3D 細胞培養工具與技術

• 二維與三維細胞培養
  
• Advantages of 3D Cell Culture
• 三維細胞培養技術概述
• 基於支架的技術
• 無支架技術

細胞培養 技術在發育生物學、藥物發現、再生醫學和蛋白質生產等領域無所不在。自從細胞培養技術問世以來，細胞都是附著在組織培養塑料器皿或 ECM 附著蛋白上進行二維培養。生理環境中的細胞不斷與細胞外基質互動，調節複雜的生物功能，如細胞遷移、凋亡、轉錄調節和受體表達¹。由於細胞與其基質之間複雜的細胞訊號無法重現³，因此當細胞在 2D 條件下生長時，體外實驗資料無法完全轉換成臨床試驗² 。 三維細胞培養 解決了這一挑戰，並可作為更接近體內生理條件的模型。 表 1 indicates the difference between 2D and 3D cell culture systems.

說明二維和三維細胞培養系統的差異。

表 1. 細胞行為：2D 與 3D 細胞培養條件。

References
Cell Shape	Flat and stretched	Natural shape (ellipsoid/polarized) is retained	10.3390/ijms160355173
細胞與培養基的接觸面	所有細胞都同樣接觸到培養基成分	就像生理狀況一樣，培養基成分的可用性是有梯度的。上層細胞比下層細胞暴露得多（異質暴露）	10.1016/j.semcancer.2005.05.0024, 10.1016/j.bbrc.2013.03.0085
細胞交界	細胞交界較不普遍，且不像生理狀況	細胞交界普遍存在，可讓細胞與細胞之間進行通訊。	10.1371/journal.pone.00381476
細胞分化	中度與差度分化	良好分化	10.1016/j.yexcr.2012.09.0127
藥物代謝	藥物代謝觀察不良	藥物代謝增強，CYP酶表達增加	10.1007/s00204-013-1080-y8, 10.1089/ten.2006.12.13579
藥物敏感性	細胞常呈現抗藥性，藥物呈現低效能	10.1111/j.1469-7580.2007.00778.10
細胞增殖	增殖率比自然環境高	增殖率可高可低，視細胞類型及 3D 細胞培養技術而定。	10.1007/s11626-997-0061-y11, 10.1016/j.biomaterials.2004.05.02812
對刺激的反應	對細胞的機械刺激反應差	對細胞的機械刺激反應差	10.1038/srep1955013
生命力	對細胞毒素敏感	存活率高，不易受外界因素影響	10.1111/j.1469-7580.2007.00778.x10
細胞凋亡	高度易受藥物誘發的細胞凋亡	增強對藥物誘導的細胞凋亡刺激的抵抗力	10.3892/or_0000016714

此外，有幾項研究報告指出，在 3D 環境中生長的細胞，其基因和蛋白質表達與 2D 環境中的細胞有所不同。此外， Expression profiles 三維培養條件被認為比二維細胞培養條件更具生理相關性。

三維細胞培養的優勢

三維培養中的細胞事件與生理條件非常相似，與二維培養條件相比具有以下明顯優勢

• Stem cells 在 3D 中培養的幹細胞具有顯著更高的分化潛力¹⁵。
• 在 3D 培養中進行藥物安全性和療效研究既高效又相對容易，可以減少製藥公司在藥物發現方面所花的時間¹⁶。
• 在三維細胞模型中可以有效地研究藥物誘發的肝毒性¹⁶。
• 三維培養在預測耐藥性方面提供了更好的數據。
• 病毒發病機制包括病毒生長、感染和病原體-宿主互作，使用 3D 模型可以降低危險度¹⁸。

三維細胞培養技術概述

三維細胞培養技術的選擇應取決於幾個參數，包括細胞本身的性質（細胞系、原代細胞、組織起源），或研究的最終目的。在選擇最相關的 3D 細胞培養技術之前，評估這些參數至關重要。

廣義而言，3D 細胞培養技術可分為基於支架 (Scaffold-based) 或非基於支架 (non-scaffold-based) 的技術。

基於支架的技術

在基於支架的技術中，細胞是在支架的存在下生長。可使用兩種主要類型的支架：

1. 基於水凝膠的支架： 水凝膠 顧名思義是用水廣泛膨脹的聚合物網路。細胞可以包埋在這些水凝膠中，也可以簡單地塗佈在表面。
2. 以聚合物硬質材料為基礎的支援： 細胞是在纖維或海綿狀結構的存在下培養：由於細胞沒有被放置在平坦的表面上，因此它們會恢復更符合生理的形狀。用於這些支架的材料可以是聚苯乙烯（因其透明度高而適用於成像研究），也可以是聚己內酯等可生物降解的工具。

表 2. 基於支架的 3D 技術概述與屬性。

適用性：+++ = 高; ++ = 中等; + = 低; - = 不適合; +/- = 隨支架元件而變

Techniques Attributes	ECM-based Scaffolds	Natural Hydrogels	Synthetic Hydrogels	聚合硬質支架
產品說明	Laminin, ECM Gel	Hystem®	TrueGel3D™, Hydromatrix™	3D Biotek Inserts, Cellusponge, Gelatin Scaffolds
生物相關性	+++	+++	+/-	+/-
一致性/可重複性	++	+++	+++
污染風險	-	++	；+++	+++
模組化/客製化	-	+	++	-
單元檢索	+/- ；	+	++	+++
下游分析 (影像、分子分析)	+	++	++	++
HTS/HCS 分析	+/-	+/-	+	-

無支架技術

無支架技術允許細胞自我組合，形成稱為球體的非黏附細胞聚集體。球形細胞會分泌自己的細胞外基質，並顯示出不同的營養可用性，從而模擬實體組織。透過非墊基技術培殖的球體大小和形狀一致，是高通量篩選的最佳體外細胞模型。不同的平台，從專門的平板到更整合的系統，都可用來製造球形細胞：下表描述了這些技術的屬性。

應用說明： Cancer Stem Cell Proliferation in Human Prostate and Breast Cancer Cell Lines Utilizing a New Defined Serum-Free 3D Spheroid Media

方案指南： Cancer Stem Cell Tumorsphere Formation Protocol

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表 3.

適用性 : +++ = High; ++ = Medium; + = Low; - = Unsuitable

技術屬性	低附著力微孔板	微流控系統	生物反應器
產品介紹	Corning® Spheroids Plates	CellASIC ONIX Gradient Plate	Corning® Spinner Flask or Roller Bottles
長期培養	++	++++	++++++
細胞擷取	+++	-<<	+++
影像分析	+++	+++	-
成本效益	+++	-	-
HCS/HTS 分析	+++	-	+

 三維細胞培養 有可能縮小體外 和體內 實驗之間的差距。在體外處理細胞  ，同時獲得反映 體內狀況的結果，並避免使用動物的倫理憂慮，這種便利性使 3D 細胞培養技術越來越受到研究人員的青睞，但選擇合適的系統來開發 3D 細胞培養模型並不是一個瑣碎的問題。

未來將出現一些更複雜、更先進的技術，例如 3D 生物列印，是 3D 列印的分支，有助於列印生物材料和活細胞。3D 生物列印在醫療上有廣泛的應用，例如皮膚移植，可避免傳統移植方式的第二個傷口部位。三維生物列印的主要元件，如生物墨水、支架材料和生物材料，都是科學界比較熟知的。通過配置這些組件的順序和位置，可以開發出各種組織產品，同時模擬生理環境¹⁹。目前，該技術仍處於早期階段，但有潛力發展成為藥物發現和毒性研究不可或缺的工具

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參考資料

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