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3D細胞培養，給細胞家的感覺
發布時間： 2021-10-20 點擊次數： 2349次——“你的細胞都養在哪里呀？"
——“都在塑料的培養皿里呢。"
你知道嗎？目前細胞大都是在細胞培養板或細胞培養瓶中進行二維平面培養。由于二維細胞生長環境與體內3D細胞生長環境差距較大，因此2D培養無法提供高質量的細胞用于后續研究和應用。此外，由于二維培養細胞擴增還會受到2D平面表面積的限制（即細胞的生長接觸限制），需要頻繁采用胰酶消化進行細胞傳代，導致細胞培養擴增工作繁瑣。胰酶消化還會影響細胞的質量。采用3D細胞培養支架，可以再較長期間內無需胰酶消化，而進行細胞的3D擴增，從而大大提高細胞的質量和提高細胞的培養效率。
將貼壁細胞培養在二維平面上，是科學家們過去迫不得已的無奈選擇，這種無奈選擇使細胞離開了較為適合其生長分化的體內環境，并調整自己方能重新適應新的二維環境。因此，傳統的2D單層細胞培養物很難恰當地反映出細胞在體內的生物學形狀或特征，進而可能造成細胞結構和組織功能的缺失。
三維（3D）細胞培養技術能夠更好地模擬生物體內細胞存活的自然環境，其自然條件可保持細胞間相互作用和更逼真的生化和生理反應。在3D環境中，細胞對內源性和外源性刺激（如溫度、pH、營養吸收、轉運和分化等方面的改變）應答更接近于它們在體內的反應。再生醫學的力量為理解發育、老化和組織年輕化等許多有趣的細胞進程提供了方法，了解生物學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，這使得3D細胞培養成為定不可少的研究工具。
目前已有研究表明3D細胞培養具有改變增殖和形態、更能揭示真實的藥物反應、捕獲表型異質性、正確反應基因表達和細胞行為、模擬腫瘤微環境等特征。
3D培養的特點
1. 細胞吸附和伸展的程度
2D培養中，細胞只在接觸面單側吸附，許多細胞逐步扁平化，有的分裂異常，有的喪失分化表型；3D培養中，細胞的整個表面都可吸附，建立起類似體內的的細胞-基質與細胞-細胞間相互作用。
2. 細胞的極性
極性對組織的結構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胞3D模型的有用工具。
3. 基因表達和mRNA剪切
黑色素瘤細胞3D培養基因上調的模式和在體內的腫瘤中一致；而2D培養時會展現出與上面不同的*基因表達模式。細胞培養方式還會影響到整合素mRNA的表達和蛋白的生物合成。
3D培養的類型 3D細胞培養的主要方法有：依賴支架的固體支架技術、水凝膠技術，以及不依賴支架的低粘附力培養皿/板、懸滴板、旋轉生物發生器、磁性3D生物打印。
3D細胞培養應用最多的是低粘附力培養皿/板。低粘附力培養皿/板的表面覆蓋一層帶負電荷的親水性聚合物，加入細胞后通過細胞間的互動可自然形成立體球狀。形成的細胞球內具有氧氣、營養物質、代謝廢物的濃度梯度，能夠模擬固態組織的多個特性，是研究實體瘤發生和干細胞分化重要的3D生理模型。
低粘附平面
另一類是運用水凝膠。水凝膠是水膨脹性的高分子網絡，被設計用來模擬復雜的細胞外微環境。水凝膠由水、ECM蛋白和生長因子組成。用于三維細胞培養的第一代水凝膠是從小鼠肉瘤細胞基底膜提取的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環境，為每個細胞和應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細胞培養支架。支架可提供一種物理支撐，細胞可以進入支架生長和行使功能。孔隙分布、暴露平面區域和孔隙度具有關鍵作用，其數量和分布會影響細胞滲透入支架的效率，而依據不同的制作工藝，支架具有不同的結構、隨機或定制的孔隙分布。
支架可以通過包被或功能化以產生不同的特性和影響細胞的生長和行為，且有些“支架"技術還和“水凝膠"技術有著密切的關系。
細胞支架
不同3D細胞培養技術都各有優勢和不足，因此在選擇合適的3D細胞培養系統時需要考慮多方面因素，比如要解決的問題或研究目的、實驗模型、細胞類型、技術可實現性、下游分析方法和樣品數量等。
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