在細胞和組織培養(yǎng)領(lǐng)域，從上世紀(jì)70年代起二維（2D）培養(yǎng)科學(xué)家已經(jīng)看到其局限性，并且更多地關(guān)注三維（3D）培養(yǎng)的優(yōu)點，目前越來越多的研究從細胞培養(yǎng)的平面環(huán)境中轉(zhuǎn)變到三維培養(yǎng)。當(dāng)前，雖然對基于細胞的效應(yīng)研究和毒性測試中，制藥工業(yè)如今常用的依舊是2D方式，3D培養(yǎng)技術(shù)已在學(xué)術(shù)研究中被廣泛應(yīng)用。細胞增殖，分化和代謝等生理活動都嚴(yán)重受到微環(huán)境的影響。

當(dāng)前細胞生物學(xué)研究大多還是在二維平面培養(yǎng)進行，這種平面培養(yǎng)、生長方式與機體內(nèi)立體環(huán)境差別很大，導(dǎo)致細胞形態(tài)、分化、細胞與基質(zhì)間的相互作用以及細胞與細胞間的相互作用與體內(nèi)生理條件下細胞的行為存在明顯差異。

2D和3D環(huán)境下培養(yǎng)的細胞相比較，諸多生理指標(biāo)都顯著不同，例如原代小鼠乳腺管腔上皮細胞(mammaryluminal epithelial cells, MEC)在3D基底膜基質(zhì)中增殖的時間明顯長于2D培養(yǎng)環(huán)境；更有甚者，有時藥物作用于2D培養(yǎng)的細胞呈現(xiàn)的效應(yīng)與3D細胞相反。

3D培養(yǎng)可以設(shè)計模擬體內(nèi)的生理環(huán)境，讓細胞在生理行為上與機體實際的生理環(huán)境更接近。隨著在生物相關(guān)性，通量，產(chǎn)出量等方面的改進，伴隨3D培養(yǎng)成本的降低，3D培養(yǎng)在再生醫(yī)學(xué)，基礎(chǔ)研究和藥物研發(fā)中的應(yīng)用將越來越廣泛，一場細胞由2D培養(yǎng)走向3D的變革正在發(fā)生。

3D細胞培養(yǎng)-支架三維培養(yǎng)模式

當(dāng)前市場上有多種類型的3D培養(yǎng)系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)品是否為細胞提供支撐（支架）材料（scaffold）大體可分為兩種類型：基于支架（scaffold）的培養(yǎng)體系和無scaffold的培養(yǎng)體系。今天來介紹一下有支架的三維培養(yǎng)體系。

一、根據(jù)支持物的性質(zhì)分類，基于scaffold的培養(yǎng)體系可分為天然細胞外基質(zhì)（Extracellular matrix，ECM）作為支持材料的3D培養(yǎng)和人造基質(zhì)作為支持材料的3D培養(yǎng)。

1. 天然ECM作為支持材料的3D培養(yǎng)
這種方法以天然ECM作為支持材料，根據(jù)培養(yǎng)細胞類型，優(yōu)化3D培養(yǎng)基質(zhì)配方，以滿足不同組織細胞的培養(yǎng)需求。很多公司都可提供細胞外基質(zhì)產(chǎn)品用于3D培養(yǎng)，例如TAP Biosystems（已被Sartorius Stedim Biotech收購）的RAFT膠原系統(tǒng)，Matrigel模擬基底膜基質(zhì)產(chǎn)品；Advanced BioMatrix，Amsbio和Sigma-Aldrich公司也都有細胞外基質(zhì)凝膠產(chǎn)品。但天然基質(zhì)材料存在一定病原風(fēng)險，且材料可能存在批次差別性等缺點。

