研究復雜的細胞和組織，及其信號傳導與調控可不是件容易事。而模擬細胞或組織環(huán)境，建立最接近體內天然條件的實驗系統(tǒng)同樣困難。這就是3D細胞培養(yǎng)所面臨的挑戰(zhàn)，3D培養(yǎng)系統(tǒng)旨在更好的模擬細胞的體內生長環(huán)境，為其創(chuàng)造更天然的家。近來越來越多的證據表明，3D細胞培養(yǎng)系統(tǒng)比傳統(tǒng)2D培養(yǎng)系統(tǒng)更貼近體內的生理條件。也許3D培養(yǎng)系統(tǒng)的最大價值在于，其更接近體內環(huán)境的系統(tǒng)能夠有效的輔助藥物研發(fā)。“3D細胞培養(yǎng)的主要優(yōu)勢在于，能夠在研究早期的體外實驗中模擬細胞在體內的行為，”3D Biomatrix公司的CEO Laura Schrader說。“傳統(tǒng)2D細胞培養(yǎng)往往無法了解細胞在組織內的功能和應答反應，結果可能導致以2D細胞培養(yǎng)為基礎的藥物或生物學研究出現(xiàn)偏頗，并且也難以預測藥物在體內的效果。而3D細胞培養(yǎng)可以為研究者們提供藥物等更真實的早期信息，從而降低像市場推出新藥的研究成本。”

近來3D細胞培養(yǎng)產品如雨后春筍一般涌現(xiàn)出來，這也使越來越多的研究者們得以享受到這一技術帶來的好處。那么我們要如何選擇最適合自己的3D培養(yǎng)系統(tǒng)呢？這取決于我們的實驗需求，舉例來說，實驗的細胞類型、實驗設計、試驗規(guī)模、是否共培養(yǎng)、分析類型、是否收集細胞用于分析、所需通量及可能的臨床使用等等都是決定性的因素。下面，本文就來為您介紹市面上的一些3D培養(yǎng)系統(tǒng)。

無支架系統(tǒng)

支架是供細胞粘附、生長和擴散的結構，不過有些實驗需要細胞保持未粘附的狀態(tài)，例如有些研究需要使溶液中的細胞聚集成為類似于組織的球體spheroids。Schrader介紹道，球體一般用于模擬固態(tài)組織、無血管腫瘤和擬胚體EB。“細胞球體能夠模擬固有代謝（氧、二氧化碳、營養(yǎng)物質、代謝廢物）和增殖梯度，是癌癥和干細胞研究的優(yōu)秀生理模型，”她說。

細胞培養(yǎng)皿

研究細胞球體的挑戰(zhàn)在于長期培養(yǎng)、與其他類型的細胞共培養(yǎng)或者與液體工作站結合。而3D Biomatrix公司的Perfecta3D ®懸滴板解決了上述問題，該產品生成的球體大小和形態(tài)一致性高，批間差異小。用戶還可以通過控制接種密度（50至15,000個細胞）來調節(jié)細胞球體的大小。該懸滴板有96孔和384孔兩種規(guī)格，即可以手動操作也支持自動化液體工作站。“細胞在Perfecta3D ®懸滴板中生長可以自行生成3D細胞外基質，這樣的細胞球體與體內組織更為相似，”Schrader說。“該產品也可以實現(xiàn)與其他類型的細胞共培養(yǎng)，如內皮細胞、基質細胞和上皮細胞等。”

InfiniteBio公司也有供細胞球體研究的3D培養(yǎng)系統(tǒng)，SCIVAX 3D Nano Culture® Plate。該產品的孔底部具有納米印跡nano imprinting技術形成的粘附表面，細胞球體就在該表面上形成。“我們系統(tǒng)的獨特性在于，細胞球體在維持三維結構的同時是粘附在培養(yǎng)板上的，其優(yōu)勢在于操作更簡便而且細胞的活性也更高，”InfiniteBio公司的總裁Akiko Futamura說。

Microtissues公司和Nano3D Biosciences公司也有無支架的3D培養(yǎng)系統(tǒng)。還記得2010年美國研究者們利用3D培養(yǎng)皿制造人造卵巢么，他們找到的合作公司就是Microtissues公司，該公司能為您提供由瓊脂糖制成的3D Petri Dish®系統(tǒng)。而Nano3D Biosciences公司的Bio-Assembler™1采用的方法是磁懸浮，該產品的磁性納米顆粒能夠將細胞磁化，使其能夠在磁場中懸浮。

帶支架系統(tǒng)

如果您需要有支架的3D培養(yǎng)系統(tǒng)來培養(yǎng)細胞，市面上也有多種產品可供選擇。3D Biotek公司為細胞培養(yǎng)和組織工程供應多種3D大分子支架，最近他們發(fā)布了新產品3D Nano-mesh 支架。“這種支架結合了微米級與納米級幾何結構，具有雙重優(yōu)勢，適于作為復雜間質瘤和上皮瘤的模型，” 3D Biotek公司的研發(fā)經理Carlos Caicedo-Carvajal說。支架內均一的孔為營養(yǎng)物質和廢物提供了絕佳的交換場，能夠適應不同類型細胞的培養(yǎng)需求，”他補充道。“例如，有些細胞喜歡緊緊挨在一起，而骨細胞卻需要更大的孔（約400至500um）以便形成血管。”該系統(tǒng)的一個重要特性就是它的可調節(jié)性，能夠更好的在體外模型中模擬體內條件。

