2026.08.20
癌細胞的侵襲性，本質上反映其從原發腫瘤向遠處組織播散的能力。實現對侵襲性的直接檢測與精確定量，不僅有助於評估患者預後，也為評判抗癌化合物對腫瘤進展的幹預效果提供了關鍵依據。
發表於《Scientific Reports》的一項前沿研究，依托基於數字全息成像原理的HoloMonitor M4系統，建立了一種全新的癌細胞侵襲性實時檢測方案。該研究以源自非洲綠猴腎細胞（Vero）的上皮單層細胞為體外模型，持續追蹤HeLa細胞侵襲上皮單層的完整過程，同步采集侵襲型與非侵襲型HeLa細胞的遷移速度、總運動路程、細胞面積及光學體積等關鍵指標，系統比較了兩類細胞各參數隨時間演變的動態差異。所得結果不僅闡明了 HeLa 細胞穿透上皮單層的侵襲機製，也為未來實現全自動、無標記、高通量的抗侵襲藥物篩選提供了新的方法學依據。
材料與方法
本研究選用非洲綠猴腎來源的Vero上皮細胞與人源宮頸癌細胞系HeLa作為研究對象，實驗操作流程為：先接種Vero細胞並持續培養至形成完全融合的致密上皮單層，隨後在該單層細胞表面接種HeLa細胞，置於HoloMonitor M4無標記數字全息細胞分析系統中開展時長24 h的無標記動態觀測。後續選取形態學特征匹配的侵襲型與非侵襲型HeLa細胞開展配對對照分析，定量檢測參數涵蓋全息相位偏移、細胞面積、光學體積、總運動路程、平均遷移速率及遷移方向性指數。
圖1 實驗設計、操作流程與預期結果示意圖
實驗結果
1. 細胞模型構建與侵襲表型初步觀測
24 h動態觀測顯示，接種於完全融合Vero上皮單層表面的HeLa細胞呈現兩種不同的行為表型：部分細胞具備主動侵襲能力，能夠穿透下層上皮單層；另一部分則無侵襲性，僅停留在Vero單層進行遷移和分裂（補充視頻S1）。對Vero上皮單層的融合度進行定量分析（圖2）表明，Vero細胞培養1200分鐘（20 h）後達到完全融合，所有侵襲實驗均在此完全融合狀態下開展，排除基底未完全閉合對侵襲結果造成的幹擾。
圖2. Vero上皮單層細胞的成熟過程及HeLa細胞侵襲現象
2. 細胞分型、對照設置與評價指標篩選
研究共分析 20 個接種於 Vero 單層上的 HeLa 細胞，其中侵襲性細胞共12株，非侵襲型細胞共8株，選取形態基線相近的各 3 個作為典型樣本，多次重復實驗均得到一致結果。細胞侵入下層單層後，全息成像追蹤信號出現明顯衰減，據此可直觀區分兩類細胞。空白對照證實，僅16 nm厚的明膠塗層本身不會誘導HeLa細胞發生侵襲。檢測結果顯示，相位偏移、細胞面積和光學體積呈特征性同步下降，是判定侵襲的核心依據（圖3）；而細胞總運動路程、遷移速度和遷移方向性在兩類細胞間無顯著差異，且遷移直線性（遷移效率）數值＜0.5，表明細胞在模型表面呈自由遷移狀態。
圖3. 侵襲型與非侵襲型HeLa細胞的相位偏移（A）、細胞面積（B）、光學體積（C）、總運動路程（D）、運動速度（E）及遷移方向性（F）曲線
3. 細胞形態指標用於侵襲行為判定
對比同期觀測的侵襲型與非侵襲型 HeLa 細胞發現，非侵襲細胞檢測面積始終穩定，侵襲細胞的檢測面積則顯著降低（圖 4）。細胞面積、光學體積由激光相位偏移換算得到，細胞實際的物理尺寸並未改變；且細胞發生侵襲前，兩項形態參數僅小幅波動、整體平穩。由此證實，檢測面積與光學體積的突發下降，可作為判定細胞發生侵襲的有效依據。
圖4. 侵襲型與非侵襲型 HeLa 細胞對比圖
4. 侵襲行為的運動特征與細胞間隙重塑
細胞平面（XY 軸）追蹤軌跡顯示，侵襲型癌細胞會反復遊走、篩選適宜的侵入位點並在目標位點周圍做環繞運動（圖 5）；當細胞確定侵入位點後，活動範圍會縮小至數微米區間內（圖 6）。截面觀測結果表明，侵襲細胞可逐步填充 Vero 上皮單層的局部間隙並擡升局部結構，最終讓原本平整的單層表面變得粗糙。
圖5. 侵襲型（黑色軌跡）與非侵襲型（紅色軌跡）HeLa 細胞的運動追蹤軌跡圖
圖6. 重復實驗驗證結果
5. 細胞侵襲速率、運動分期及特征參數分析
本研究提出了侵襲速度概念，以單細胞光學體積的時間縮減速率對侵襲過程進行量化，明確計算方法，並以形態學參數平均值下降30%作為體積變化的判定節點。實驗發現，細胞遷移總路程與侵襲速度呈負相關，遷移距離越長，侵襲速度越慢（圖 7）。侵襲型 HeLa 細胞的活動可分為兩個階段：遊走階段細胞大範圍搜尋侵入位點，各項形態指標保持穩定；鎖定侵襲階段細胞定點侵入單層，形態指標快速下降。研究引入參數Q區分兩階段行為特征，實測數據顯示細胞遊走階段的Q值遠小於鎖定侵襲階段，該參數可有效量化細胞遷移、形態改變與侵襲行為的內在聯系。
圖 7. 侵襲細胞分階段運動特征與侵襲速率相關性分析
實驗結論
本研究表明，基於數字全息顯微技術的HoloMonitor M4能夠在無標記、實時條件下有效監測和量化HeLa細胞向Vero上皮單層的單細胞侵襲行為。侵襲細胞會出現相位偏移、細胞面積、光學體積三項信號特征性同步下降；而遷移速度、遷移方向性無法區分兩類細胞，證明全息形態學參數是判定細胞侵襲行為的特異性指標。通過細胞XY軌跡追蹤，研究進一步發現侵襲過程包含運動搜尋階段和鎖定侵襲階段兩個動態階段，並定義了侵襲速度和參數（Q）兩個新量化參數，其中侵襲速度與細胞總運動距離呈顯著負相關，提示遷移越活躍的細胞，其入侵速度反而越慢。該技術平臺不僅實現了侵襲事件的自動識別和比例統計，還為高通量藥物篩選提供了簡便、經濟、可重復的實時分析工具，有望在未來抗腫瘤轉移藥物研發中發揮重要作用。
