細(xì)胞培養(yǎng)包括在人造環(huán)境中培養(yǎng)細(xì)胞，以研究它們對(duì)環(huán)境的反應(yīng)?，F(xiàn)在可以發(fā)現(xiàn)不同種類(lèi)的細(xì)胞培養(yǎng)物，并且根據(jù)其性質(zhì)和應(yīng)用，一些細(xì)胞培養(yǎng)物可能比其他培養(yǎng)物更適合。

3D細(xì)胞培養(yǎng)可以被描述為微組裝設(shè)備中的活細(xì)胞培養(yǎng)，并且支持呈現(xiàn)出模擬組織和器官特異性微結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)。

1.二維VS三維細(xì)胞培養(yǎng)方法

SEM 2D細(xì)胞培養(yǎng)圖像

過(guò)去幾十年傳統(tǒng)上使用2D細(xì)胞培養(yǎng)物不僅在體外研究不同的細(xì)胞類(lèi)型，而且進(jìn)行藥物篩選和測(cè)試。典型地，這種單層系統(tǒng)允許細(xì)胞在聚酯或玻璃平坦表面上生長(zhǎng), 呈現(xiàn)供給正在生長(zhǎng)的細(xì)胞群體的培養(yǎng)基。然而，由于其簡(jiǎn)單性，這種模型不能準(zhǔn)確描繪和模擬在體內(nèi)觀察到的豐富的環(huán)境和復(fù)雜的過(guò)程，如細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)，化學(xué)或幾何。所以，采用二維細(xì)胞培養(yǎng)方法收集的數(shù)據(jù)可能是誤導(dǎo)性的，并且在體內(nèi)應(yīng)用中無(wú)法預(yù)測(cè)。這就是為什么科學(xué)家最近一直在研究三維仿生細(xì)胞培養(yǎng)的原因，這種技術(shù)更精確地代表細(xì)胞能在體內(nèi)繁殖的實(shí)際微環(huán)境。

由3D細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)生的新生視網(wǎng)膜

正如您可能已經(jīng)意識(shí)到的那樣，3D細(xì)胞培養(yǎng)存在不同類(lèi)型，每種培養(yǎng)都提供不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。與2D細(xì)胞培養(yǎng)不同，3D細(xì)胞培養(yǎng)通過(guò)使用微結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的環(huán)境參數(shù)促進(jìn)細(xì)胞分化和組織。事實(shí)上，在3D環(huán)境中，與在2D環(huán)境下生長(zhǎng)的細(xì)胞相比，細(xì)胞往往更容易受到形態(tài)和生理變化的影響。這主要可以通過(guò)結(jié)構(gòu)化作用和指導(dǎo)細(xì)胞行為的腳手架的影響來(lái)解釋。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種細(xì)胞支持的幾何和組成不僅可以影響基因表達(dá) 還可以增強(qiáng)細(xì)胞間通訊。例如，一些促進(jìn)細(xì)胞增殖的基因在3D細(xì)胞培養(yǎng)中受到抑制，從而避免了2D細(xì)胞培養(yǎng)中遇到的無(wú)序增殖。

3D細(xì)胞培養(yǎng)也賦予兩種不同細(xì)胞群同時(shí)生長(zhǎng)的可能性，這種細(xì)胞群能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)組織內(nèi)觀察到的細(xì)胞功能，這不同于基于二維細(xì)胞培養(yǎng)的共培養(yǎng)。目標(biāo)細(xì)胞與其他細(xì)胞之間存在的相互作用顯然是細(xì)胞功能的關(guān)鍵因素。這就是為什么研究專注于在癌癥中發(fā)揮重要作用的基質(zhì)細(xì)胞（器官結(jié)締細(xì)胞組織）的原因。最后，使用3D細(xì)胞培養(yǎng)可以更容易地控制和監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)細(xì)胞微環(huán)境參數(shù) （溫度，化學(xué)梯度，氧氣速率，pH等）在一定程度上保持盡可能接近現(xiàn)實(shí)，這要?dú)w功于微觀工程（微流控技術(shù)）。

