《Advanced Science》：Cellular Snowballing: Cell Adhesion and Migration Drive the Self-Assembly of Cell-Microgel Biohybrid Spheroids
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为解决传统细胞球体因结构致密导致的氧气/代谢物运输受限、细胞存活率低等问题，研究人员开展了细胞与明胶甲基丙烯酰胺水凝胶微粒子（GelMA microgels）共培养形成生物杂交球体（BHS）的研究。他们发现，细胞的粘附与迁移可驱动类似“滚雪球”的自组装过程，形成具有多孔结构的大尺寸BHS，显著改善细胞活力和代谢活性，并改变了与粘附、缺氧、血管生成和增殖相关的基因表达程序。该研究为体外构建大规模、生理相关且可预测的组织模型开辟了新途径。
在生命科学与医学研究领域，构建能够模拟人体复杂组织结构和功能的三维模型至关重要。传统的二维细胞培养缺乏空间组织，而新兴的三维细胞球体虽有所改进，但也面临严峻挑战。这些由细胞紧密堆积而成的球体，在尺寸达到数百微米至毫米级别时，其中心区域常常因氧气和营养供应不足而形成“缺氧核心”，严重影响细胞存活与功能。此外，致密的结构也限制了细胞与细胞外基质的相互作用，难以真实模拟体内微环境。这些问题严重阻碍了三维组织模型在药物筛选、疾病建模和再生医学等“新方法学”中的规模化应用与预测能力。
为了突破这些瓶颈，一项发表在《Advanced Science》上的研究提出了一种创新的解决方案：利用细胞自身作为“组装引擎”，与水凝胶微粒子“协同工作”，自下而上地构建具有多孔结构的大型生物杂交球体。研究人员将具有粘附能力的哺乳动物细胞与仿细胞外基质的明胶甲基丙烯酰胺水凝胶微粒子（GelMA microgels）共同培养，观察到一种有趣的“滚雪球”效应。细胞主动迁移并粘附到微粒子上，像胶水一样将微粒子聚集起来，并通过自身的运动驱动整个聚集体发生旋转和三维组装，最终形成毫米级别的多孔结构。这种生物杂交球体（BHS）不仅尺寸更大，其内部的孔隙结构还有效促进了分子的扩散，从而显著提升了细胞的存活率和代谢活性。
为开展这项研究，作者团队主要运用了几项关键技术：首先，利用阶梯乳化微流控技术精准制备了三种不同尺寸（小、中、大）的GelMA微粒子，作为细胞粘附的支架。其次，通过在几何无约束（平面基底）和几何约束（U型底96孔板）两种培养环境中混合细胞与微粒子，诱导BHS的形成，并利用延时显微镜、共聚焦显微镜和扫描电镜对组装过程、三维结构和形态进行动态观察与表征。第三，开发了基于智能体的计算模型（ABM），从力学角度模拟并阐释了BHS形成的动力学过程和“滚雪球”机制。第四，采用RNA测序技术，系统比较了BHS与普通细胞球体在基因表达谱上的差异，聚焦于粘附、缺氧、血管生成和增殖等相关通路。此外，研究还使用了人类脐静脉内皮细胞和间充质干细胞等多种细胞类型验证了该方法的普适性，并通过细胞活力/代谢检测、血管生成发芽实验、流变学测试等手段全面评估了BHS的功能特性。
细胞粘附与迁移驱动BHS的“滚雪球”式组装
研究首先证实，小鼠成纤维细胞（NIH/3T3）能够粘附在含有RGD肽序列的GelMA微粒子上。当细胞与微粒子在无约束平面上混合时，细胞展现出对微粒子表面高于对培养基底面的亲和力，从而驱动了微粒子的聚集。通过实时成像和轨迹分析，研究人员观察到细胞像“生物胶水”一样粘附并拉动微粒子，导致聚集体发生平移和旋转运动，这一过程被形象地比作“滚雪球”，最终实现了从二维到三维结构的转变。
