3D细胞培养，给细胞家的感觉

——“你的细胞都养在哪里呀？"

——“都在塑料的培养皿里呢。"

    你知道吗？目前细胞大都是在细胞培养板或细胞培养瓶中进行二维平面培养。由于二维细胞生长环境与体内3D细胞生长环境差距较大，因此2D培养无法提供高质量的细胞用于后续研究和应用。此外，由于二维培养细胞扩增还会受到2D平面表面积的限制（即细胞的生长接触限制），需要频繁采用胰酶消化进行细胞传代，导致细胞培养扩增工作繁琐。胰酶消化还会影响细胞的质量。采用3D细胞培养支架，可以再较长期间内无需胰酶消化，而进行细胞的3D扩增，从而大大提高细胞的质量和提高细胞的培养效率。

    将贴壁细胞培养在二维平面上，是科学家们过去迫不得已的无奈选择，这种无奈选择使细胞离开了较为适合其生长分化的体内环境，并调整自己方能重新适应新的二维环境。因此，传统的2D单层细胞培养物很难恰当地反映出细胞在体内的生物学形状或特征，进而可能造成细胞结构和组织功能的缺失。

三维（3D）细胞培养技术能够更好地模拟生物体内细胞存活的自然环境，其自然条件可保持细胞间相互作用和更逼真的生化和生理反应。在3D环境中，细胞对内源性和外源性刺激（如温度、pH、营养吸收、转运和分化等方面的改变）应答更接近于它们在体内的反应。再生医学的力量为理解发育、老化和组织年轻化等许多有趣的细胞进程提供了方法，了解生物学中这些有趣过程的方法就是研究与生物体非常相似的模型系统，这使得3D细胞培养成为定不可少的研究工具。

    目前已有研究表明3D细胞培养具有改变增殖和形态、更能揭示真实的药物反应、捕获表型异质性、正确反应基因表达和细胞行为、模拟肿瘤微环境等特征。

1. 细胞吸附和伸展的程度

    2D培养中，细胞只在接触面单侧吸附，许多细胞逐步扁平化，有的分裂异常，有的丧失分化表型；3D培养中，细胞的整个表面都可吸附，建立起类似体内的的细胞-基质与细胞-细胞间相互作用。

2. 细胞的极性

    极性对组织的结构和活性分子的定向分泌很重要。像Transwell这种可通透支持物，是体外重建具有活体极性和分泌功能的上皮细胞3D模型的有用工具。

3. 基因表达和mRNA剪切

    黑色素瘤细胞3D培养基因上调的模式和在体内的肿瘤中一致；而2D培养时会展现出与上面不同的*基因表达模式。细胞培养方式还会影响到整合素mRNA的表达和蛋白的生物合成。

    3D细胞培养的主要方法有：依赖支架的固体支架技术、水凝胶技术，以及不依赖支架的低粘附力培养皿/板、悬滴板、旋转生物发生器、磁性3D生物打印。

    3D细胞培养应用最多的是低粘附力培养皿/板。低粘附力培养皿/板的表面覆盖一层带负电荷的亲水性聚合物，加入细胞后通过细胞间的互动可自然形成立体球状。形成的细胞球内具有氧气、营养物质、代谢废物的浓度梯度，能够模拟固态组织的多个特性，是研究实体瘤发生和干细胞分化重要的3D生理模型。

低粘附平面

另一类是运用水凝胶。水凝胶是水膨胀性的高分子网络，被设计用来模拟复杂的细胞外微环境。水凝胶由水、ECM蛋白和生长因子组成。用于三维细胞培养的第一代水凝胶是从小鼠肉瘤细胞基底膜提取的ECM聚合物，新一代的合成、混合或基于多肽的材料则可以制备满足特定需求的培养环境，为每个细胞和应用需求提供最合适的选择。

    还有一种较为主流的方式是利用3D细胞培养支架。支架可提供一种物理支撑，细胞可以进入支架生长和行使功能。孔隙分布、暴露平面区域和孔隙度具有关键作用，其数量和分布会影响细胞渗透入支架的效率，而依据不同的制作工艺，支架具有不同的结构、随机或定制的孔隙分布。

    不同3D细胞培养技术都各有优势和不足，因此在选择合适的3D细胞培养系统时需要考虑多方面因素，比如要解决的问题或研究目的、实验模型、细胞类型、技术可实现性、下游分析方法和样品数量等。