新手指南：如何开始3D细胞培养

2D细胞培养模型虽然在生物学的多个领域中发挥了重要作用，但培养出的细胞在生理学和细胞反应方面与体内细胞不同。这些不同之处推动了3D细胞培养技术的迅速普及。

如今，人们在三维空间中培养细胞的能力不断提高，为科研人员提供了多种选择。例如，球状体（spheroid）特别适合肿瘤生物学研究和高通量药物筛选分析，而类器官（organoid）具有更高的细胞复杂性，更适合疾病建模和治疗应用。

HUB Organoids公司的首席科学官Sylvia Boj称：“类器官是与患者相关的体外模型，代表了原始组织的遗传、表型和疾病特征。如果你想研究人类疾病或生物功能，可使用患者衍生的类器官进行高通量筛选。”

3D培养系统的选择

3D细胞培养系统主要分为三类：球状体、类器官和生物打印组织。这些系统各有利弊，具体取决于您的研究目标。球状体是比较简单的自组装细胞簇，经济实惠，容易建立，但在大小上可能不太标准化。类器官包含更多的细胞类型，更加接近器官，而生物打印组织可以精准定位细胞类型，用于生物工程。

据ATCC的项目首席科学家Carolina Lucchesi介绍，类器官和生物打印组织可提供更加标准化且可重复的实验模型，因为它们来源于多能干细胞。不过，它们也需要更复杂的培养方案、特殊设备和更高的成本。在选择3D模型系统时，需要综合考虑这些因素。

在考虑3D模型系统时，Boj建议既考虑生物学因素，也考虑技术因素。“当我们想解决简单的机制问题时，可以选择球状体；当我们要解决与疾病或患者相关的问题时，可以选择类器官，”她说。“如果我们需要将不同的细胞类型结合在一起，或者需要其他的物理特征，那么微流控也是一种选择。”

当然，对实验人员来说，越简单越好。康宁生命科学的高级科学家Hilary Sherman认为：“有时解决复杂的问题需要非常复杂的系统，但通常来说一个更简单的模型就足够了，而且可以节省时间和费用。需要在复杂度、成本、通量和性能之间权衡，选择出合适的模型。”

“举个例子，如果我们打算筛选毒性化合物，球状体可能是最简单的测试模型，” Sherman说。“如果我们试图了解胰腺癌患者对某种药物的反应，那么患者衍生的类器官可能更有意义，因为它们更好地再现了患者的多样性。”另一方面，如果涉及到细胞间相互作用，那么生物打印组织可能更合适。

选择方案和试剂

与2D细胞培养一样，使用正确的试剂可以决定培养过程成功与否。高质量的试剂是关键，但具体的类型将取决于您的实验——您可能需要不含动物成分的细胞外基质，或某种特定的培养基。

在尝试3D培养之前，查一下是否有相关的实验方案已发表。“如果有人已经证明了某种东西是有效的，为什么还要重新发明呢？用它就好了！”Boj谈道。“如果你要开发新的东西，测试一下不同的细胞外基质和培养基成分，以确定哪些成分能够更好地代表你希望在体外再现的组织或模型。”

支架或细胞外基质（ECM）为细胞生长和组织工程提供了结构。“大多数实验室使用来自EHS小鼠肉瘤的细胞外基质，因为它经过严格验证，” Lucchesi说，但最终还是要根据细胞和实验目的来选择合适的基质。选择培养基也是如此，需要考虑细胞类型、培养体系、营养物需求、是否存在血清或其他因子，以及监管或临床要求。

选择的支架需要很好地模拟细胞或组织的体内环境。究竟是选择动物来源的ECM材料还是无异源成分的材料，这要取决于你的研究性质和未来方向。

“如果你的研究涉及到临床转化或治疗，那么无异源成分的ECM配方无疑是首选，” Lucchesi谈道。“不过，如果你正在开展基础研究或评估细胞行为，动物来源的ECM也是一种很好的选择。”

分析类器官

目前有多种方法可测定类器官的大小和形态，包括显微镜、图像分析软件、流式细胞术和生化分析。测定类器官至关重要，因为它们的大小与其结构、功能和可用性有关。“如果不同批次的类器官大小不一，就会导致实验结果不一致，从而影响实验的可重复性，”Lucchesi说。

“优化类器官的大小有助于保持细胞活力，确保结果的准确性和可靠性。”类器官大小也会影响传代的时间表。“在类器官常规培养时，传代时的大小很重要，因为如果在太小的时候传代，有些类器官就不能很好地回收，” Sherman谈道。“一些细胞计数器可评估类器官大小，但目前大多数分析都是通过高内涵成像仪或利用成像分析软件来完成的。”

小心操作

3D培养物的生长需要密切监控，因为它们可能比2D培养物更脆弱。Sherman指出，最大的挑战在于，3D培养物的处理方式与2D培养物不同。

“2D培养物附着在生长表面，因此培养基交换很容易进行，”她说。“在3D培养中，如果操作不慎，细胞可能会在培养基交换过程中受到干扰。”3D培养物的分析也需要进一步优化，因为试剂不那么容易渗透到3D组织结构中。

总而言之，在3D培养时需要小心处理，并在开始之前尽可能多地学习。“3D细胞培养物，尤其是来源于患者的类器官，更接近原代细胞培养物，对操作或试剂更加敏感，” Boj说。“因此，我们在操作时要注意所有的细节。”