微粒子尺寸调控“滚雪球”动力学与最终BHS尺寸
通过使用小、中、大三种尺寸的微粒子（保持总表面积恒定），研究发现微粒子的尺寸是调控组装过程的关键参数。较大的微粒子需要更长的特征衰减时间来完成细胞附着，但最终形成的BHS尺寸更大。基于智能体的模型进一步揭示了BHS形成的三相动力学过程：初始附着期、快速聚集期和尺寸停滞期。模型分析表明，聚集的驱动力来源于与基底接触的细胞所产生的主动力，而该力会随着聚集体增大、基底接触细胞减少而减弱，最终导致聚集停止。
几何约束塑造BHS结构
在U型底孔板的约束环境下，可以形成形状更规则、单一的BHS。扫描电镜和共聚焦成像显示，由中、大型微粒子构成的BHS具有更低的细胞核密度、更疏松的多孔结构以及更低的圆度。这种多孔性显著提升了细胞的代谢活性，在长达14天的培养中，BHS-M的细胞活力和代谢活性均显著高于致密的传统细胞球体。
BHS引发粘附、血管生成、缺氧和增殖程序的转录组学转变
RNA测序分析揭示了BHS与细胞球体在基因表达上的显著差异。与细胞球体相比，BHS中与细胞粘附和细胞外基质组织相关的通路显著富集，表明其结构更具组织性。典型的缺氧反应基因在BHS中表达下调，反映了其多孔结构改善了氧气供应。同时，血管生成相关基因的表达模式发生改变，一些与血管成熟和稳定相关的基因上调。此外，细胞周期相关基因在BHS中表达更高，提示其保持了更强的增殖潜能。
BHS形成可延伸至内皮细胞和间充质干细胞并促进血管生成发芽
该方法具有广泛的细胞类型适用性。人脐静脉内皮细胞、间充质干细胞及其混合细胞均能与GelMA微粒子成功组装形成BHS。功能实验表明，由HUVEC构成的BHS在基质胶上展现出比传统HUVEC球体更显著、更广泛的血管样出芽，证明了其促进血管生成的潜力。
BHS作为构建大型类组织结构的通用模块
研究最后探索了BHS作为“生物砖块”自下而上构建更大规模组织的可行性。多个BHS能够相互融合，形成毫米级、结构完整且易于操作的类组织构造。流变学测试表明，融合后的BHS构建体呈现类固体粘弹性，其储能模量比单纯的微粒子悬浮液高出两个数量级。与单纯的“细胞+微粒子”混合、细胞球体或“细胞球体+微粒子”等其他构建方式相比，BHS在细胞-基质相互作用、细胞活力、模块性、宏观组装/融合能力、结构完整性和规模化组织形成方面展现出综合优势。
结论与讨论
本研究系统阐明了生物杂交球体（BHS）作为一种新型三维组织构建模块的形成机制、可调控特性及其优势。其核心在于利用细胞固有的粘附与迁移能力，驱动仿生微粒子进行“滚雪球”式的动态自组装，从而创造出内部多孔、细胞存活率高、代谢活跃的大型三维结构。这种自下而上的策略，巧妙地解决了传统大尺寸细胞球体的扩散限制和缺氧坏死难题。
研究的意义深远。首先，它提供了一种不依赖复杂预血管化网络即可构建毫米级活性组织模型的新方法，简化了体外组织工程的流程。其次，通过调整微粒子的尺寸、细胞比例等参数，可以精确控制BHS的最终尺寸、孔隙率和形成动力学，实现了对组织结构的“可预测”和“可编程”构建。最后，BHS在基因表达上表现出更接近生理状态的特性（如改善的缺氧响应、增强的粘附与增殖信号），以及促进血管生成的功能，使其在药物毒性测试、疾病机制研究（特别是涉及缺氧和血管化的疾病）以及再生医学的器官模型构建中具有巨大的应用潜力。这项研究为开发下一代规模化、生理相关的微生理系统奠定了重要的方法学基础。
