引言

在細胞和組織培養領域，從上世紀70年代起2維（2D）培養的局限性和3維（3D）培養的優點引來諸多關注，越來越多的研究希望將細胞從平面環境中轉變到3D空間來。當前，雖然對基于細胞的效應研究和毒性測試中，制藥工業如今zui常用的依舊是2D方式，3D培養技術已在學術研究中被廣泛應用。隨著在生物相關性，通量，產出量等方面的改進，伴隨3D培養成本的降低，3D培養在再生醫學，基礎研究和藥物研發中的應用將越來越廣泛，一場細胞由2D培養走向3D的變革正在發生。

2D細胞培養的局限性與3D培養的優勢

細胞增殖，分化和代謝等生理活動都嚴重受到微環境的影響。當前細胞生物學研究大多還是在二維平面培養進行，這種平面培養、生長方式與機體內立體環境差別很大，導致細胞形態、分化、細胞與基質間的相互作用以及細胞與細胞間的相互作用與體內生理條件下細胞的行為存在明顯差異。2D和3D環境下培養的細胞相比較，諸多生理指標都顯著不同，例如原代小鼠乳腺管腔上皮細胞(mammary luminal epithelial cells, MEC)在3D基底膜基質中增殖的時間明顯長于2D培養環境；更有甚者，有時藥物作用于2D培養的細胞呈現的效應與3D細胞相反。3D培養可以設計模擬體內的生理環境，讓細胞在生理行為上與機體實際的生理環境更接近。正因為此，很多藥物研發企業和護膚品生產企業更傾向于使用3D培養細胞（或組織類似物）來開展實驗、研究：3D培養讓藥物研發企業相當程度上擺脫了倫理3R對動物實驗的約束，縮短了研發周期，提高了結果可信度，研發少走了彎路，從而節省了成本，提高了企業的競爭力。可以預見，未來在高通量，自動化，低成本，廣應用性和高預測性等方面3D培養將逐步突破并日趨成熟、完善，2D培養向3D的轉變成為必然的發展趨勢和時代潮流。

3D細胞培養的主要類型

當前市場上有多種類型的3D培養系統，根據產品是否為細胞提供支撐（支架）材料（scaffold）大體可分為兩種類型：基于scaffold的培養體系和無scaffold的培養體系。Scaffold則又有天然成分和人工合成成分之分。

一、無scaffold的培養體系

沒有供細胞粘附、生長和擴散的支撐結構，使培養基中的細胞聚集成為類似于組織的微組織球體（microtissue spheroids）。無scaffold的培養體系可通過懸滴（hanging drops）讓細胞在重力的作用下通過自組裝形成微球體。這種方法的優點是可以通過控制懸滴而的控制微組織球，使其具有高一致性，為后續研究提供好的微組織材料。而且通過懸滴法可以實現對不同細胞類型的共培養，保證共培養細胞間的信息交流。

無scaffold的培養懸滴培養體系的代表性廠家為InSphero，他們的96孔板設計可以通過手動操作，也支持自動化上樣裝置輕松實現微組織培養，在腫瘤研究和新型抗癌藥物篩選等領域中被廣泛選用。

下面對InSphero的懸滴培養技術做一簡要介紹：

InSphero技術生產的GravityPLUS™板使懸滴細胞培養變得異常簡單。只需用液體處理裝置(liquid handling device)—手動吸管或自動化96孔上樣機器手，在上端添加50μL細胞懸液即可。長時間培養或是分化研究時，可以移走多達70%的舊培基，然后在上端加入新培基。微組織形成后就可以使用一次簡單的培基添加步驟將微組織收入GravityTRAP™板中。GravityTRAP™板專有的非粘附包被技術可使微組織在無依附、不解聚情況下培養數星期。另外，其*的設計能保證在不擾動微組織情況下實現培基更換、并可直接通過培養孔板下方實現成像分析（例如高內涵分析, high-content analysis）。

更多關于InSphero產品的介紹請參考如下鏈接：

http://m.woods.net.cn/qxky001-Products-18502066/

http://blog.sina.com.cn/s/blog_7038ff370101m2vs.html

http://blog.sina.com.cn/s/blog_7038ff370101m2vv.html

其它無scaffold產品還有：3D Biomatrix公司的Perfecta3D懸滴板通過懸滴技術實現微組織培養。Nano3D Biosciences公司的Bio-Assembler采用磁懸浮技術，通過將細胞磁化，使其在磁場中懸浮實現3D培養。InfiniteBio公司SCIVAX 3D產品，其NanoCulture Plate (NCP)為合成聚合物(synthetic polymer)材料，具有超低粘附力的微板結構表面，細胞在此微結構上遷徙、相互粘附形成微球體。BioLevitator應用磁性微球載體，整合3D和微載體培養技術實現高密度3D細胞培養；microtissues的3D petri Dish通過瓊脂界面進行3D培養等。

二、基于scaffold的培養體系

1. 根據支持物的性質分類，基于scaffold的培養體系可分為天然細胞外基質（Extracellular matrix，ECM）作為支持材料的3D培養和人造基質作為支持材料的3D培養。