2. 人造基質(zhì)作為支持材料的3D培養(yǎng)方法

合成的人造基質(zhì)材料類型相當(dāng)多，例如Cellendes的3D Life仿生水凝膠材料；3D Biotek公司有多種3D大分子支架材料；Reinnervate公司Alvetex產(chǎn)品用的是聚苯乙烯(polystyrene scaffold)；Life Tech公司的AlgiMatrix 3D培養(yǎng)系統(tǒng)采用褐藻原料；Synthecon和Xanofi的納米纖維技術(shù)平臺XanoMatrix采用合成納米生物基質(zhì)和培養(yǎng)材料；PuraMatrix采用合成肽水凝膠；其它合成材料產(chǎn)品還包括Lena Biosciences的SeedEZ等。

Cellendes的3D Life仿生水凝膠材料可以說是合成的人造基質(zhì)材料的優(yōu)秀代表。Cellendes的3D Life仿生水凝膠通過合成大分子材料和交聯(lián)劑(crosslinker)方式和比例的靈活組合，構(gòu)建不同的3D細胞培養(yǎng)環(huán)境。這種高化學(xué)和機械柔性（flexibility）的合成系統(tǒng)賦予了該材料較動物源性支持材料更多的優(yōu)勢。諸多優(yōu)點使3D Life仿生水凝膠不但是普通3D培養(yǎng)的上佳選項，也使其成為細胞擴散和遷移研究的理想產(chǎn)品。

下文對Cellendes的3D Life Biomimetic Hydrogel System做一簡單介紹：

3D 仿生水凝膠系統(tǒng)是一套用于3D細胞培養(yǎng)時構(gòu)建細胞外基質(zhì)組分的試劑

使用者可以選擇不同polymer和crosslinker組合，構(gòu)成不同的3D細胞培養(yǎng)

注： 藍色：Polymer 綠色：linker 紅色：RGD肽

1. polymer 的選擇，決定了是否可人為的回收細胞；

2. rosslinker的選擇決定了細胞是否能夠降解局部水凝膠來為自己創(chuàng)造移動空間；

3. 加RGD多肽可以為細胞提供可粘附的細胞外環(huán)境，這也是絕大多數(shù)細胞擴散和遷移的先決條件。

3D仿生水凝膠優(yōu)勢及應(yīng)用

1.Life水凝膠系統(tǒng)與活體細胞外基質(zhì)相似，采用該系統(tǒng)可使體外細胞培養(yǎng)更接近體內(nèi)的生理特征，是基礎(chǔ)研究、藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域細胞功能研究的理想選擇。

2.產(chǎn)品組合靈活，操作簡單，控制自如。

3.對細胞無任何毒害，選擇可降解材料，可以輕松回收細胞。

4.應(yīng)用廣泛：可用于細胞培養(yǎng)、標(biāo)記和顯微觀察等諸多方面；細胞可在凝膠內(nèi)也可在凝膠表面培養(yǎng)；可活細胞直接觀察也可選擇原位固定后觀察；支持GFP等多種報告基因標(biāo)記后觀察方式；可選擇不同類型細胞共培養(yǎng)，更好模擬體內(nèi)生理狀態(tài)。

3D life水凝膠中細胞的固定與標(biāo)記

使用小分子物質(zhì)，例如熒光標(biāo)記phalloidin，核酸染料，活性和毒性檢測試劑，增值檢測試劑等小分子物質(zhì)進行細胞標(biāo)記方法，除了在孵育時間上適度延長以便能在水凝膠中充分?jǐn)U散外，與傳統(tǒng)的2D細胞培養(yǎng)方式相同。所培養(yǎng)的細胞如果經(jīng)基因修飾還有熒光蛋白，則可直接用于觀測，因凝膠*透明不影響觀測結(jié)果。

如果使用抗體等大分子對細胞進行標(biāo)記則不能直接在水凝膠中開展，因水凝膠的孔徑原因，不適合直接抗體標(biāo)記，需要使用dextranase將細胞從水凝膠中釋放出來，如果擔(dān)心細胞在操作過程中細胞生理活動波動，則可經(jīng)在凝膠中將細胞固定后在進行操作。