必須記住，三維細(xì)胞培養(yǎng)是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)，研究人員尚未充分掌握其潛在的現(xiàn)象和影響。不幸的是，這種培養(yǎng)方法存在一些明顯的缺點(diǎn)。首先，一些支架基質(zhì)摻入了可能干擾細(xì)胞培養(yǎng)的來(lái)自動(dòng)物或其他不需要的來(lái)源（病毒，可溶性因子）的化合物。其他一些基質(zhì)提供良好的細(xì)胞粘附，使細(xì)胞清除更加困難。除此之外，雖然3D細(xì)胞培養(yǎng)可能是一種節(jié)省成本的技術(shù)，可能會(huì)跳過(guò)藥物試驗(yàn)中的動(dòng)物藥物測(cè)試步驟，但開(kāi)發(fā)自動(dòng)化和可重復(fù)的應(yīng)用仍然是一個(gè)非常昂貴和細(xì)致的過(guò)程。

與2D單層細(xì)胞培養(yǎng)不同，3D細(xì)胞培養(yǎng)是模擬體內(nèi)細(xì)胞行為和組織（形態(tài)學(xué)和生理學(xué)）的更令人滿意的模型。裝配多層3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)只能通過(guò)使用支架來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述支架是微觀組織的細(xì)胞支持物，其極大地影響細(xì)胞分化和增殖。由于其新穎性，這種技術(shù)并不完全理解，因此不容易處理。最后，為改善3D細(xì)胞培養(yǎng)所進(jìn)行的應(yīng)用開(kāi)發(fā)可能是昂貴的。

2. 3D細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用

用于組織工程的3D細(xì)胞培養(yǎng)

  對(duì)于一般或個(gè)別患者的使用，三維細(xì)胞培養(yǎng)近來(lái)已成為組織工程領(lǐng)域的重大突破。事實(shí)上，組織再生和重建可能已經(jīng)極大地益于三維細(xì)胞培養(yǎng)，提供解決組織修復(fù)的替代方法。

事實(shí)上，不使用生物材料，可以在3D培養(yǎng)中使用微結(jié)構(gòu)纖維支架產(chǎn)生人體組織（例如用于皮膚重建的上皮 - 真皮層）。不幸的是，價(jià)格可能相當(dāng)昂貴，并且在某些國(guó)家對(duì)這種應(yīng)用的監(jiān)管尚未明確。

盡管如此，3D培養(yǎng)仍然是進(jìn)行干細(xì)胞和細(xì)胞分化研究的可靠方法。了解復(fù)雜的機(jī)制，如成骨細(xì)胞如何轉(zhuǎn)變成骨細(xì)胞現(xiàn)在是可能的和可重復(fù)的。在這種情況下，成骨可以通過(guò)表達(dá)膠原蛋白I標(biāo)記除其他干細(xì)胞被觸發(fā)（CBFA-1，堿性磷酸酶，骨粘連蛋白，骨橋蛋白和JNK2）。因此，獲得所需特性的細(xì)胞可以注射到骨損傷部位，以重建受損組織。

微流體3D細(xì)胞培養(yǎng)：器官 芯片

隨著允許精確微環(huán)境參數(shù)控制（微流體）的微流控技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)使用促進(jìn)組織操縱和研究的生物相容性微流控芯片來(lái)創(chuàng)建長(zhǎng)期和受控的3D細(xì)胞培養(yǎng)模型。那些芯片上的器官是仿生系統(tǒng)， 通過(guò)模仿器官的微觀結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)和生化功能來(lái)復(fù)制活體器官的關(guān)鍵功能。器官芯片通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有方法并帶來(lái)新的可能性改變了3D細(xì)胞培養(yǎng)的方式：

為了更好地復(fù)制活體組織和功能，在芯片微通道內(nèi)建立了由膠原或聚合物基膜制成的微結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的三維細(xì)胞培養(yǎng)不同，這些結(jié)構(gòu)實(shí)際上可以重建體內(nèi)觀察到的功能。例如，人類(lèi)呼吸肺上片是肺泡 - 毛細(xì)血管的模型。它集成了一個(gè)柔軟的聚合物膜，可以像活人肺中一樣運(yùn)動(dòng)。

由于微流體使器官芯片能夠在不同的尺度上進(jìn)行精確的流量控制，以“灌溉”細(xì)胞培養(yǎng)物，因此可以在微通道中操作少量流體。因此，有可能通過(guò)將細(xì)胞所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其他元素制成時(shí)空梯度。

器官芯片也可以促進(jìn)創(chuàng)建一個(gè)區(qū)域化的微流體系統(tǒng)，受控共培養(yǎng)和重建  組織界面。因此，許多疾病模型可以發(fā)展：例如，在惡性乳腺癌和腦腫瘤的情況下不同組織類(lèi)型之間的通信，或當(dāng)成為侵入性癌癥時(shí)乳腺癌細(xì)胞的行為。

