一、概述
1 當(dāng)前細(xì)胞培養(yǎng)和觀察的常用方法
十九世紀(jì)起，當(dāng)顯微鏡出現(xiàn)后，人們就開始嘗試對細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，并在二十世紀(jì)發(fā)展出細(xì)胞的培養(yǎng)技術(shù)。單層細(xì)胞的培養(yǎng)相對方便，而且商業(yè)化的顯微鏡非常適合于平面的、薄樣品的觀察，所以，在二十世紀(jì)的中后期，人們普遍采用 2D 的細(xì)胞培養(yǎng)方法，進(jìn)行生物學(xué)的研究，以及進(jìn)行藥物的篩選、開發(fā)和疾病治療的研究。

2 2D 和 3D 細(xì)胞培養(yǎng)及對細(xì)胞的影響
通常，2D 細(xì)胞培養(yǎng)不但被用來在體外研究不同類型的細(xì)胞，還被用來進(jìn)行藥物的篩選和評價(jià)等各個(gè)方面。這種單層的培養(yǎng)體系使細(xì)胞生長于聚酯或玻璃的表面，同時(shí)存在的培養(yǎng)液能夠給細(xì)胞生長提供養(yǎng)分。無數(shù)的生物學(xué)家通過這種方式極大地推動(dòng)了生物學(xué)和醫(yī)學(xué)進(jìn)展。

然而，其簡單的操作方法也造成了這種模式無法準(zhǔn)確的描述和模擬細(xì)胞在體內(nèi)復(fù)雜的微環(huán)境和各種復(fù)雜生物學(xué)過程，如細(xì)胞信號傳遞，生化過程或幾何學(xué)改變。另外通過 2D 細(xì)胞培養(yǎng)方法獲得的數(shù)據(jù)應(yīng)用于體內(nèi)也會(huì)造成一些誤導(dǎo)和不可預(yù)測性。這些原因促使很多科學(xué)家將目標(biāo)轉(zhuǎn)向了 3D 細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，一種在體外能夠更加準(zhǔn)確描述細(xì)胞真實(shí)微環(huán)境的方法。細(xì)胞在體外三維環(huán)境下生長產(chǎn)生特殊的生物物理和生物力學(xué)信號，這些都會(huì)影響到細(xì)胞的功能，如細(xì)胞遷移、細(xì)胞粘附、增殖和基因表達(dá)等 ( 如下圖 )。

我們知道，有多種不同的 3D 細(xì)胞培養(yǎng)方法，不同的方法有著各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。與 2D 培養(yǎng)不同，3D 細(xì)胞培養(yǎng)具有微小結(jié)構(gòu)的形成和復(fù)雜的環(huán)境特征，能夠促進(jìn)細(xì)胞的分化和組織形成。實(shí)際上，相比較于生長于 2D 環(huán)境，在 3D 環(huán)境中細(xì)胞能夠承受更多的形態(tài)學(xué)和生理學(xué)變化。有研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞基底的成分和結(jié)構(gòu)不但能夠影響基因表達(dá)，還能增強(qiáng)細(xì)胞間聯(lián)系。如有些促進(jìn)細(xì)胞增值的基因在 3D 培養(yǎng)環(huán)境下受到抑制，從而不會(huì)像 2D 培養(yǎng)下那樣無限生長。3D 細(xì)胞培養(yǎng)還會(huì)促進(jìn)共培養(yǎng)環(huán)境下的兩種不同細(xì)胞群體的生長，從而能夠準(zhǔn)確重現(xiàn)組織功能。另外，3D 培養(yǎng)技術(shù)能夠使細(xì)胞微環(huán)境參數(shù) ( 溫度、化合物濃度、氧氣、pH 等 ) 易于控制和監(jiān)測。

但是 3D 細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)也有明顯的缺陷，這些缺陷還需要技術(shù)進(jìn)步來彌補(bǔ)。首先，一些基質(zhì)膠會(huì)從動(dòng)物或其他來源吸收一些有害或不需要的物質(zhì)，如病毒，可溶性因子等，會(huì)干擾細(xì)胞培養(yǎng)。有些基質(zhì)具有很好的細(xì)胞粘附性，使細(xì)胞去除過程更加困難。另外，3D 細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是一種高性價(jià)比的技術(shù)，能夠在藥物評價(jià)階段省掉動(dòng)物藥物測試過程，整個(gè)流程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可重復(fù)性好。

3 3D 細(xì)胞技術(shù)的延伸和前景
隨著 3D 細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展和成熟，大量的新的相關(guān)技術(shù)出現(xiàn)，如微流控技術(shù)、微器官技術(shù)等。這些技術(shù)使得培養(yǎng)環(huán)境的控制和監(jiān)測更加容易，同時(shí)能夠使藥物推進(jìn)臨床的速度大大加快，評價(jià)結(jié)果的可靠性也會(huì)大大增加。

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