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

3D細胞培養(yǎng)可以被描述為微組裝設(shè)備中的活細胞培養(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三維細胞培養(yǎng)方法

SEM 2D細胞培養(yǎng)圖像

過去幾十年傳統(tǒng)上使用2D細胞培養(yǎng)物不僅在體外研究不同的細胞類型，而且進行藥物篩選和測試。典型地，這種單層系統(tǒng)允許細胞在聚酯或玻璃平坦表面上生長, 呈現(xiàn)供給正在生長的細胞群體的培養(yǎng)基。然而，由于其簡單性，這種模型不能準確描繪和模擬在體內(nèi)觀察到的豐富的環(huán)境和復(fù)雜的過程，如細胞信號傳導(dǎo)，化學或幾何。所以，采用二維細胞培養(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)用中無法預(yù)測。這就是為什么科學家最近一直在研究三維仿生細胞培養(yǎng)的原因，這種技術(shù)更精確地代表細胞能在體內(nèi)繁殖的實際微環(huán)境。

由3D細胞培養(yǎng)產(chǎn)生的新生視網(wǎng)膜

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

3D細胞培養(yǎng)也賦予兩種不同細胞群同時生長的可能性，這種細胞群能夠準確地再現(xiàn)組織內(nèi)觀察到的細胞功能，這不同于基于二維細胞培養(yǎng)的共培養(yǎng)。目標細胞與其他細胞之間存在的相互作用顯然是細胞功能的關(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)細胞（器官結(jié)締細胞組織）的原因。最后，使用3D細胞培養(yǎng)可以更容易地控制和監(jiān)測生長細胞微環(huán)境參數(shù) （溫度，化學梯度，氧氣速率，pH等）在一定程度上保持盡可能接近現(xiàn)實，這要歸功于微觀工程（微流控技術(shù)）。

必須記住，三維細胞培養(yǎng)是一項相對較新的技術(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。首先，一些支架基質(zhì)摻入了可能干擾細胞培養(yǎng)的來自動物或其他不需要的來源（病毒，可溶性因子）的化合物。其他一些基質(zhì)提供良好的細胞粘附，使細胞清除更加困難。除此之外，雖然3D細胞培養(yǎng)可能是一種節(jié)省成本的技術(shù)，可能會跳過藥物試驗中的動物藥物測試步驟，但開發(fā)自動化和可重復(fù)的應(yīng)用仍然是一個非常昂貴和細致的過程。

與2D單層細胞培養(yǎng)不同，3D細胞培養(yǎng)是模擬體內(nèi)細胞行為和組織（形態(tài)學和生理學）的更令人滿意的模型。裝配多層3D細胞結(jié)構(gòu)只能通過使用支架來實現(xiàn)，所述支架是微觀組織的細胞支持物，其極大地影響細胞分化和增殖。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細胞培養(yǎng)所進行的應(yīng)用開發(fā)可能是昂貴的。

2. 3D細胞培養(yǎng)應(yīng)用

用于組織工程的3D細胞培養(yǎng)

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

事實上，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，價格可能相當昂貴，并且在某些國家對這種應(yīng)用的監(jiān)管尚未明確。

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

微流體3D細胞培養(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，通過使用促進組織操縱和研究的生物相容性微流控芯片來創(chuàng)建長期和受控的3D細胞培養(yǎng)模型。那些芯片上的器官是仿生系統(tǒng)， 通過模仿器官的微觀結(jié)構(gòu)，動態(tài)力學性質(zhì)和生化功能來復(fù)制活體器官的關(guān)鍵功能。器官芯片通過改進現(xiàn)有方法并帶來新的可能性改變了3D細胞培養(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)的三維細胞培養(yǎng)不同，這些結(jié)構(gòu)實際上可以重建體內(nèi)觀察到的功能。例如，人類呼吸肺上片是肺泡 - 毛細血管的模型。它集成了一個柔軟的聚合物膜，可以像活人肺中一樣運動。

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

器官芯片也可以促進創(chuàng)建一個區(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型之間的通信，或當成為侵入性癌癥時乳腺癌細胞的行為。

這項新技術(shù)非常適合挑剔和復(fù)雜的三維細胞培養(yǎng)要求。事實上，它有助于仿真組織界面，模擬器官功能，同時徹底監(jiān)測和調(diào)節(jié)微環(huán)境（化學信號，流體流動，機械現(xiàn)象）。承載三維細胞培養(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。

通過使用微流控芯片，微通道內(nèi)的受控細胞生長受到具有足夠機械，化學和表面特性的合適支撐。由于節(jié)省時間的仿生模型，藥物開發(fā)研究很容易進行，以研究器官尺度或系統(tǒng)尺度（多個器官 - 芯片）上的人類生理反應(yīng)。

使用3D細胞培養(yǎng)進行藥物測試

通常使用動物模型進行藥物發(fā)現(xiàn)研究超過30年]。起初，這種做法在制藥行業(yè)是一項可管理的日常任務(wù)。然而，隨著時間的推移，藥物分子越多，高通量藥物篩選就越昂貴，進行這些試驗所需的時間也就越長。伴隨著這種現(xiàn)象，引發(fā)了關(guān)于動物藥物測試的道德爭議，甚至沒有很好地將其轉(zhuǎn)化為人類應(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題，提供的藥物反應(yīng)非常類似于2D或動物細胞培養(yǎng)中體內(nèi)發(fā)生的情況。

因此，3D細胞培養(yǎng)也可以被描述為藥物篩選的一種節(jié)約成本/節(jié)省時間的培養(yǎng)技術(shù)，因為它能在降低藥物試驗時間的同時使其更精確或有針對性。例如，使用微工程應(yīng)用（器官芯片），癌癥治療正在變得越來越好，通過更精確地針對特定的細胞類型，確定的生物機制，精確的受體等來提高益處 - 風險平衡。不幸的是，仍然有太多的藥物測試由于無進展生存而繼續(xù)失敗。事實上，雖然更接近于體內(nèi) ，三維細胞培養(yǎng)產(chǎn)生的組織和真正的自然組織之間仍然存在差距。

細胞在三維環(huán)境中自然生長，成熟和分化。使用3D培養(yǎng)是體外復(fù)制這一過程的準確方法。這就是為什么科學家們一直在研究多種細胞類型的原因，包括干細胞，自體細胞，同種異體細胞，異種細胞，祖細胞和多潛能細胞。與2D單層細胞培養(yǎng)不同，3D細胞培養(yǎng)模型幾乎可以完美模擬體內(nèi)細胞的行為和組織（形態(tài)學和生理學）。通過使用支架或無支架方法可以組裝多層3D細胞結(jié)構(gòu)。 無論是否使用支架，由于細胞連接和可溶性因素，通過直接和間接的相互作用，構(gòu)成球狀體的所得細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)用如組織工程來源于3D細胞培養(yǎng)，這也有助于通過微流控器官芯片的藥物測試的改進。 盡管如此，3D細胞培養(yǎng)科學家們?nèi)匀辉噲D克服困難。