這項(xiàng)新技術(shù)非常適合挑剔和復(fù)雜的三維細(xì)胞培養(yǎng)要求。事實(shí)上，它有助于仿真組織界面，模擬器官功能，同時(shí)徹底監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)微環(huán)境（化學(xué)信號(hào)，流體流動(dòng)，機(jī)械現(xiàn)象）。承載三維細(xì)胞培養(yǎng)，微通道與穿孔流體混合的孔連接。這些通路由微流體輸出設(shè)備（流量測(cè)量和控制系統(tǒng)）精確控制，以調(diào)節(jié)微環(huán)境中的流量。

通過(guò)使用微流控芯片，微通道內(nèi)的受控細(xì)胞生長(zhǎng)受到具有足夠機(jī)械，化學(xué)和表面特性的合適支撐。由于節(jié)省時(shí)間的仿生模型，藥物開(kāi)發(fā)研究很容易進(jìn)行，以研究器官尺度或系統(tǒng)尺度（多個(gè)器官 - 芯片）上的人類(lèi)生理反應(yīng)。

使用3D細(xì)胞培養(yǎng)進(jìn)行藥物測(cè)試

通常使用動(dòng)物模型進(jìn)行藥物發(fā)現(xiàn)研究超過(guò)30年]。起初，這種做法在制藥行業(yè)是一項(xiàng)可管理的日常任務(wù)。然而，隨著時(shí)間的推移，藥物分子越多，高通量藥物篩選就越昂貴，進(jìn)行這些試驗(yàn)所需的時(shí)間也就越長(zhǎng)。伴隨著這種現(xiàn)象，引發(fā)了關(guān)于動(dòng)物藥物測(cè)試的道德?tīng)?zhēng)議，甚至沒(méi)有很好地將其轉(zhuǎn)化為人類(lèi)應(yīng)用。從那以后，3D培養(yǎng)已經(jīng)在一定程度上解決了這些問(wèn)題，提供的藥物反應(yīng)非常類(lèi)似于2D或動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)中體內(nèi)發(fā)生的情況。

因此，3D細(xì)胞培養(yǎng)也可以被描述為藥物篩選的一種節(jié)約成本/節(jié)省時(shí)間的培養(yǎng)技術(shù)，因?yàn)樗茉诮档退幬镌囼?yàn)時(shí)間的同時(shí)使其更精確或有針對(duì)性。例如，使用微工程應(yīng)用（器官芯片），癌癥治療正在變得越來(lái)越好，通過(guò)更精確地針對(duì)特定的細(xì)胞類(lèi)型，確定的生物機(jī)制，精確的受體等來(lái)提高益處 - 風(fēng)險(xiǎn)平衡。不幸的是，仍然有太多的藥物測(cè)試由于無(wú)進(jìn)展生存而繼續(xù)失敗。事實(shí)上，雖然更接近于體內(nèi) ，三維細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)生的組織和真正的自然組織之間仍然存在差距。

細(xì)胞在三維環(huán)境中自然生長(zhǎng)，成熟和分化。使用3D培養(yǎng)是體外復(fù)制這一過(guò)程的準(zhǔn)確方法。這就是為什么科學(xué)家們一直在研究多種細(xì)胞類(lèi)型的原因，包括干細(xì)胞，自體細(xì)胞，同種異體細(xì)胞，異種細(xì)胞，祖細(xì)胞和多潛能細(xì)胞。與2D單層細(xì)胞培養(yǎng)不同，3D細(xì)胞培養(yǎng)模型幾乎可以完美模擬體內(nèi)細(xì)胞的行為和組織（形態(tài)學(xué)和生理學(xué)）。通過(guò)使用支架或無(wú)支架方法可以組裝多層3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)。 無(wú)論是否使用支架，由于細(xì)胞連接和可溶性因素，通過(guò)直接和間接的相互作用，構(gòu)成球狀體的所得細(xì)胞可以在它們自身與基質(zhì)/支持物之間相互作用。 如今，許多應(yīng)用如組織工程來(lái)源于3D細(xì)胞培養(yǎng)，這也有助于通過(guò)微流控器官芯片的藥物測(cè)試的改進(jìn)。 盡管如此，3D細(xì)胞培養(yǎng)科學(xué)家們?nèi)匀辉噲D克服困難。