（1）天然ECM作為支持材料的3D培養

這種方法以天然ECM作為支持材料，根據培養細胞類型，優化3D培養基質配方，以滿足不同組織細胞的培養需求。很多公司都可提供細胞外基質產品用于3D培養，例如TAP Biosystems（已被Sartorius Stedim Biotech收購）的RAFT膠原系統，Matrigel模擬基底膜基質產品；Advanced BioMatrix，Amsbio和Sigma-Aldrich公司也都有細胞外基質凝膠產品。但天然基質材料存在一定病原風險，且材料可能存在批次差別性等缺點。

（2）人造基質作為支持材料的3D培養方法

合成的人造基質材料類型相當多，例如Cellendes的3D Life仿生水凝膠材料；3D Biotek公司有多種3D大分子支架材料；Reinnervate公司Alvetex產品用的是聚苯乙烯(polystyrene scaffold)；Life Tech公司的AlgiMatrix 3D培養系統采用褐藻原料；Synthecon和Xanofi的納米纖維技術平臺XanoMatrix采用合成納米生物基質和培養材料；PuraMatrix采用合成肽水凝膠；其它合成材料產品還包括Lena Biosciences的SeedEZ等。

Cellendes的3D Life仿生水凝膠材料可以說是合成的人造基質材料的代表。Cellendes的3D Life仿生水凝膠通過合成大分子材料和交聯劑(crosslinker)方式和比例的靈活組合，構建不同的3D細胞培養環境。這種高化學和機械柔性（flexibility）的合成系統賦予了該材料較動物源性支持材料更多的優勢。諸多優點使3D Life仿生水凝膠不但是普通3D培養的上佳選項，也使其成為細胞擴散和遷移研究的理想產品。

下文對Cellendes的3D Life Biomimetic Hydrogel System做一簡單介紹：

3D life仿生水凝膠系統與活體細胞外基質類似，可使體外細胞培養更接近體內的生理特征，是基礎研究、藥物篩選和再生醫學等領域的理想選擇。這類產品的優點主要體現在如下三個方面：A)產品組合靈活。B)操作簡單，控制自如。C)應用范圍廣泛：可用于細胞培養、標記和顯微觀察等諸多方面；細胞可在凝膠內也可在凝膠表面培養；可活細胞直接觀察也可選擇原位固定后觀察；支持GFP等多種報告基因標記后觀察方式；可選擇不同類型細胞共培養，更好模擬體內生理狀態。

3D life主要有兩種水凝膠：PEG-Link交聯形成的水凝膠和CD-Link交聯形成的水凝膠：

細胞在PEG-Link交聯形成的水凝膠中培養

細胞可以通過單細胞或是細胞團的形式埋在PEG-Link為交聯劑的水凝膠中，根據細胞類型不同，形成上皮樣囊結構，微球體或是克隆。可以根據需要考慮為生成特定的表型而添加相應的細胞粘附因子。細胞不能在這種水凝膠中遷移擴散。

細胞在CD-Link交聯形成的水凝膠中培養

細胞可以通過單細胞或是細胞團的形式埋在CD-Link為交聯劑的水凝膠中，培養的細胞如產生相應的細胞外基質金屬蛋白酶則能將臨近的基質交聯劑切割。在添加相應粘附因子基序下，細胞誘導細胞擴散和遷移。

3D life水凝膠中細胞的固定與標記

使用小分子物質，例如熒光標記phalloidin，核酸染料，活性和毒性檢測試劑，增值檢測試劑等小分子物質進行細胞標記方法，除了在孵育時間上適度延長以便能在水凝膠中充分擴散外，與傳統的2D細胞培養方式相同。所培養的細胞如果經基因修飾還有熒光蛋白，則可直接用于觀測，因凝膠*透明不影響觀測結果。如果使用抗體等大分子對細胞進行標記則不能直接在水凝膠中開展，因水凝膠的孔徑原因，不適合直接抗體標記，需要使用dextranase將細胞從水凝膠中釋放出來，如果擔心細胞在操作過程中細胞生理活動波動，則可經在凝膠中將細胞固定后在進行操作。

更多關于Cellendes產品的介紹可參考如下鏈接：

http://m.woods.net.cn/qxky001-Products-18500597/

http://blog.sina.com.cn/s/blog_7038ff370102v7kc.html

2. 如果按支持材料形成的方式分，基于scaffold的培養體系可分為如下兩類，一種是將細胞分散在液體水凝膠中，然后通過交聯實現3D培養，這類產品代表生產商包括Cellendes, Matrigel, Glycosan Biosystems和QGel等；另外一種是將細胞“播種"在3D基質上，這類方法的代表廠商包括3D Biotek, Alvetex和AlgiMatrix等。*種方式中的Cellendes產品上面已經做了簡要介紹；下面將細胞“播種"在3D基質方法的代表產品3D Biotek給予簡要介紹：

