北 京 基 爾 比 生物科技公司主營(yíng)產(chǎn)品：

Kilby 全自動(dòng)3D細(xì)胞類器官培養(yǎng)儀，

Kilby Gravity 微重力三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，

Kilby Bio類器官芯片搖擺灌注儀，動(dòng)態(tài)3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)

Kirkstall Quasi Vivo®類器官3D仿生動(dòng)態(tài)共培養(yǎng)系統(tǒng)

一、關(guān)鍵詞

細(xì)胞培養(yǎng)、二維細(xì)胞培養(yǎng)、三維細(xì)胞培養(yǎng)、類器官、球體、器官芯片

二、摘要

概述了細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域的歷史里程碑，從19世紀(jì)80年代Wilhelm Roux的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，到Ross Granville Harrison在20世紀(jì)初的奠基工作，再到Alexis Carrel的永生化細(xì)胞研究。

后續(xù)Johannes Holtfreter、Aron Moscona、Joseph Leighton等推動(dòng)了三維細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)展，2006年Takahashi和Yamanaka誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）的發(fā)現(xiàn)具有革命性意義。近年來(lái)，球體、類器官和器官芯片技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，文章還探討了從二維到三維細(xì)胞培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變及未來(lái)方向。

三、細(xì)胞培養(yǎng)歷史概述

1. 早期起源（19世紀(jì)末-20世紀(jì)初）

- Robert Koch（19世紀(jì)80年代）：改進(jìn)微生物培養(yǎng)技術(shù)，使用明膠固化培養(yǎng)基，提出“科赫法則”，強(qiáng)調(diào)滅菌的重要性，與Richard Petri合作改進(jìn)培養(yǎng)皿（Petri dish）。

- Wilhelm Roux（19世紀(jì)80年代）：通過(guò)雞胚細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，證明細(xì)胞可在鹽溶液中在體外存活。

- Leo Loeb：在華盛頓大學(xué)開(kāi)展細(xì)胞培養(yǎng)、移植和激素研究，為實(shí)驗(yàn)病理學(xué)奠定基礎(chǔ)。

- Ross Granville Harrison（1906年）：在試管中培養(yǎng)蛙神經(jīng)纖維組織，使用、鹽溶液和瓊脂作為培養(yǎng)基，開(kāi)發(fā)“懸滴技術(shù)”，通過(guò)無(wú)菌操作（如滅菌手術(shù)器械）將細(xì)胞培養(yǎng)延長(zhǎng)至5周，其著作《Observations on the Development of Living Nerve Fibers》具有重要意義。

2. 技術(shù)發(fā)展與突破（20世紀(jì)初-中期）

- Alexis Carrel：1912年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主，改進(jìn)懸滴培養(yǎng)法，設(shè)計(jì)“卡雷爾培養(yǎng)瓶”，詳細(xì)描述三維細(xì)胞培養(yǎng)（利用絲綢線培養(yǎng)組織碎片），與Charles Lindbergh合作，后者開(kāi)發(fā)血清分離方法并引入耐高壓的“Pyrex玻璃”器皿，成功培養(yǎng)出永生化雞胚心肌細(xì)胞系。

- HeLa細(xì)胞系（1951年）：源于Henrietta Lacks的宮頸腺癌組織，由George Gay實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)成功，具有強(qiáng)增殖能力，至今仍廣泛應(yīng)用于研究。

- 三維培養(yǎng)技術(shù)先驅(qū)：

- Johannes Holtfreter：開(kāi)發(fā)球形細(xì)胞聚集體培養(yǎng)方法，通過(guò)攪拌培養(yǎng)瓶促進(jìn)細(xì)胞接觸和營(yíng)養(yǎng)擴(kuò)散。

- Aron Arthur Moscona：利用錐形瓶持續(xù)攪拌培養(yǎng)細(xì)胞，防止細(xì)胞貼壁，促進(jìn)三維細(xì)胞聚集體形成，開(kāi)展細(xì)胞嵌合體研究。

- Joseph Leighton（20世紀(jì)50年代）：使用纖維素海綿三維基質(zhì)培養(yǎng)細(xì)胞，證明三維培養(yǎng)更能模擬體內(nèi)細(xì)胞行為。

3. 干細(xì)胞研究與突破（20世紀(jì)60年代-21世紀(jì)初）

- 骨髓干細(xì)胞研究：Ernst McCulloch和James Till（20世紀(jì)60年代初）通過(guò)骨髓細(xì)胞移植實(shí)驗(yàn)，提出“脾集落”概念，為骨髓干細(xì)胞定義奠定基礎(chǔ)。

- 間充質(zhì)干細(xì)胞研究：Alexander Friedenstein（20世紀(jì)60年代起）從骨髓中分離出“成纖維細(xì)胞集落形成細(xì)胞（FCFCs）”，即間充質(zhì)干細(xì)胞的前身，證明其多向分化潛能。

