研究復(fù)雜的細(xì)胞和組織，及其信號傳導(dǎo)與調(diào)控可不是件容易事。而模擬細(xì)胞或組織環(huán)境，建立zui接近體內(nèi)天然條件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)同樣困難。這就是3D細(xì)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(xì)胞的體內(nèi)生長環(huán)境，為其創(chuàng)造更天然的家。近來越來越多的證據(jù)表明，3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)比傳統(tǒng)2D培養(yǎng)系統(tǒng)更貼近體內(nèi)的生理?xiàng)l件。也許3D培養(yǎng)系統(tǒng)的zui大價值在于，其更接近體內(nèi)環(huán)境的系統(tǒng)能夠有效的輔助藥物研發(fā)。“3D細(xì)胞培養(yǎng)的主要優(yōu)勢在于，能夠在研究早期的體外實(shí)驗(yàn)中模擬細(xì)胞在體內(nèi)的行為，”3D Biomatrix公司的CEO Laura Schrader說。“傳統(tǒng)2D細(xì)胞培養(yǎng)往往無法了解細(xì)胞在組織內(nèi)的功能和應(yīng)答反應(yīng)，結(jié)果可能導(dǎo)致以2D細(xì)胞培養(yǎng)為基礎(chǔ)的藥物或生物學(xué)研究出現(xiàn)偏頗，并且也難以預(yù)測藥物在體內(nèi)的效果。而3D細(xì)胞培養(yǎng)可以為研究者們提供藥物等更真實(shí)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(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)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(shù)帶來的好處。那么我們要如何選擇自己的3D培養(yǎng)系統(tǒng)呢？這取決于我們的實(shí)驗(yàn)需求，舉例來說，實(shí)驗(yàn)的細(xì)胞類型、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)規(guī)模、是否共培養(yǎng)、分析類型、是否收集細(xì)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)
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支架是供細(xì)胞粘附、生長和擴(kuò)散的結(jié)構(gòu)，不過有些實(shí)驗(yàn)需要細(xì)胞保持未粘附的狀態(tài)，例如有些研究需要使溶液中的細(xì)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(xì)胞球體能夠模擬固有代謝（氧、二氧化碳、營養(yǎng)物質(zhì)、代謝廢物）和增殖梯度，是癌癥和干細(xì)胞研究的生理模型，”她說。

細(xì)胞培養(yǎng)皿
研究細(xì)胞球體的挑戰(zhàn)在于長期培養(yǎng)、與其他類型的細(xì)胞共培養(yǎng)或者與液體工作站結(jié)合。而3D Biomatrix公司的Perfecta3D ®懸滴板解決了上述問題，該產(chǎn)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(xì)胞）來調(diào)節(jié)細(xì)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(xì)胞在Perfecta3D ®懸滴板中生長可以自行生成3D細(xì)胞外基質(zhì)，這樣的細(xì)胞球體與體內(nèi)組織更為相似，”Schrader說。“該產(chǎn)品也可以實(shí)現(xiàn)與其他類型的細(xì)胞共培養(yǎng)，如內(nèi)皮細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞和上皮細(xì)胞等。”
InfiniteBio公司也有供細(xì)胞球體研究的3D培養(yǎng)系統(tǒng)，SCIVAX 3D Nano Culture® Plate。該產(chǎn)品的孔底部具有納米印跡nano imprinting技術(shù)形成的粘附表面，細(xì)胞球體就在該表面上形成。“我們系統(tǒng)的*性在于，細(xì)胞球體在維持三維結(jié)構(gòu)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(xì)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(chǎn)品的磁性納米顆粒能夠?qū)⒓?xì)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(xì)胞，市面上也有多種產(chǎn)品可供選擇。3D Biotek公司為細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程供應(yīng)多種3D大分子支架，zui近他們發(fā)布了新產(chǎn)品3D Nano-mesh 支架。“這種支架結(jié)合了微米級與納米級幾何結(jié)構(gòu)，具有雙重優(yōu)勢，適于作為復(fù)雜間質(zhì)瘤和上皮瘤的模型，” 3D Biotek公司的研發(fā)Carlos Caicedo-Carvajal說。支架內(nèi)均一的孔為營養(yǎng)物質(zhì)和廢物提供了的交換場，能夠適應(yīng)不同類型細(xì)胞的培養(yǎng)需求，”他補(bǔ)充道。“例如，有些細(xì)胞喜歡緊緊挨在一起，而骨細(xì)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(diào)節(jié)性，能夠更好的在體外模型中模擬體內(nèi)條件。
Life Tech和Reinnervate公司也提供支架產(chǎn)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(xué)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(jìn)行3D細(xì)胞培養(yǎng)。
凝膠和細(xì)胞外基質(zhì)生
