体外3D培养方法介绍
- 作者: 基尔比生物科技
- 来源: 公众号“基尔比”
- 日期 : 2024-02-13
动物细胞的培养始于 90 年代初在青蛙凝固的淋巴液中培养来自蝌蚪耳蜗的神经元成纤维细胞，在体外构建类似于体内细胞外基质（ECM）的结构，细胞外底物（支架）为细胞生长提供空间。此后，随着增殖重现性好的细胞培养基和仪器设备的开发，动物细胞可以在体外稳定培养。目前动物细胞培养物已广泛用于生物技术和医学中，用于发现和生产生理活性物质、开发疾病模型、毒性分析和药物开发。
3D细胞培养模型是指在体外人工合成类似于体内的环境，使细胞在各个维度上生长并与周围环境相互作用的细胞培养模型。由于细胞是在类似于人体的环境中通过3D培养实现的，因此它们显示出与人体细胞和器官相似的特征。图1为2014年奥地利格里菲斯大学发表在《生物国际杂志》上的 3D 细胞培养模型。在由ECM组成的 3D 空间中，营养物质、氧气和药物通过浓度梯度扩散和渗透给细胞，以提供生物学上相似的环境。细胞间和/或细胞与ECM间相互作用以及通过细胞分泌物扩散产生的旁分泌信号传导是传统 2D 细胞培养模型不具备的。因此，随着生物技术的进步，3D细胞培养模型有望成为研究人体生理学和疾病优选的高效的生物技术平台。
3D细胞培养技术在弥合传统细胞培养方法和动物模型之间的差距方面很有前景。3D细胞培养模型可分为球状体和类器官模型。球状体和类器官是通过聚集许多细胞形成的 3D结构。根据细胞起源、类型和 3D 中实现的细胞结构和功能，球状体和类器官可以作如下区分：球状体只是将细胞聚集成 3D 结构，但类器官具有自我分化能力，结构和功能与人体器官相似。目前3D 细胞培养模型、类器官和球状体等术语可以通用。
实现 3D 细胞培养模型的方法尚未标准化。3D细胞培养模型可以使用无支架方法和支架方法开发，允许细胞在没有ECM或有ECM空间中培养细胞（图3）。无支架方法根据用于收集细胞的方法分为四种类型包括静态悬浮培养、旋转/旋转室培养、纳米图案孔培养和磁悬浮培养。支架方法可以分为各种类型，具体取决于所使用的人造聚合物，例如固体支架或水凝胶作为ECM。在结构上，它们分为孔、微通道和微柱类型，具体取决于 ECM 的位置。
1. 用户友好性：3D细胞培养模型必须注意更换培养基、维持 ECM以及防止交叉污染。解决这些问题就需要通过开发培养容器和更易于处理的方法来简化实验程序。
2. 分析标准化：在2D细胞培养中，通过MTT测定或测量ATP等间接测量方法可以很好地将细胞的活性测量标准化。在 3D 细胞培养模型中，现有 MTT 或ATP 试剂的扩散和渗透性因每个细胞团而异。目前，通常通过染色来测量细胞团（球体）的大小。然而，这很难表示细胞团中细胞的活性。使用组织透明度（CLARITY）或共聚焦显微镜精确测量细胞团中细胞活性的研究一直在进行中，但该技术尚未实现标准化。如果这些问题得到解决，技术标准化、生物相容性高的3D细胞培养模型有望在精准医疗、新药研发和基础研究领域产生重大影响。
3D细胞培养模型是指在体外人工合成类似于体内的环境，使细胞在各个维度上生长并与周围环境相互作用的细胞培养模型。由于细胞是在类似于人体的环境中通过3D培养实现的，因此它们显示出与人体细胞和器官相似的特征。图1为2014年奥地利格里菲斯大学发表在《生物国际杂志》上的 3D 细胞培养模型。在由ECM组成的 3D 空间中，营养物质、氧气和药物通过浓度梯度扩散和渗透给细胞，以提供生物学上相似的环境。细胞间和/或细胞与ECM间相互作用以及通过细胞分泌物扩散产生的旁分泌信号传导是传统 2D 细胞培养模型不具备的。因此，随着生物技术的进步，3D细胞培养模型有望成为研究人体生理学和疾病优选的高效的生物技术平台。