- 胚胎干細(xì)胞：1981年，Martin Evans和Matthew Kaufman建立小鼠囊胚細(xì)胞系，Gail R. Martin使用“胚胎干細(xì)胞”術(shù)語(yǔ)。

- 人類胚胎干細(xì)胞：1998年，James Thomson團(tuán)隊(duì)從人類囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)培養(yǎng)出人類胚胎干細(xì)胞。

- 誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）：2006年，Kazutoshi Takahashi和Shinya Yamanaka通過(guò)Oct3/4、Sox2、Klf4、c-Myc四因子將成纖維細(xì)胞重編程為iPSCs；2007年，James Thomson團(tuán)隊(duì)使用Oct4、Sox2、NANOG、Lin28四因子獲得人類iPSCs。

四、二維與三維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)

1. 二維（2D）細(xì)胞培養(yǎng)

- 原理：細(xì)胞在平面貼壁表面（如培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶）生長(zhǎng)，通過(guò)特定涂層（如多聚賴氨酸、Matrigel、纖連蛋白）促進(jìn)非貼壁細(xì)胞黏附。

-應(yīng)用：用于研究細(xì)胞分化、遷移、生長(zhǎng)等生理機(jī)制，廣泛應(yīng)用于癌癥研究、毒性測(cè)試（如藥物候選物評(píng)估），符合“3Rs”原則（減少、優(yōu)化、替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)）。

- 局限性：缺乏細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的接觸，難以模擬體內(nèi)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理特性，部分細(xì)胞系（如肝細(xì)胞）難以在二維環(huán)境中穩(wěn)定培養(yǎng)。

2. 三維（3D）細(xì)胞培養(yǎng)

- 球體（Spheroids）：由細(xì)胞自組織形成的球形聚集體，無(wú)需預(yù)定義基質(zhì)，可通過(guò)懸滴法、磁懸浮等方法制備，存在營(yíng)養(yǎng)、氧氣等梯度，核心易形成壞死區(qū)，適用于癌癥模型研究。

- 類器官（Organoids）：比球體更復(fù)雜，由干細(xì)胞或分化細(xì)胞形成，具有自組織、多細(xì)胞性和功能性，可模擬器官發(fā)生和功能，應(yīng)用于遺傳疾病、腫瘤、藥物研發(fā)等領(lǐng)域（如腦類器官研究小頭畸形，肝類器官研究囊性纖維化）。

- 發(fā)展里程碑：1970年Robert Sutherland開(kāi)發(fā)多細(xì)胞球體；1972年Tom Elsdale和Jonathan Bard使用膠原蛋白凝膠作為三維支架；1977年Matrigel被引入作為細(xì)胞外基質(zhì)提取物。

- 局限性：缺乏功能性血管化，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)分布不均和壞死；結(jié)構(gòu)組織與體內(nèi)器官存在差異；操作復(fù)雜、成本高。

五、器官芯片（Organ-on-a-Chip）

- 原理：基于微流控系統(tǒng)，將三維細(xì)胞培養(yǎng)集成在芯片中，通過(guò)微通道實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間相互作用，可模擬血管化、機(jī)械刺激和組織灌注。 例如英國(guó)Kirkstall Quasi Vivo多功能細(xì)胞類器官芯片

- 典型模型：

- 肺芯片（2010年）：由多孔膜分隔的兩個(gè)微通道組成，分別培養(yǎng)肺泡上皮細(xì)胞和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞，可模擬呼吸運(yùn)動(dòng)和肺部感染。

- 心臟芯片：基于人類iPSCs分化的心肌細(xì)胞，可模擬心臟收縮（頻率55~80 bpm），用于藥物評(píng)估。

- 腦芯片：模擬神經(jīng)祖細(xì)胞遷移，用于神經(jīng)發(fā)育和腫瘤研究。

- 肝芯片、腎芯片、胰腺芯片：分別用于評(píng)估肝毒性、腎毒性和研究囊性纖維化相關(guān)胰腺功能障礙。

六、細(xì)胞培養(yǎng)的新展望

- 人體芯片（Human-on-a-Chip）：整合多個(gè)器官芯片，通過(guò)微通道模擬全身生理相互作用，有望替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，用于系統(tǒng)生物學(xué)研究和藥物測(cè)試。

- 挑戰(zhàn)：缺乏通用細(xì)胞培養(yǎng)基；血管化技術(shù)尚未成熟；微通道設(shè)計(jì)需模擬體內(nèi)血管特性。

- 應(yīng)用前景：推動(dòng)個(gè)性化 medicine 發(fā)展，加速藥物研發(fā)，深入解析疾病機(jī)制。

七、結(jié)論

二維細(xì)胞培養(yǎng)為生物醫(yī)學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，但存在局限性；三維細(xì)胞培養(yǎng)（球體、類器官）和器官芯片技術(shù)通過(guò)模擬體內(nèi)微環(huán)境，在臨床前研究、藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)中顯示出巨大潛力，未來(lái)將進(jìn)一步縮小基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用的差距。

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