含有細(xì)胞生長基質(zhì)的凝膠在結(jié)構(gòu)上與體內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)很相似。“3D培養(yǎng)技術(shù)的快速發(fā)展表現(xiàn)在，從使用組織來源的3D培養(yǎng)物質(zhì)到利用化學(xué)合成的水凝膠，”B-Bridge公司的產(chǎn)品Lara Cardy說。B-Bridge 代理Cellendes的3D Life仿生水凝膠，該產(chǎn)品的組成非常靈活，可以幫助用戶更好的設(shè)計(jì)細(xì)胞環(huán)境。不同組合的合成大分子和crosslinker，可以構(gòu)成不同的3D細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境。 “crosslinker的選擇決定了細(xì)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(bǔ)充道。“而添加RGD多肽可以為細(xì)胞提供可粘附的細(xì)胞外環(huán)境，這也是絕大多數(shù)細(xì)胞擴(kuò)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(xì)胞球體等功能性細(xì)胞團(tuán)塊，也同樣是研究細(xì)胞擴(kuò)散和遷移的理想產(chǎn)品。該產(chǎn)品中的大分子是可降解的，可以輕松收獲其中的細(xì)胞，該過程無需蛋白酶也不會對細(xì)胞產(chǎn)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(shè)計(jì)3D細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境時，研究者們需要先確定他們zui感興趣的研究方向，這很重要，Cardy說。這即是說在選擇3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)前，我們首先要明確主攻方向，是細(xì)胞間的相互作用，還是細(xì)胞與環(huán)境之間的互作，抑或是細(xì)胞的運(yùn)動等等，做到胸有成竹。“我認(rèn)為這是在選擇3D培養(yǎng)平臺之初zui重要的基本問題，尤其是在用戶初次選擇zui適于實(shí)驗(yàn)的3D水凝膠大分子和crosslinker時。”
許多3D細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)品都是先確定好培養(yǎng)環(huán)境再引入細(xì)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(xì)胞結(jié)合后除去液體，使膠原濃縮在細(xì)胞周圍，從而將細(xì)胞封裝在膠原中。“膠原是體內(nèi)細(xì)胞外的主要基質(zhì)蛋白，膠原環(huán)境對于細(xì)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(xì)胞過程的簡單旁觀者，細(xì)胞具有膠原受體并且會與膠原相互作用，尤其是在細(xì)胞侵襲和遷移的過程中。”以RAFT為基礎(chǔ)的角膜治療即將在英國進(jìn)入人體試驗(yàn)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(chǎn)品和細(xì)胞外基質(zhì)。
生物反應(yīng)器
生物反應(yīng)器是含有細(xì)胞、培養(yǎng)基和支架（也可不含支架）的反應(yīng)容器。3D Biotek公司的3D Perfusion生物反應(yīng)器可與該公司的多孔3D大分子支架結(jié)合使用。 “它具有一個生物反應(yīng)室，其中含有3D大分子支架，該生物反應(yīng)器的培養(yǎng)基從底部到頂部循環(huán)流動，模擬體內(nèi)環(huán)境，”Caicedo-Carvajal介紹道。
Synthecon公司的旋轉(zhuǎn)三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)RCCS生物反應(yīng)器同樣既可以結(jié)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(zhuǎn)。“該系統(tǒng)通過容器上整合的硅膠模膜進(jìn)行氣體交換，”Synthecon公司的科學(xué)家Stephen Navran說。“進(jìn)入這一系統(tǒng)的細(xì)胞很快能夠聚集成為3D細(xì)胞球體。當(dāng)然也可以加入多種支架物質(zhì)使細(xì)胞得以粘附。該系統(tǒng)的*之處在于，在RCCS中維持懸浮3D結(jié)構(gòu)所需的機(jī)械力非常小，能夠?qū)⒓?xì)胞損傷降到zui低。此外，旋轉(zhuǎn)的動態(tài)培養(yǎng)比依賴于擴(kuò)散作用的靜態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)更具優(yōu)勢，能夠是細(xì)胞更充分的接觸到營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。”據(jù)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(xì)胞結(jié)構(gòu)的中心部分缺乏氧氣和營養(yǎng)，并zui終會導(dǎo)致細(xì)胞壞死。雖然RCCS這樣的動態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)還不能*避免該問題，但它已經(jīng)大大改善了這一情況。”
3D細(xì)胞培養(yǎng)的未來
目前已有相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)，盡管3D細(xì)胞培養(yǎng)與體內(nèi)環(huán)境并不是*相同的，但它顯然比傳統(tǒng)2D細(xì)胞培養(yǎng)更接近體內(nèi)的條件。在3D培養(yǎng)體系中進(jìn)一步分析以往2D細(xì)胞實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果，將成為未來的研究熱點(diǎn)。“我們過去的2D細(xì)胞實(shí)驗(yàn)得到了許多寶貴的成果，而現(xiàn)在到了進(jìn)一步深化這些研究的時候了，”Schrader說。“將2D體外實(shí)驗(yàn)推進(jìn)到3D細(xì)胞體系的層面，將大大加快將新藥推向市場的速度，降低藥物研發(fā)的成本。”

來源：生物通