像。“預掃描（PreciScan）”是一項智能圖像采集功能，它可以智能識別確定各孔內目標細胞的x/y坐標位置。通過低倍預掃描、智能聯機分析和高倍再掃描，生成目標細胞的高分辨率圖像。再掃描可以包含z-stack多層掃描和 / 或時間序列掃描。“預掃描（PreciScan）”功能有效節省了測量和分析時間并減小了數據儲存空間（例如，使用20x物鏡對在384孔微孔板內培養的細胞球進行觀察分析時，預掃描可幫助減少25倍的分析時間和數據儲存空間；而使用40x物鏡觀察時，可減少100倍的分析時間和數據儲存空間），Operetta CLS與Opera Phenix系統都配置有這一功能。

利用水浸物鏡與光透明化技術優化成像深度

使用水浸物鏡，大大提高了成像質量，特別是提升了Z軸分辨率。此外，光透明化處理進一步改善了成像深度。光透明化處理不僅提高了樣品內指標的均一性，而且減少了光散射和光學像差。在此基礎上，采用長波長染色（如可行）也有利于減少光散射并提高透光率，使更多的激光照射在3D樣品上。因此，可顯著提升成像深度和信號檢測效率。

3D微組織球重構與分析

生成三維或 XYZ 軸圖像

生成三維樣品的 XYZ 軸或三維圖像；

在三維空間中變換樣品圖像——旋轉、縮放或平移；

導出視頻——三維重建或涵蓋多層平面視圖的視頻。

定位細胞球與胞核

使用“定位圖像區域（Find Image Region）”功能定位整個細胞球；

采用局部光強閾值進行 Z 軸光衰減補償；

選用一種“定位胞核（Find Nuclei）”方法——專門用于 3D 圖像胞核分割。

計算細胞球與胞核三維指標

使用“計算形態特性參數（Calculate Morphology Properties）”工具分析細胞球和球體內單細胞的三維形態特征。

定位有絲分裂細胞

使用“定位胞核（Find Nuclei）”功能，根據局部光強閾值定位有絲分裂、 pHH3 陽性細胞；

使用“裁剪區（Clip Box）”功能生成剖視圖，從內部（右側）觀察細胞球。

使用“裁剪區（Clip Box）”工具生成剖視圖

進行細胞分區，分析有絲分裂細胞分布情況

計算出每個胞核到細胞球邊界的短距離；

使用“選擇區域”和“選擇細胞群”功能，將胞核分成不同區域?？呻S意調整區域寬度；

分析每個區域有絲分裂細胞數量和空間分布差異，得到各種不同的分析數據（例如，細胞形態參數）。

使用“裁剪區（Clip Box）”工具生成剖視圖

基于Harmony4.8軟件的整體成像細胞球三維分析方法我們可以檢測到細胞球整體的形態學特征和細胞球同心區單細胞特性。采用DRAQ5™染料（紅色）和pHH3抗體（橙色）標記細胞球，然后用ScaleA2試劑進行光透明化處理5天。使用Opera Phenix或Operetta CLS系統裝配的20x水浸物鏡（數值孔徑1.0）和間距為1µm的 z-stack模塊（z軸掃描高度：300µm）記錄共聚焦三維圖像。Opera Phenix系統的3D成像質量更佳。經實驗發現，Operetta CLS系統在被測HeLa細胞球的成像深度和胞核檢測性能方面與之不相上下。此處第4和第5步驟操作僅以Opera Phenix系統成像展示，Operetta CLS系統成像效果與之相當。

參考文獻

1. Kriston-Vizi, J., Flotow, H. (2017). Getting the whole picture: high content screening using three-dimensional cellular model systems and whole animal assays. Cytometry, 91: 152–159. doi:10.1002/cyto.a.22907

2. User’ s Guide to Cell Carrier Spheroid ULA microplates. PerkinElmer.

3. Smyrek, I., Stelzer, EH. (2017) Quantitative three-dimensional evaluation of immunofluorescence staining for large whole mount spheroids with light sheet microscopy. Biomed Opt Express, 8(2): 484-499. doi: 10.1364/ BOE.8.000484

4. Hama, H., Kurakowa, H., Kawano, H. Ando, R., Shimogori, T., Noda, H., Fukami, K., Sakaue-Sawano, A., Miyawaki, A. (2011). Scale: a chemical approach for fluorescence imaging and reconstruction of transparent mouse brain. Nature Neuroscience, vol. 14: 1481–1488. doi.org/10.1038/nn.2928

5. Five top tips for a successful high-content screening assay using a 3D cell model system. PerkinElmer Brief.

6. Letzsch, S., Boettcher, K., Schreiner, A. (2018). Clearing strategies for 3D Spheroids. PerkinElmer Technical Note.

7. Boettcher, K., Schreiner, A. (2016). The benefits of automated water immersion lenses for high-content screening. PerkinElmer Technical Note.

關于珀金埃爾默：

珀金埃爾默致力于為創建更健康的世界而持續創新。我們為診斷、生命科學、食品及應用市場推出*的解決方案，助力科學家、研究人員和臨床醫生解決棘手的科學和醫療難題。憑借深厚的市場了解和技術專長，我們助力客戶更早地獲得更準確的洞見。在，我們擁有12500名專業技術人員，服務于150多個國家，時刻專注于幫助客戶打造更健康的家庭，改善人類生活質量。2018年，珀金埃爾默年營收達到約28億美元，為標準普爾500指數中的一員，紐交所上市代號1-877-PKI-NYSE。