3D细胞培养工具给细胞“回家”的感觉

越来越多证据证明，3D细胞培养比传统2D细胞培养更接近体内环境。以2D细胞培养为基础的药物或生物学研究可能出现偏差，而3D细胞培养可以为我们提供更真实的信息，降低药物研发的时间和成本。近来3D细胞培养产品如雨后春笋一般涌现出来，那么我们要如何选择最适合自己的3D培养系统呢？下面，本文就来帮您介绍一二。

研究复杂的细胞和组织，及其信号传导与调控可不是件容易事。而模拟细胞或组织环境，建立最接近体内天然条件的实验系统同样困难。这就是3D细胞培养所面临的挑战，3D培养系统旨在更好的模拟细胞的体内生长环境，为其创造更天然的家。近来越来越多的证据表明，3D细胞培养系统比传统2D培养系统更贴近体内的生理条件。也许3D培养系统的最大价值在于，其更接近体内环境的系统能够有效的辅助药物研发。“3D细胞培养的主要优势在于，能够在研究早期的体外实验中模拟细胞在体内的行为，”3D Biomatrix公司的CEO Laura Schrader说。“传统2D细胞培养往往无法了解细胞在组织内的功能和应答反应，结果可能导致以2D细胞培养为基础的药物或生物学研究出现偏颇，并且也难以预测药物在体内的效果。而3D细胞培养可以为研究者们提供药物等更真实的早期信息，从而降低像市场推出新药的研究成本。”

近来3D细胞培养产品如雨后春笋一般涌现出来，这也使越来越多的研究者们得以享受到这一技术带来的好处。那么我们要如何选择最适合自己的3D培养系统呢？这取决于我们的实验需求，举例来说，实验的细胞类型、实验设计、试验规模、是否共培养、分析类型、是否收集细胞用于分析、所需通量及可能的临床使用等等都是决定性的因素。下面，本文就来为您介绍市面上的一些3D培养系统。

无支架系统

支架是供细胞粘附、生长和扩散的结构，不过有些实验需要细胞保持未粘附的状态，例如有些研究需要使溶液中的细胞聚集成为类似于组织的球体spheroids。Schrader介绍道，球体一般用于模拟固态组织、无血管肿瘤和拟胚体EB。“细胞球体能够模拟固有代谢（氧、二氧化碳、营养物质、代谢废物）和增殖梯度，是癌症和干细胞研究的优秀生理模型，”她说。

细胞培养皿

研究细胞球体的挑战在于长期培养、与其他类型的细胞共培养或者与液体工作站结合。而3D Biomatrix公司的Perfecta3D ®悬滴板解决了上述问题，该产品生成的球体大小和形态一致性高，批间差异小。用户还可以通过控制接种密度（50至15,000个细胞）来调节细胞球体的大小。该悬滴板有96孔和384孔两种规格，即可以手动操作也支持自动化液体工作站。“细胞在Perfecta3D ®悬滴板中生长可以自行生成3D细胞外基质，这样的细胞球体与体内组织更为相似，”Schrader说。“该产品也可以实现与其他类型的细胞共培养，如内皮细胞、基质细胞和上皮细胞等。”

InfiniteBio公司也有供细胞球体研究的3D培养系统，SCIVAX 3D Nano Culture® Plate。该产品的孔底部具有纳米印迹nano imprinting技术形成的粘附表面，细胞球体就在该表面上形成。“我们系统的独特性在于，细胞球体在维持三维结构的同时是粘附在培养板上的，其优势在于操作更简便而且细胞的活性也更高，”InfiniteBio公司的总裁Akiko Futamura说。

Microtissues公司和Nano3D Biosciences公司也有无支架的3D培养系统。还记得2010年美国研究者们利用3D培养皿制造人造卵巢么，他们找到的合作公司就是Microtissues公司，该公司能为您提供由琼脂糖制成的3D Petri Dish®系统。而Nano3D Biosciences公司的Bio-Assembler™1采用的方法是磁悬浮，该产品的磁性纳米颗粒能够将细胞磁化，使其能够在磁场中悬浮。

带支架系统

如果您需要有支架的3D培养系统来培养细胞，市面上也有多种产品可供选择。3D Biotek公司为细胞培养和组织工程供应多种3D大分子支架，最近他们发布了新产品3D Nano-mesh 支架。“这种支架结合了微米级与纳米级几何结构，具有双重优势，适于作为复杂间质瘤和上皮瘤的模型，” 3D Biotek公司的研发经理Carlos Caicedo-Carvajal说。支架内均一的孔为营养物质和废物提供了绝佳的交换场，能够适应不同类型细胞的培养需求，”他补充道。“例如，有些细胞喜欢紧紧挨在一起，而骨细胞却需要更大的孔（约400至500um）以便形成血管。”该系统的一个重要特性就是它的可调节性，能够更好的在体外模型中模拟体内条件。