3D Biotek得益于其精妙的3D微細加工技術和先進的生物制造工藝，產品在干細胞/組織工程、藥物研發和細胞生物應用等涉及3D培養的領域處于地位。

根據用戶的不同需求，3D Biotek提供系列的產品和裝置，包括多種3D細胞培養的支架材料：例如可生物降解的聚已內酯3D Insert PCL，這種材料已經被美國標準和技術協會(NIST)認定為標準的3D組織培養支架材料；聚苯乙烯3D Insert PS材料。

3D Biotek開發有*的可直接用于如細胞凋亡和熒光ELISA等熒光和化學發光實驗的新材料培養板。

3D Biotek還提供可降解生物材料Poly(DL-lactide-co-glycolide) (PDLLGA)。

3D Biotek有用于3D腫瘤細胞或干細胞培養(或共培養)的仿生基底膜：3D Insert-PS/PCL (聚苯乙烯/聚已內酯)納米篩網。

將質粒轉染入3D培養的細胞的3D轉染試劑盒(BioCellChallenge, SAS)。

多種3D Biotek技術制造多孔聚合物支架材料填充的3D生物發生器（3D Bioreactor），即包括可生物降解聚合物(polystyrene, PS)也包括不能生物降解聚合物(polycaprolactone, PCL)類型。

各種預填充了孔狀3D Insert™支架材料的塑料裝置，如3D Insert™ PS (聚苯乙烯)支架，3D Insert™ PCL (聚已內酯)支架，3DKUBE™等。

用于骨組織工程中常用的可*吸收的生物陶瓷材料B-TCP盤(Disc)，用于骨質疏松癥，骨基質礦化，組織鈣化和骨修復等各種骨相關研究的HA盤(Disc)等。

選用3D Biotek產品能獲得高的細胞培養效率；增加細胞因子、抗體和其它生物分子的產出量，且生成的細胞因子、抗體等易于分離；減少動物實驗，體外研究即可獲高預測性資料，在開發新藥中降低成本和時間，縮短進入市場的時間等優點。

更多關于3D Biotek產品的介紹可參考如下鏈接：

http://m.woods.net.cn/qxky001-SonList-1090610/

http://blog.sina.com.cn/s/blog_7038ff370102v7lp.html

三、微流體技術與3D培養

當前很多研究致力于將微工程學和微流體學與3D培養結合，開發灌流3D培養系統（perfused 3D culture systems）。動態灌流培養比靜態培養系統更具優勢，細胞能充分接觸到營養物質和氧氣。這類產品包括Provitro GmbH的灌流培養體系(Perfusion culture sys. PCS)，3D Biotek公司的3D Perfusion系統，Synthecon公司的旋轉3D培養系統RCCS生物反應器，Zellwerk的Z RP (Red Point)培育平臺；Gradientech的CellDirector產品則將細胞趨化與3D環境相結合起來。

下面選擇Provitro GmbH灌流培養體系做簡單介紹：

細胞單層培養技術zui大限度降低了組織復雜性。但其缺點是缺少了細胞與基質之間的相互作用，從而導致細胞代謝和細胞表達呈現去分化狀態。與單層細胞培養技術比較，3D培養下細胞可通過細胞外基質擴展，達到高濃度和營養供應狀態。Provitro GmbH的3D培養通過自動化的灌流培養體系來滿足3D培養所需要的更嚴格的細胞培養條件，在該體系下培養可保證穩定的營養濃度供應，穩定的pH值，并降低污染風險。

a)灌流培養體系：Provitro提供的灌流培養體系用顯微鏡可隨時觀察細胞培養狀態，可保證整個灌流體系內細胞營養充足，沒有培養死角；b)管狀細胞灌流培養體系(Tube chamber system TCS)；c)流動灌流培養體系(Flow chamber system FCS)；d)灌流環路(Perfusion circuit)，包括灌流環路PCS3c (Perfusion circuit PCS3c)，灌流環路TCS2c (Perfusion circuit TCS2c)，灌流環路TCS1c (Perfusion circuit FCS1c)；e)根據用戶的特殊需求定制的灌流培養體系(Customisation)

Provitro GmbH主要關注組織培養和灌流研究，更多產品信息可參考如下鏈接：

http://blog.sina.com.cn/s/blog_7038ff370101lyxz.html

3D培養的缺點與局限

3D培養對藥物研發和毒性測試意義重大，但當期也有一些問題尚待解決。包括：當前多數系統還不能模擬體內的生物機械動態特性；動物源或人源的支撐材料有一定病原風險，且這類材料可能存在批次差別性，在重復性上不及合成的支架材料。Scaffold培養方法在RNA、蛋白提取時需要注意，當然，當前已經開發了酶或是其它試劑在不損傷細胞條件下消化去除這類scaffold，另外，一些生化測定、圖像掃描和熒光檢測方面，scaffold是否存在影響，在選擇產品時需要考慮到。總體上說，材料科學與生物學的結合使當前3D培養方式越來越多樣化，用戶的選擇空間很大，可在比較中找到自己的方法。眾多的3D培養方法重點關注如何讓3D體系更加接近人體實際環境，而對藥物研發企業，他們除了模擬實際環境，還要求、自動化和可承受的使用成本。當前3D分析尚須實現飛躍，從而實現3D培養體系工業化應用便捷和高read-out。