细胞培养3D时代来临

3D电影时代已经大众化了，在生物研究领域，3D细胞培养时代也紧随其后了，看下图明了

《阿凡达》掀起3D电影热潮，那细胞培养呢？

二维（2D）细胞培养模型对于促进发育生物学、组织形态学、疾病机制、药物研发、大规模蛋白生产、组织工程和再生医学领域的发展发挥了重要作用。然而，2D 培养系统也有缺陷，特别是其无法模拟体内的结构组织和连接，会使得细胞形态、存活力、增殖、分化、基因和蛋白表达、对刺激的反应、药物代谢及普通细胞功能性受到限制或减弱。

为了解决这些问题，近 20 年多年来科学家们开发了许多 3D 细胞培养模型来满足不同的应用。越来越多的证据表明，3D 细胞培养可以建立起生理上的细胞-细胞与细胞-细胞外基质相互作用，从而可以模拟天然组织的特异性，其生理相关性显著强于传统的 2D 细胞培养。这在干细胞培养和分化、癌症研究、药物和毒性筛选及组织工程等特定应用中显得尤为重要。

2D 与 3D 细胞培养体系在微环境上的区别可影响多种细胞行为：包括细胞吸附方式、伸展和生长方式，细胞形态和极性，基因与蛋白表达，存活，增殖，运动，分化，对刺激的反应，细胞代谢和总体功能。两者最首要的区别在细胞形态上。细胞采取 2D 或 3D 形态主要依赖于整合素介导的对细胞外基质黏附的方向。在 2D 培养中，只在细胞的一侧（和 2D 培养表面接触的那一侧）发生细胞吸附。然而，在 3D 培养中，整个细胞表面都会发生细胞吸附。一般而言，细胞可在几分钟内完成在没有限制的二维底物上的吸附和伸展。相比较而言，3D 培养中的细胞吸附和伸展则是在其生理环境下由蛋白酶解后进行，需要长达数小时，有时甚至于好几天才能完成。

细胞伸展的程度可以影响到其增殖、凋亡和分化。许多细胞从组织中分离出来并置于平面细胞培养表面时，会逐步变得更加扁平，分裂异常，并丧失其分化表型。有些细胞类型在 3D 培养环境中又会重新恢复生理形态和功能。比如，3D 培养条件下去分化的成骨细胞能够恢复生理表型，包括细胞形状及其软骨标记物的表达。相似地，包被在 3D 环境下的乳腺上皮细胞停止了不受控制的分裂，组装为腺泡样的结构，并建立了全新的基底膜。

除了细胞伸展以外，细胞采取的形态也会影响其功能性。比如说，3D 环境中腺上皮细胞的组织、信号传导和分泌相比较 2D 表面更接近于体内培养的状态。成纤维细胞的形态，包括细胞骨架组织和细胞粘附的类型，相较之 2D 培养，在 3D 基质中的细胞表现更类似于体内表现。而且，经证实，3D 环境最有利于支持成纤维细胞的细胞内信号传导。

3D 模型的另一个重要的生理特性是适宜的细胞极性。体内的极性取决于细胞类型和组织微环境。上皮细胞通常都是有极性的，有顶面和基底外侧表面，这对组织的结构和生物活性分子的定向分泌很重要。组织结构会在将细胞移植到平面的 2D 组织培养底物上而丢失。当回到合适的 3D 培养条件中，上皮细胞通常逐渐重新获得顶面-基底面极性，腺细胞则会形成细胞因子分泌入的腔口。像 Transwell 细胞小室这样的可通透支持物，是重建具有活体组织类似的细胞形态、细胞-细胞相互作用、极性和分泌功能的上皮细胞 3D 模型时特别有用的工具。

2D 细胞培养的局限性对临床前基于细胞的药物和毒性筛选试验的可预测性已经造成影响。超过 90% 的药物通过了体外临床前研究，却在随后的临床实验中未能达到预期的疗效或安全范围。癌症药物的失败率则更高，因为 2D 培养系统常常无法构建有效的肿瘤生物学模型。此外，使用 2D 模型进行临床前药物研发时，严重依赖动物模型来进行生物利用率和毒物学的研究。这一高失败率显示动物模型可能并不适用和/或不能代表人用治疗方案安全性评测。

基因表达和 mRNA 剪切的模式根据细胞在 2D 还是 3D 条件下培养而有着显著的区别。比如说，黑色素瘤细胞培养在扁平底物上时展现出独特的基因表达模式，跟 3D 培养环境下黑色素瘤细胞球体不一样。3D 球体中上调的基因被发现也在体内的肿瘤中发生了上调。还有研究表明，细胞培养底物的特征还会影响到整合素 mRNA 的表达和蛋白的生物合成。

原代细胞和干细胞的分化环境都是 3D 的环境，经发现其生化和局部解剖结构对分化过程有巨大的影响。比如说，单层培养的原代肝细胞在几天内去分化并死亡。去分化肝细胞首先丧失的一大功能就是药物代谢酶的生物合成能力，这些酶对药物研究的毒性试验非常关键。2D 表面的肝细胞功能亏损可以通过将原代肝细胞嵌入 3D 基质（如 I 型胶原； Corning Matrigel 基质；合成肽支架； 或维持在灌注流条件下）中来克服。总之，这些发现说明了 3D 细胞培养系统可用于帮助体内不同程度的细胞复杂性和功能的实现，具体由细胞类型和培养环境决定。而大多数情况下，2D 培养模型能够帮助实现的细胞分化和类似体内的功能则很有限。

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