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3D细胞培养的过去、现在和未来

2020-09-15

由于3D细胞培养更加接近细胞在体内的生理状态，提供了2D培养无法提供的重要信息，而且比体内模型更加容易建立，因此成为了近年来广受追捧的一个体外研究模型。

3D细胞培养的研究从20世纪初开始发展至今，在模型的建立难度和稳定性上已经有了极大的进步。今天我们就给你扒一下，3D细胞培养技术的过去、现在和未来。

过去

在3D细胞培养概念刚出现的当时，不像现在一样有商品化的支架材料或者试剂盒。以前什么也没有的时候，大家也是煞费了各种心思，重力，离心力，磁力等等的都用上了。所以，最开始的3D细胞培养，形式都是以细胞球（spheroids）和微组织（microtissue）为主，只是建立方法上的差异。

Hanging drop （悬滴法）：悬滴法是应用广泛、能较轻易快速获得3D细胞，而且无需特殊试剂或设备的方法。悬滴法主要是通过把悬浮细胞液滴在微孔板底部，再把微孔板上下翻转防止，让液滴悬挂着，让细胞在重力作用下，在液滴底部接近液-气的界面聚集成球[1]。

上面的方法虽然简单、低成本，但是建立的3D细胞模型的大小和生长速度差异较大，不适合高通量规模的实验，因此限制了其发展。

现在

Scaffold-based 3D culture methods （3D细胞培养支架）：

支架法是目前较为常用的的3D细胞培养方式，原理主要是让细胞在不同材料支架中，以三维的形式生长、增殖和分化。常用的支架材料有天然来源的，例如来源于细胞外基质提取物做成的基质胶（Basement Membrane Extract），也有合成的生物兼容材料，如藻酸盐水凝胶。3D细胞培养支架较多应用于研究微环境生化对于细胞生长的影响，在干细胞研究中尤为重要[2]。

图1：(A) - (C) HepG2和MCF7在无支架和有支架下的生长情况；(D)96孔板中包被好的凝胶支架；(E)固体支架；(F)解离后的细胞。

Organoids（类器官）：如果想要观察细胞群在组织中的发展过程，那类器官模型是您的不二之选。利用干细胞的分化潜能，目前已经有不少实验室成功培养出有具有结构和功能特征的类器官，包括肠，肾脏，肺，脑和眼膜。类器官模型可用于观察器官发展、炎症疾病、基因疾病等等[3]，同时，来源于病人的肿瘤干细胞也可以培养成肿瘤类器官，用于个性化治疗的研究[4]。

未来

Three-dimensional bioprinting （3D生物打印）：该技术能一层一层地精确“打印”出组织和器官的结构，是3D打印的一大进步。目前研究者能通过3D生物打印构建出血管、肌肉、软骨和骨头，用于药物测试和临床前研究[5]。

Microfluidic technologies（微流控技术）：科学家们首先把活细胞接种在芯片里面，然后通过控制芯片里面的微流，来达到控制细胞生长条件的目的，从而促进细胞发展成组织或器官，这种叫做“Organs-on-chip”（器官芯片）。目前已经开发出来的包括芯片肝、芯片肾、芯片肠和有呼吸功能的芯片肺。该方法为器官生理研究、病理研究和新药测试提供了一个新研究模型[6, 7]。

图2：现在一些器官芯片的设计。

3D细胞培养无疑是未来的一大趋势，但是该模型要广泛地使用起来，还有一些挑战亟待科学家们解决。例如怎样把3D细胞培养流程标准化和高通量化。更重要的是，目前很多的细胞分析实验都是基于在2D细胞建立的，因此，把3D细胞模型兼容到不同的细胞分析实验上也是该技术发展的一个挑战。

优品推荐

有30年细胞培养分析经验的德国PromoCell提供不同的3D细胞培养支架及配套试剂，包括：

3D细胞培养试剂盒（基质胶）：

其成分为动物提取物，能给细胞提供一个更加天然的生长环境；
能用于类器官模型的建立，还可以用于血管生成实验、细胞侵袭、细胞毒性和药物筛选等实验
可以用于观察肿瘤形成初期的3D微环境。
可单独提供支架材料

3D细胞培养试剂盒（藻酸盐水凝胶）：

是藻类细胞壁的衍生物，不具有细胞粘附性；
不含生长因子等动物源成分，因此培养条件更加一致和可控；
适用于多种细胞，包括内皮细胞，上皮细胞，成纤维细胞，表皮细胞，软骨细胞，癌细胞和干细胞
可应用于药物筛选，肿瘤模型，组织建模等等；
可单独提供支架材料。

3D细胞活性检测试剂盒：

操作简便，可兼容高通量检测3D细胞活性或毒性；
能检测低至50个细胞
带有非酶消化剂，能温和地把细胞从支架上消化下来。

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