2026.08.20
癌细胞的侵袭性，本质上反映其从原发肿瘤向远处组织播散的能力。实现对侵袭性的直接检测与精确定量，不仅有助于评估患者预后，也为评判抗癌化合物对肿瘤进展的干预效果提供了关键依据。
发表于《Scientific Reports》的一项前沿研究，依托基于数字全息成像原理的HoloMonitor M4系统，建立了一种全新的癌细胞侵袭性实时检测方案。该研究以源自非洲绿猴肾细胞（Vero）的上皮单层细胞为体外模型，持续追踪HeLa细胞侵袭上皮单层的完整过程，同步采集侵袭型与非侵袭型HeLa细胞的迁移速度、总运动路程、细胞面积及光学体积等关键指标，系统比较了两类细胞各参数随时间演变的动态差异。所得结果不仅阐明了 HeLa 细胞穿透上皮单层的侵袭机制，也为未来实现全自动、无标记、高通量的抗侵袭药物筛选提供了新的方法学依据。
材料与方法
本研究选用非洲绿猴肾来源的Vero上皮细胞与人源宫颈癌细胞系HeLa作为研究对象，实验操作流程为：先接种Vero细胞并持续培养至形成完全融合的致密上皮单层，随后在该单层细胞表面接种HeLa细胞，置于HoloMonitor M4无标记数字全息细胞分析系统中开展时长24 h的无标记动态观测。后续选取形态学特征匹配的侵袭型与非侵袭型HeLa细胞开展配对对照分析，定量检测参数涵盖全息相位偏移、细胞面积、光学体积、总运动路程、平均迁移速率及迁移方向性指数。
图1. 实验设计、操作流程与预期结果示意图
实验结果
1. 细胞模型构建与侵袭表型初步观测
24 h动态观测显示，接种于完全融合Vero上皮单层表面的HeLa细胞呈现两种不同的行为表型：部分细胞具备主动侵袭能力，能够穿透下层上皮单层；另一部分则无侵袭性，仅停留在Vero单层进行迁移和分裂（补充视频S1）。对Vero上皮单层的融合度进行定量分析（图2）表明，Vero细胞培养1200分钟（20 h）后达到完全融合，所有侵袭实验均在此完全融合状态下开展，排除基底未完全闭合对侵袭结果造成的干扰。
图2. Vero上皮单层细胞的成熟过程及HeLa细胞侵袭现象
2. 细胞分型、对照设置与评价指标筛选
研究共分析 20 个接种于 Vero 单层上的 HeLa 细胞，其中侵袭性细胞共12株，非侵袭型细胞共8株，选取形态基线相近的各 3 个作为典型样本，多次重复实验均得到一致结果。细胞侵入下层单层后，全息成像追踪信号出现明显衰减，据此可直观区分两类细胞。空白对照证实，仅16 nm厚的明胶涂层本身不会诱导HeLa细胞发生侵袭。检测结果显示，相位偏移、细胞面积和光学体积呈特征性同步下降，是判定侵袭的核心依据（图3）；而细胞总运动路程、迁移速度和迁移方向性在两类细胞间无显著差异，且迁移直线性（迁移效率）数值＜0.5，表明细胞在模型表面呈自由迁移状态。
图3. 侵袭型与非侵袭型HeLa细胞的相位偏移（A）、细胞面积（B）、光学体积（C）、总运动路程（D）、运动速度（E）及迁移方向性（F）曲线
3. 细胞形态指标用于侵袭行为判定
对比同期观测的侵袭型与非侵袭型 HeLa 细胞发现，非侵袭细胞检测面积始终稳定，侵袭细胞的检测面积则显著降低（图 4）。细胞面积、光学体积由激光相位偏移换算得到，细胞实际的物理尺寸并未改变；且细胞发生侵袭前，两项形态参数仅小幅波动、整体平稳。由此证实，检测面积与光学体积的突发下降，可作为判定细胞发生侵袭的有效依据。
图4. 侵袭型与非侵袭型 HeLa 细胞对比图
4. 侵袭行为的运动特征与细胞间隙重塑
细胞平面（XY 轴）追踪轨迹显示，侵袭型癌细胞会反复游走、筛选适宜的侵入位点并在目标位点周围做环绕运动（图 5）；当细胞确定侵入位点后，活动范围会缩小至数微米区间内（图 6）。截面观测结果表明，侵袭细胞可逐步填充 Vero 上皮单层的局部间隙并抬升局部结构，最终让原本平整的单层表面变得粗糙。
图5. 侵袭型（黑色轨迹）与非侵袭型（红色轨迹）HeLa 细胞的运动追踪轨迹图
图6. 重复实验验证结果
5. 细胞侵袭速率、运动分期及特征参数分析
本研究提出了侵袭速度概念，以单细胞光学体积的时间缩减速率对侵袭过程进行量化，明确计算方法，并以形态学参数平均值下降30%作为体积变化的判定节点。实验发现，细胞迁移总路程与侵袭速度呈负相关，迁移距离越长，侵袭速度越慢（图 7）。侵袭型 HeLa 细胞的活动可分为两个阶段：游走阶段细胞大范围搜寻侵入位点，各项形态指标保持稳定；锁定侵袭阶段细胞定点侵入单层，形态指标快速下降。研究引入参数Q区分两阶段行为特征，实测数据显示细胞游走阶段的Q值远小于锁定侵袭阶段，该参数可有效量化细胞迁移、形态改变与侵袭行为的内在联系。
图 7. 侵袭细胞分阶段运动特征与侵袭速率相关性分析
实验结论
本研究表明，基于数字全息显微技术的HoloMonitor M4能够在无标记、实时条件下有效监测和量化HeLa细胞向Vero上皮单层的单细胞侵袭行为。侵袭细胞会出现相位偏移、细胞面积、光学体积三项信号特征性同步下降；而迁移速度、迁移方向性无法区分两类细胞，证明全息形态学参数是判定细胞侵袭行为的特异性指标。通过细胞XY轨迹追踪，研究进一步发现侵袭过程包含运动搜寻阶段和锁定侵袭阶段两个动态阶段，并定义了侵袭速度和参数（Q）两个新量化参数，其中侵袭速度与细胞总运动距离呈显著负相关，提示迁移越活跃的细胞，其入侵速度反而越慢。该技术平台不仅实现了侵袭事件的自动识别和比例统计，还为高通量药物筛选提供了简便、经济、可重复的实时分析工具，有望在未来抗肿瘤转移药物研发中发挥重要作用。
