3D 细胞培养工具和技术

• 2D和3D细胞培养对比
  
• 3D 细胞培养的优势
• 3D 细胞培养技术概述
• 基于支架的技术
• 无支架技术

2D和3D细胞培养技术对比

细胞培养技术普遍应用于发育生物学、药物发现、再生医学和蛋白质生产等领域。自引入细胞培养技术以来，细胞就可以用二维方式培养，附着在组织培养塑料器皿或 ECM 附着蛋白上。生理环境中的细胞与 细胞外基质不断相互作用，调节复杂的生物学功能，如细胞迁移、凋亡、转录调节和受体表达¹。当细胞在 2D 条件下生长时，由于细胞与其基质之间复杂的细胞信号无法再现²，因此体外实验数据无法完全转化为临床试验³。  三维细胞培养 可应对这一挑战，并作为一个更好的模型更确切地体现体内生理条件。  表 1 指出了 2D 和 3D 细胞培养系统之间的差异。

表1. 细胞行为：2D和3D细胞培养条件对比。

关键特征	2D 细胞培养	3D细胞培养	参考文献
细胞形状	平展和伸展	保留自然形状（椭球/极化）	10.3390/ijms160355173
细胞与培养基的界面	所有细胞均暴露于培养基组分中	如在生理条件下，有梯度可用性的培养基组分。上层细胞高度暴露于下层（非均相暴露）	10.1016/j.semcancer.2005.05.0024, 10.1016/j.bbrc.2013.03.0085
细胞连接	细胞连接不太普遍，也不像生理条件	细胞连接普遍存在，并激活细胞间通讯。	10.1371/journal.pone.00381476
细胞分化	中、低分化	分化良好	10.1016/j.yexcr.2012.09.0127
药物代谢	药物代谢未得到很好的观察	药物代谢增强，CYP 酶表达增加	10.1007/s00204-013-1080-y8, 10.1089/ten.2006.12.13579
药物敏感性	细胞敏感，药物显示高效	细胞常表现出耐药性，药物表现出低效力	10.1111/j.1469-7580.2007.00778.x10
细胞增殖	增殖率高于自然环境	增殖速率可高可低，它是基于细胞类型和 3D 细胞培养技术的。	10.1007/s11626-997-0061-y11, 10.1016/j.biomaterials.2004.05.02812
对刺激的反应	对细胞机械刺激反应差	对细胞机械刺激的良好反应	10.1038/srep1955013
生存力	对细胞毒素敏感	生存能力更强，不易受外界因素影响	10.1111/j.1469-7580.2007.00778.x10
细胞凋亡	对药物诱导的细胞凋亡呈高度敏感	增强对药物诱导的凋亡刺激的抵抗力	10.3892/或0000016714

此外，一些研究已经报道了在 3D 环境中生长的细胞的基因和蛋白质表达谱与 2D 对应物相比的差异。此外，3D 培养条件下的表达谱被认为比 2D 细胞培养条件更具生理相关性。

3D 细胞培养的优势

3D 培养中的细胞事件与生理条件密切相似，与 2D 培养条件相比具有以下明显优势

• 在 3D 中生长的干细胞表现出明显更高的分化潜能¹⁵。
• 在 3D 培养中药物安全性和有效性研究是高效的，相对更容易进行，减少了制药公司在药物发现上花费的时间¹⁶。在 3D 细胞模型中可以有效地研究药物引起的肝毒性¹⁶。
• 3D 培养在预测耐药性方面提供了更好的数据。烷化剂在与体内肿瘤相比较的 3D 培养中表现出耐药性¹⁷。
• 包括病毒生长、感染和病原体——宿主相互作用在内的病毒发病机制可以使用 3D 模型18以较低的危险水平进行研究¹⁸。

3D 细胞培养技术概述

3D 细胞培养技术的选择应取决于几个参数，包括细胞本身的性质（细胞系、原代细胞、组织来源），或研究的最终目的。在选择最适合的 3D 细胞培养技术之前，评估这些参数至关重要。