二、如果按支持材料形成的方式分，基于scaffold的培養(yǎng)體系可分為如下兩類，一種是將細胞分散在液體水凝膠中，然后通過交聯(lián)實現(xiàn)3D培養(yǎng)，這類產(chǎn)品代表生產(chǎn)商包括Cellendes, Matrigel, Glycosan Biosystems和QGel等；另外一種是將細胞“播種"在3D基質(zhì)上，這類方法的代表廠商包括3D Biotek, Alvetex和AlgiMatrix等。第一種方式中的Cellendes產(chǎn)品上面已經(jīng)做了簡要介紹；下面將細胞“播種"在3D基質(zhì)方法的代表產(chǎn)品3D Biotek給予簡要介紹：

3D Biotek得益于其精妙的3D微細加工技術(shù)和*的生物制造工藝，產(chǎn)品在干細胞/組織工程、藥物研發(fā)和細胞生物應(yīng)用等涉及3D培養(yǎng)的領(lǐng)域較好。

根據(jù)用戶的不同需求，3D Biotek提供系列的產(chǎn)品和裝置，包括多種3D細胞培養(yǎng)的支架材料：例如可生物降解的聚已內(nèi)酯3D Insert PCL，這種材料已經(jīng)被美國標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會(NIST)認定為標(biāo)準(zhǔn)的3D組織培養(yǎng)支架材料；聚苯乙烯3D Insert PS材料。

3D Biotek開發(fā)有的可直接用于如細胞凋亡和熒光ELISA等熒光和化學(xué)發(fā)光實驗的新材料培養(yǎng)板。

3D Biotek還提供可降解生物材料Poly(DL-lactide-co-glycolide) (PDLLGA)。

3D Biotek有用于3D腫瘤細胞或干細胞培養(yǎng)(或共培養(yǎng))的仿生基底膜：3D Insert-PS/PCL (聚苯乙烯/聚已內(nèi)酯)納米篩網(wǎng)。

高效將質(zhì)粒轉(zhuǎn)染入3D培養(yǎng)的細胞的3D轉(zhuǎn)染試劑盒(BioCellChallenge, SAS)。

多種3D Biotek專L技術(shù)制造多孔聚合物支架材料填充的3D生物發(fā)生器（3D Bioreactor），即包括可生物降解聚合物(polystyrene, PS)也包括不能生物降解聚合物(polycaprolactone, PCL)類型。

各種預(yù)填充了孔狀3D Insert™支架材料的塑料裝置，如3D Insert™PS (聚苯乙烯)支架，3D Insert™PCL (聚已內(nèi)酯)支架，3DKUBE™等。

用于骨組織工程中常用的可*吸收的生物陶瓷材料B-TCP盤(Disc)，用于骨質(zhì)疏松癥，骨基質(zhì)礦化，組織鈣化和骨修復(fù)等各種骨相關(guān)研究的HA盤(Disc)等。

選用3D Biotek產(chǎn)品能獲得高的細胞培養(yǎng)效率；增加細胞因子、抗體和其它生物分子的產(chǎn)出量，且生成的細胞因子、抗體等易于分離；減少動物實驗，體外研究即可獲高預(yù)測性資料，在開發(fā)新藥中降低成本和時間，縮短進入市場的時間等優(yōu)點。

三維細胞培養(yǎng)的缺點與局限

三維細胞培養(yǎng)對藥物研發(fā)和毒性測試意義重大，但當(dāng)期也有一些問題尚待解決?？傮w上說，材料科學(xué)與生物學(xué)的結(jié)合使當(dāng)前3D培養(yǎng)方式越來越多樣化，用戶的選擇空間很大，可在比較中找到適合自己的方法。眾多的3D培養(yǎng)方法重點關(guān)注如何讓3D體系更加接近人體實際環(huán)境，而對藥物研發(fā)企業(yè)，他們除了模擬實際環(huán)境，還要求高效、自動化，使用成本大大降低。