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3D细胞培养

生物打印在Corning Transwell可渗透载体上的3D人类肝脏组织。

传统的细胞培养在简单、无孔的二维(2D)表面上开发,促进了这项重要技术在整个生命科学领域的扩展。由于细胞在 体内 会在三个维度上与环境相互作用,因此3D细胞培养工具、试剂和技术催生了适于多种应用和学科的更具可预知性体外细胞模型,包括癌症研究、药物发现、神经科学和再生医学的等应用学科。

3D细胞培养模型根据方法可通常会被分为两大类:1)使用水凝胶或结构性支架的支架方法,以及2)使用常称为球状体的游离漂浮细胞聚集体的无支架方法。具体方法选择主要取决于细胞本身的性质,但也受制于3D培养的目标和目的。


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支架法3D细胞培养技术

在基于支架的培养中,细胞可通过人工结构或所谓的水凝胶聚合物网络,在所有维度上得到支撑。这些亲水性的网络可能包含90%以上的水,并且可由动物来源细胞外基质(ECM)蛋白或无动物成分的合成型制剂组成。可将细胞包埋到水凝胶中以模拟体外的细胞外基质。

所谓的“硬”支架也可通过纤维或海绵样结构的专用培养器皿来创建,通常由聚己内酯或光学透明的聚苯乙烯等可生物降解材料组成,可优化成像。尽管这些制造的支持物并不太像体内的ECM,但可增强可重现性并促进细胞从培养物中回收。

无支架的3D细胞培养系统

细胞不在载体上生长时,可能会形成一种名为球状体的3D聚集体,可分泌自身的ECM以变得更像天然的实体组织。常见的例子包括癌症的肿瘤球状体,可用于研究肿瘤形成过程中的氧梯度和营养获取。球状体培养常用于药物开发和毒理学中的高通量化合物筛选,可提供一种比2D培养更具生物学相关性的模型。球状体培养可在多种环境中实现,包括低附着性微孔板、生物反应器和微流体培养系统。支架和无支架系统都可实现在所有方向上与底物、其他细胞和细胞外因子的相互作用。

3D细胞培养的高级应用

高级3D细胞系统可使研究人员将经典2D细胞培养技术的可获取性与体内动物模型的生物学相关性进行结合,而无需担心伦理问题。最近已开始通过各种高级3D细胞培养方法,如肿瘤球状体、干细胞和患者衍生的类器官以及通过细胞和生物墨水进行3D生物打印的组织工程,得到与体内细胞响应更近似的模型。iPS细胞分化的类器官可提供商业化的特定组织,相比于实验室培养的类器官,具有更强的可重现性,且可更快获取结果。