Life Tech和Reinnervate公司也提供支架產品，Life Tech公司的AlgiMatrix® 3D培養(yǎng)系統(tǒng)是一種使用方便，非動物源性的生物支架，采用褐藻原料制備而成，化學成分確定且無毒，批次間一致性好。此外，Reinnervate公司的聚苯乙烯Alvetex®支架也能幫您進行3D細胞培養(yǎng)。

凝膠和細胞外基質

含有細胞生長基質的凝膠在結構上與體內細胞外基質很相似。“3D培養(yǎng)技術的快速發(fā)展表現(xiàn)在，從使用組織來源的3D培養(yǎng)物質到利用化學合成的水凝膠，”B-Bridge公司的產品經理Lara Cardy說。B-Bridge 代理Cellendes的3D Life仿生水凝膠，該產品的組成非常靈活，可以幫助用戶更好的設計細胞環(huán)境。不同組合的合成大分子和crosslinker，可以構成不同的3D細胞培養(yǎng)環(huán)境。 “crosslinker的選擇決定了細胞是否能夠降解局部水凝膠來為自己創(chuàng)造移動空間，”Cardy補充道。“而添加RGD多肽可以為細胞提供可粘附的細胞外環(huán)境，這也是絕大多數(shù)細胞擴散和遷移的先決條件。這也使得3D Life仿生水凝膠不僅適于研究上皮囊和細胞球體等功能性細胞團塊，也同樣是研究細胞擴散和遷移的理想產品。該產品中的大分子是可降解的，可以輕松收獲其中的細胞，該過程無需蛋白酶也不會對細胞產品任何危害。此外，3D Life水凝膠也可以支持自動化工作平臺。”

在設計3D細胞培養(yǎng)環(huán)境時，研究者們需要先確定他們最感興趣的研究方向，這很重要，Cardy說。這即是說在選擇3D細胞培養(yǎng)系統(tǒng)前，我們首先要明確主攻方向，是細胞間的相互作用，還是細胞與環(huán)境之間的互作，抑或是細胞的運動等等，做到胸有成竹。“我認為這是在選擇3D培養(yǎng)平臺之初最重要的基本問題，尤其是在用戶初次選擇最適于實驗的3D水凝膠大分子和crosslinker時。”

許多3D細胞培養(yǎng)產品都是先確定好培養(yǎng)環(huán)境再引入細胞的。TAP Biosystems公司的RAFT（Real Architecture for 3D Tissue）系統(tǒng)則不同。該系統(tǒng)能夠在膠原與細胞結合后除去液體，使膠原濃縮在細胞周圍，從而將細胞封裝在膠原中。“膠原是體內細胞外的主要基質蛋白，膠原環(huán)境對于細胞行為研究非常重要，”TAP Biosystems公司的RAFT研發(fā)主管Grant Cameron介紹道。“膠原并不是細胞過程的簡單旁觀者，細胞具有膠原受體并且會與膠原相互作用，尤其是在細胞侵襲和遷移的過程中。”以RAFT為基礎的角膜治療即將在英國進入人體試驗階段。此外，Amsbio公司、BD公司和Sigma-Aldrich公司都能為您提供各種凝膠產品和細胞外基質。

生物反應器

生物反應器是含有細胞、培養(yǎng)基和支架（也可不含支架）的反應容器。3D Biotek公司的3D Perfusion生物反應器可與該公司的多孔3D大分子支架結合使用。 “它具有一個生物反應室，其中含有3D大分子支架，該生物反應器的培養(yǎng)基從底部到頂部循環(huán)流動，模擬體內環(huán)境，”Caicedo-Carvajal介紹道。

Synthecon公司的旋轉三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)RCCS生物反應器同樣既可以結合支架使用，也可以不使用支架。圓柱形的RCCS充滿了培養(yǎng)基并且沿著水平軸旋轉。“該系統(tǒng)通過容器上整合的硅膠模膜進行氣體交換，”Synthecon公司的首席科學家Stephen Navran說。“進入這一系統(tǒng)的細胞很快能夠聚集成為3D細胞球體。當然也可以加入多種支架物質使細胞得以粘附。該系統(tǒng)的獨特之處在于，在RCCS中維持懸浮3D結構所需的機械力非常小，能夠將細胞損傷降到最低。此外，旋轉的動態(tài)培養(yǎng)比依賴于擴散作用的靜態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)更具優(yōu)勢，能夠是細胞更充分的接觸到營養(yǎng)物質和氧氣。”據Navran介紹，由于缺乏血液供給，所有3D培養(yǎng)系統(tǒng)都存在一定的局限性。“這通常意味著3D細胞結構的中心部分缺乏氧氣和營養(yǎng)，并最終會導致細胞壞死。雖然RCCS這樣的動態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)還不能徹底避免該問題，但它已經大大改善了這一情況。”

3D

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