3D細(xì)胞培養(yǎng)，給細(xì)胞家的感覺

——“你的細(xì)胞都養(yǎng)在哪里呀？"

——“都在塑料的培養(yǎng)皿里呢。"

    你知道嗎？目前細(xì)胞大都是在細(xì)胞培養(yǎng)板或細(xì)胞培養(yǎng)瓶中進(jìn)行二維平面培養(yǎng)。由于二維細(xì)胞生長環(huán)境與體內(nèi)3D細(xì)胞生長環(huán)境差距較大，因此2D培養(yǎng)無法提供高質(zhì)量的細(xì)胞用于后續(xù)研究和應(yīng)用。此外，由于二維培養(yǎng)細(xì)胞擴(kuò)增還會(huì)受到2D平面表面積的限制（即細(xì)胞的生長接觸限制），需要頻繁采用胰酶消化進(jìn)行細(xì)胞傳代，導(dǎo)致細(xì)胞培養(yǎng)擴(kuò)增工作繁瑣。胰酶消化還會(huì)影響細(xì)胞的質(zhì)量。采用3D細(xì)胞培養(yǎng)支架，可以再較長期間內(nèi)無需胰酶消化，而進(jìn)行細(xì)胞的3D擴(kuò)增，從而大大提高細(xì)胞的質(zhì)量和提高細(xì)胞的培養(yǎng)效率。

    將貼壁細(xì)胞培養(yǎng)在二維平面上，是科學(xué)家們過去迫不得已的無奈選擇，這種無奈選擇使細(xì)胞離開了較為適合其生長分化的體內(nèi)環(huán)境，并調(diào)整自己方能重新適應(yīng)新的二維環(huán)境。因此，傳統(tǒng)的2D單層細(xì)胞培養(yǎng)物很難恰當(dāng)?shù)胤从吵黾?xì)胞在體內(nèi)的生物學(xué)形狀或特征，進(jìn)而可能造成細(xì)胞結(jié)構(gòu)和組織功能的缺失。

三維（3D）細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)能夠更好地模擬生物體內(nèi)細(xì)胞存活的自然環(huán)境，其自然條件可保持細(xì)胞間相互作用和更逼真的生化和生理反應(yīng)。在3D環(huán)境中，細(xì)胞對內(nèi)源性和外源性刺激（如溫度、pH、營養(yǎng)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分化等方面的改變）應(yīng)答更接近于它們在體內(nèi)的反應(yīng)。再生醫(yī)學(xué)的力量為理解發(fā)育、老化和組織年輕化等許多有趣的細(xì)胞進(jìn)程提供了方法，了解生物學(xué)中這些有趣過程的方法就是研究與生物體非常相似的模型系統(tǒng)，這使得3D細(xì)胞培養(yǎng)成為定不可少的研究工具。

    目前已有研究表明3D細(xì)胞培養(yǎng)具有改變增殖和形態(tài)、更能揭示真實(shí)的藥物反應(yīng)、捕獲表型異質(zhì)性、正確反應(yīng)基因表達(dá)和細(xì)胞行為、模擬腫瘤微環(huán)境等特征。

1. 細(xì)胞吸附和伸展的程度

    2D培養(yǎng)中，細(xì)胞只在接觸面單側(cè)吸附，許多細(xì)胞逐步扁平化，有的分裂異常，有的喪失分化表型；3D培養(yǎng)中，細(xì)胞的整個(gè)表面都可吸附，建立起類似體內(nèi)的的細(xì)胞-基質(zhì)與細(xì)胞-細(xì)胞間相互作用。

2. 細(xì)胞的極性

    極性對組織的結(jié)構(gòu)和活性分子的定向分泌很重要。像Transwell這種可通透支持物，是體外重建具有活體極性和分泌功能的上皮細(xì)胞3D模型的有用工具。

3. 基因表達(dá)和mRNA剪切

    黑色素瘤細(xì)胞3D培養(yǎng)基因上調(diào)的模式和在體內(nèi)的腫瘤中一致；而2D培養(yǎng)時(shí)會(huì)展現(xiàn)出與上面不同的*基因表達(dá)模式。細(xì)胞培養(yǎng)方式還會(huì)影響到整合素mRNA的表達(dá)和蛋白的生物合成。

    3D細(xì)胞培養(yǎng)的主要方法有：依賴支架的固體支架技術(shù)、水凝膠技術(shù)，以及不依賴支架的低粘附力培養(yǎng)皿/板、懸滴板、旋轉(zhuǎn)生物發(fā)生器、磁性3D生物打印。

    3D細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用最多的是低粘附力培養(yǎng)皿/板。低粘附力培養(yǎng)皿/板的表面覆蓋一層帶負(fù)電荷的親水性聚合物，加入細(xì)胞后通過細(xì)胞間的互動(dòng)可自然形成立體球狀。形成的細(xì)胞球內(nèi)具有氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)、代謝廢物的濃度梯度，能夠模擬固態(tài)組織的多個(gè)特性，是研究實(shí)體瘤發(fā)生和干細(xì)胞分化重要的3D生理模型。

低粘附平面

另一類是運(yùn)用水凝膠。水凝膠是水膨脹性的高分子網(wǎng)絡(luò)，被設(shè)計(jì)用來模擬復(fù)雜的細(xì)胞外微環(huán)境。水凝膠由水、ECM蛋白和生長因子組成。用于三維細(xì)胞培養(yǎng)的第一代水凝膠是從小鼠肉瘤細(xì)胞基底膜提取的ECM聚合物，新一代的合成、混合或基于多肽的材料則可以制備滿足特定需求的培養(yǎng)環(huán)境，為每個(gè)細(xì)胞和應(yīng)用需求提供最合適的選擇。

    還有一種較為主流的方式是利用3D細(xì)胞培養(yǎng)支架。支架可提供一種物理支撐，細(xì)胞可以進(jìn)入支架生長和行使功能?？紫斗植?、暴露平面區(qū)域和孔隙度具有關(guān)鍵作用，其數(shù)量和分布會(huì)影響細(xì)胞滲透入支架的效率，而依據(jù)不同的制作工藝，支架具有不同的結(jié)構(gòu)、隨機(jī)或定制的孔隙分布。

    不同3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)都各有優(yōu)勢和不足，因此在選擇合適的3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)時(shí)需要考慮多方面因素，比如要解決的問題或研究目的、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?xì)胞類型、技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性、下游分析方法和樣品數(shù)量等。