图1 3D细胞培养模型的特征
3D细胞培养技术在弥合传统细胞培养方法和动物模型之间的差距方面很有前景。3D细胞培养模型可分为球状体和类器官模型。球状体和类器官是通过聚集许多细胞形成的 3D结构。根据细胞起源、类型和 3D 中实现的细胞结构和功能，球状体和类器官可以作如下区分：球状体只是将细胞聚集成 3D 结构，但类器官具有自我分化能力，结构和功能与人体器官相似。目前3D 细胞培养模型、类器官和球状体等术语可以通用。
图2 2D和3D细胞培养模型的比较
在过去100年，将细胞接种在培养皿表面的2D细胞培养模型一直在不断发展，现在已经标准化。2D 细胞培养模型易于实施，并且可以轻松获得市售产品，用户可以方便地进行实验。然而，二维细胞培养模型由于其生物相容性低，不能准确地表示不同生物的反应。为了解决这个问题，开发了3D细胞培养模型。研究结果显示3D细胞培养模型在细胞形状、细胞分化和药物代谢方面比传统的2D细胞培养具有更高的生物相容性。此外，与基于动物模型的实验相比，使用3D细胞培养模型的研究有许多潜在优势。3D 细胞培养模型可以更快、更高效地提供大量信息。与动物模型相比，使用人类来源细胞的3D细胞培养模型可以更准确地模拟人体组织，并且构建研究模型所需的时间和成本更少。实现 3D 细胞培养模型的方法尚未标准化。3D细胞培养模型可以使用无支架方法和支架方法开发，允许细胞在没有ECM或有ECM空间中培养细胞（图3）。无支架方法根据用于收集细胞的方法分为四种类型包括静态悬浮培养、旋转/旋转室培养、纳米图案孔培养和磁悬浮培养。支架方法可以分为各种类型，具体取决于所使用的人造聚合物，例如固体支架或水凝胶作为ECM。在结构上，它们分为孔、微通道和微柱类型，具体取决于 ECM 的位置。
图3 3D细胞培养工具
迄今为止，还没有3D 细胞培养模型的标准化方法。研究人员仍在开发更新的3D细胞培养模型，并且已经进行了许多尝试将其商业化。尽管市场上有许多产品，但3D细胞培养模型成为生命科学研究人员和医护人员的主要消费市场仍然任重道远。使用 3D 细胞培养模型进行研究的阻碍可分为以下两大类：1. 用户友好性：3D细胞培养模型必须注意更换培养基、维持 ECM以及防止交叉污染。解决这些问题就需要通过开发培养容器和更易于处理的方法来简化实验程序。
2. 分析标准化：在2D细胞培养中，通过MTT测定或测量ATP等间接测量方法可以很好地将细胞的活性测量标准化。在 3D 细胞培养模型中，现有 MTT 或ATP 试剂的扩散和渗透性因每个细胞团而异。目前，通常通过染色来测量细胞团（球体）的大小。然而，这很难表示细胞团中细胞的活性。使用组织透明度（CLARITY）或共聚焦显微镜精确测量细胞团中细胞活性的研究一直在进行中，但该技术尚未实现标准化。如果这些问题得到解决，技术标准化、生物相容性高的3D细胞培养模型有望在精准医疗、新药研发和基础研究领域产生重大影响。
基于 3D 细胞培养的高通量筛选（HTS）领域在过去几年中呈指数级增长，特别是针对皮肤、消化系统、呼吸系统、心脏和中枢神经系统等各种器官疾病的3D药效评估和毒性测试。同时也在开发优化的 3D 培养模型来模拟体内组织内环境和疾病病理学的微环境。如果将3D细胞培养方法与生物医学工程相结合，则有望实现基于3D仿生平台的药物发现和精准医学研究。