什么是 3D 细胞培养？

　　3D 细胞培养是将细胞培养成 3D 结构的一系列技术。受到生化和生物医学科学家对能够更好地代表体内实验系统的渴望的驱动已经开发了用于 3D 细胞培养的环境、新材料和方法。3D 细胞培养的应用带来了更好的数据和组织和癌症行为的创新知识。与二维 (2D) 细胞培养模型相比，在候选药物评估中采用 3D 细胞培养模型的优势包括：i) 整合/增加细胞-细胞和细胞-基质相互作用；ii) 可以评估位点特异性基质细胞在肿瘤微环境中的影响；iii) 不同的细胞增殖区；iv) 模拟实体瘤环境建立氧、营养、代谢物和分解代谢物梯度；v) 候选药物的不均匀分布导致细胞不均匀地暴露于测试分子。由于细胞生长模式的变化，体外3D 细胞培养模型可以更准确地了解体内药物活性，仅基于 2D 细胞培养模型可能无法对其进行全面评估。目前现有的 3D 细胞培养技术可分为两大类，基于支架的和无支架的 3D 细胞培养。

　　技术基础

　　基于支架的 3D 细胞培养

　　对于基于支架的 3D 细胞培养，预制支架或基质旨在模拟体内细胞外基质 (ECM)。引入后，细胞附着、迁移、增殖并填充支架内的间隙以形成 3D 结构。支架，也称为 3D 矩阵，包括具有不同孔隙率、渗透性和机械特性的多种材料。支架和基质可以源自天然/生物来源或通过合成化学反应。许多常见的生物分子是 3D 基质/支架的良好候选者，包括纤连蛋白、胶原蛋白、层粘连蛋白和明胶……。除了为细胞提供附着位点和支撑外，天然/生物支架还可以为生长因子、激素和其他分子提供正确的微环境。这些小分子与细胞相互作用，在基因表达和蛋白质生产中发挥关键作用。源自自然资源的支架还可以促进适当的细胞行为和功能，从而提高细胞活力、增殖和分化。

　　多种合成材料也可用作 3D 基质/支架，包括但不限于聚合物、陶瓷、玻璃、碳纳米管、纳米纤维和各种杂化。在支架的设计和制造过程中，应考虑一系列性能，包括生物相容性、润湿性、机械性能和结构以及表面化学。合成支架的高度可控性和灵活性使其具有广泛的应用。通过为细胞生长提供表面并结合必需的营养物质和生长因子，它们可以通过对细胞培养程序的微小改变来轻松地赋予和改变 3D 细胞生长。

　　聚[(R,S)-3-羟基丁酸酯] (aPHB)/聚[(R)-3-羟基丁酸酯] (PHB) (85/15 w/w) 支架结构（左）和 3D aPHB 的 SEM 图像/PHB 支架与人类成纤维细胞一起沉降（右）。

　　无支架 3D 细胞培养

　　对于无支架3D细胞培养，可以应用多种技术实现三维细胞培养。最广泛使用的策略之一是悬滴板 (HDP)。在没有用于附着的表面的情况下，细胞将自组装成 3D 球体结构。HDP 通过使用带有开口的孔底来利用这一事实，这与传统的培养板底部不同。HDP 底部开口的孔径经过精心设计，大到足以形成足以用于细胞聚集的离散介质液滴，但也小到足以通过利用表面张力来防止液滴在操作过程中脱落。形成最终的球状结构需要数小时到数天的时间，其尺寸由播种到液滴中的初始细胞数量控制。

　　另一种适用于创建肿瘤球体或多细胞组织模型的板是具有超低附着 (ULA) 涂层的微孔板，可最大限度地减少细胞粘附并允许球体形成。ULA 涂层板的圆形、锥形或 V 形孔底既确保生成一致的单个球体，又便于将球体定位在每个孔的中间。此外，可以在微流体系统中形成 3D 细胞培养结构，其中将灌注流引入培养环境。微流体系统能够持续引入营养和氧气，同时确保及时清除废物。随着灌注流的引入以及各种物理和非物理屏障的结合，体内模型。

　　微流控芯片系统概述（Analyst，2016）。