广义上讲，3D 细胞培养技术分为基于支架或不基于支架的技术。

基于支架的技术

基于支架的技术中，细胞在支持物存在的条件下生长。可以使用 2 种主要类型的支持物：

1. 基于水凝胶的载体： 水凝胶的定义是遇水大幅膨胀的聚合物网络。细胞可以嵌入这些水凝胶中，也可以简单地涂在表面上。根据聚合物的性质，水凝胶可以分为不同的类别（基于 ECM 蛋白的水凝胶、天然水凝胶和合成水凝胶），具有不同的性质。
2. 聚合物硬材料基载体： 细胞在 纤维或海绵状结构存在条件下培养：细胞恢复更多的生理形状，因为它们没有被涂在平坦的表面上。用于这些载体的材料可以是聚苯乙烯（由于其透明性而适用于成像研究），也可以是可生物降解工具，如聚己内酯。
   
   与这些支架相关的属性总结在下表中：

表2. 基于支架的 3D 技术与属性概述。

适用性：+++= 高；++= 中等；+= 低；= 不合适；+/-= 随支架组分而变化

技术 属性	基于 ECM 的支架	天然水凝胶	合成水凝胶	硬质聚合物支架
产品描述	层粘连蛋白，胶原， ECM 凝胶	Hystem®	TrueGel3D™, Hydromatrix™	3D Biotek小室，Cellusponge，明胶支架
生物学相关性	+++	+++	+/-	+/-
一致性/可重复性	-	++	+++	+++
污染风险	-	++	+++	+++
模块化/定制	-	+	++	-
细胞回收	+/-	+	++	+++
下游分析（成像、分子分析）	+	++	++	++
HTS/HCS 分析	+/-	+/-	+	-

无支架技术

无支架技术让细胞能够自组装形成名为球状体的非贴壁细胞聚集体。球状体通过分泌自身的细胞外基质并显示不同的营养物可利用性来模拟实体组织。基于无支架技术生长的球状体在大小和形状上是一致的，并且是用于高通量筛选的更好的体外细胞模型。从专门的平板到更集成的系统的各种平台，都可以用来生成球状体：这些技术的属性请见下表。

应用说明：  利用新定义的无血清 3D 球体培养基在人前列腺癌和乳腺癌细胞系中的肿瘤干细胞增殖。

实验方法指南：肿瘤干细胞成球实验方案

表3. 无支架 3D 技术与属性概述。

适用性：适用性：+++= 高；++= 中等；+= 低；= 不适用

技术 属性	低附着微孔板	微流体系统	生物反应器
产品描述	Corning® 球形微孔板	CellASIC ONIX梯度板	Corning® 转瓶或滚瓶
长期培养	++	+++	+++
细胞回收	+++	-	+++
图像分析	+++	+++	-
成本效益	++	-	-
HCS/HTS 分析	+++	-	+

3D 细胞培养的发展有可能弥合体外和体内实验之间的差距。在需要获得反映体内状况的结果，且需避免使用动物相关的伦理顾虑时，体外处理细胞的便利性使得 3D 细胞培养技术越来越受到研究人员的欢迎，但选择合适的系统来开发 3D 细胞培养模型并不是一个简单的问题。

未来将会出现一些更加复杂和先进的技术，如3D 生物打印（3D 打印的一个分支，有助于打印生物材料和活细胞）。3D 生物打印技术避免了传统移植方法的第二个伤口部位，在皮肤移植等领域有广泛的医学应用。3D 生物打印的主要组件，如生物墨水、支架材料和生物材料，相对为科学界所熟知。通过配置这些组件的顺序和位置，可以在模拟生理环境的同时开发各种组织产品¹⁹。目前，该技术还处于早期阶段，但有可能发展成为药物发现和毒性研究不可或缺的工具。

参考文献

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