Life Tech和Reinnervate公司也提供支架产品，Life Tech公司的AlgiMatrix® 3D培养系统是一种使用方便，非动物源性的生物支架，采用褐藻原料制备而成，化学成分确定且无毒，批次间一致性好。此外，Reinnervate公司的聚苯乙烯Alvetex®支架也能帮您进行3D细胞培养。

凝胶和细胞外基质

含有细胞生长基质的凝胶在结构上与体内细胞外基质很相似。“3D培养技术的快速发展表现在，从使用组织来源的3D培养物质到利用化学合成的水凝胶，”B-Bridge公司的产品经理Lara Cardy说。B-Bridge 代理Cellendes的3D Life仿生水凝胶，该产品的组成非常灵活，可以帮助用户更好的设计细胞环境。不同组合的合成大分子和crosslinker，可以构成不同的3D细胞培养环境。 “crosslinker的选择决定了细胞是否能够降解局部水凝胶来为自己创造移动空间，”Cardy补充道。“而添加RGD多肽可以为细胞提供可粘附的细胞外环境，这也是绝大多数细胞扩散和迁移的先决条件。这也使得3D Life仿生水凝胶不仅适于研究上皮囊和细胞球体等功能性细胞团块，也同样是研究细胞扩散和迁移的理想产品。该产品中的大分子是可降解的，可以轻松收获其中的细胞，该过程无需蛋白酶也不会对细胞产品任何危害。此外，3D Life水凝胶也可以支持自动化工作平台。”

在设计3D细胞培养环境时，研究者们需要先确定他们最感兴趣的研究方向，这很重要，Cardy说。这即是说在选择3D细胞培养系统前，我们首先要明确主攻方向，是细胞间的相互作用，还是细胞与环境之间的互作，抑或是细胞的运动等等，做到胸有成竹。“我认为这是在选择3D培养平台之初最重要的基本问题，尤其是在用户初次选择最适于实验的3D水凝胶大分子和crosslinker时。”

许多3D细胞培养产品都是先确定好培养环境再引入细胞的。TAP Biosystems公司的RAFT（Real Architecture for 3D Tissue）系统则不同。该系统能够在胶原与细胞结合后除去液体，使胶原浓缩在细胞周围，从而将细胞封装在胶原中。“胶原是体内细胞外的主要基质蛋白，胶原环境对于细胞行为研究非常重要，”TAP Biosystems公司的RAFT研发主管Grant Cameron介绍道。“胶原并不是细胞过程的简单旁观者，细胞具有胶原受体并且会与胶原相互作用，尤其是在细胞侵袭和迁移的过程中。”以RAFT为基础的角膜治疗即将在英国进入人体试验阶段。此外，Amsbio公司、BD公司和Sigma-Aldrich公司都能为您提供各种凝胶产品和细胞外基质。

生物反应器

生物反应器是含有细胞、培养基和支架（也可不含支架）的反应容器。3D Biotek公司的3D Perfusion生物反应器可与该公司的多孔3D大分子支架结合使用。 “它具有一个生物反应室，其中含有3D大分子支架，该生物反应器的培养基从底部到顶部循环流动，模拟体内环境，”Caicedo-Carvajal介绍道。

Synthecon公司的旋转三维细胞培养系统RCCS生物反应器同样既可以结合支架使用，也可以不使用支架。圆柱形的RCCS充满了培养基并且沿着水平轴旋转。“该系统通过容器上整合的硅胶模膜进行气体交换，”Synthecon公司的首席科学家Stephen Navran说。“进入这一系统的细胞很快能够聚集成为3D细胞球体。当然也可以加入多种支架物质使细胞得以粘附。该系统的独特之处在于，在RCCS中维持悬浮3D结构所需的机械力非常小，能够将细胞损伤降到最低。此外，旋转的动态培养比依赖于扩散作用的静态培养系统更具优势，能够是细胞更充分的接触到营养物质和氧气。”据Navran介绍，由于缺乏血液供给，所有3D培养系统都存在一定的局限性。“这通常意味着3D细胞结构的中心部分缺乏氧气和营养，并最终会导致细胞坏死。虽然RCCS这样的动态培养系统还不能彻底避免该问题，但它已经大大改善了这一情况。”

3D细胞培养的未来

目前已有相当多的实验证据证实，尽管3D细胞培养与体内环境并不是完全相同的，但它显然比传统2D细胞培养更接近体内的条件。在3D培养体系中进一步分析以往2D细胞实验所得的结果，将成为未来的研究热点。“我们过去的2D细胞实验得到了许多宝贵的成果，而现在到了进一步深化这些研究的时候了，”Schrader说。“将2D体外实验推进到3D细胞体系的层面，将大大加快将新药推向市场的速度，降低药物研发的成本。”

（Caitlin Smith撰写/叶予编译）