3D细胞培养基础

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推进3D细胞培养系统的研究

3D细胞培养系统是让细胞和组织在三维空间中生长的环境，为深入理解复杂的生物过程提供了巨大潜力。这些模型在许多研究领域中被广泛应用，包括药物发现、毒理学、疾病建模和再生医学。这些模型为在生理相关的环境下更好地理解复杂生物学提供了机会，而传统的二维模型已知存在局限性。

 

3D细胞培养是一种让细胞以能够自组织形成三维结构的方式进行生长的方法。这种方式使细胞处于更符合生理状态的空间结构中，因为体内的细胞本就自然地在三维环境中生长，并且不会遇到传统二维细胞培养中常见的硬质基底。此外，三维结构还会形成生理相关的营养梯度，即靠近三维结构中心的细胞获得的营养比外部细胞更少。这种现象模拟了体内血管相关的营养梯度。这些梯度在细胞接受刺激（如抗癌化合物）时尤为重要，并且会显著影响细胞的反应，与在二维环境下培养的细胞相比有明显不同。

 

培养细胞的三维方法有多种，包括悬滴法、低附着力容器、悬浮瓶、生物反应器以及细胞外基质仿制物。选择哪种培养方法取决于所培养的细胞类型、培养基系统以及具体应用（如检测实验或长期培养）。在这里，我们将定义不同类型的三维模型，说明哪些细胞类型特别适合三维细胞培养，并描述使用三维模型系统时需要考虑的因素及其优势。

类球体 vs 类器官 and 类肿瘤体


类器官通常来源于正常（非恶性）的人类干/祖细胞（例如，成体干细胞（ASC）、诱导多能干细胞（iPSC）），当它们被包埋在模拟细胞外基质中时，会自组织形成类似组织的三维结构。它们通常包含干细胞和分化后的后代细胞，并且通常在专门的无血清培养基系统中培养。ASC来源的类器官一般从ASC分离后仅在三维环境中培养，而iPSC可以在二维或三维环境中扩增，然后在类器官分化和培养阶段仅在三维环境中生长。


类球体是指将永生化细胞系（如MCF7、LNCaP、Hep G2）在悬浮状态或细胞外基质模拟物中培养，形成大致球形的细胞团簇。三维细胞培养类球体通常对培养基要求较为简单，通常在含血清的培养基系统中培养。一般先在二维环境中扩增，然后仅在三维环境中用于实验分析。


类肿瘤体（又称癌症类器官、PDTO）由人类肿瘤组织中分离的原代癌细胞组成，并且始终以三维自组织多细胞结构的形式培养。类肿瘤体通常嵌入在细胞外基质模拟物中培养，但在特定培养条件下也可在悬浮状态下生长。这些模型通常在专门的无血清培养基系统中培养。

构建三维细胞培养系统的细胞类型

诱导多能干细胞

诱导多能干细胞（iPSCs）来源于体细胞，具有分化为体内任何细胞类型的能力，因此成为构建各种组织和器官三维模型的有力工具。iPSCs在疾病建模、药物发现和再生医学领域具有特别重要的应用价值。

 

成体干细胞

成体干细胞，也称为体细胞干细胞，是分布在全身的未分化细胞，能够分裂以补充死亡细胞并再生受损组织。与iPSCs相比，这些细胞的分化潜能有限，但对于在三维环境中模拟特定组织（如骨髓、皮肤和肌肉）以及器官系统至关重要。

 

癌细胞

癌细胞是由于积累了致癌突变而失控分裂的细胞。在三维模型中，癌细胞被用于研究肿瘤生长、转移以及对治疗（如化疗药物、免疫细胞疗法等）的反应。通过在三维环境中培养癌细胞，研究人员能够更好地在体外模拟肿瘤，获得比传统二维培养更具生理相关性的微环境。

 

 神经细胞

神经细胞，包括神经元和神经胶质细胞，对于构建神经系统的三维模型至关重要。这些模型用于研究大脑发育、神经退行性疾病以及药物对神经组织的影响。先进的三维模型，如无引导的大脑类器官和有引导的神经类器官及组装体，为我们深入了解大脑和神经系统内部复杂的相互作用提供了重要见解。

 

肝细胞

肝细胞是肝脏的主要功能细胞，负责广泛的代谢、解毒和合成活动。利用肝细胞的三维模型对于研究肝脏功能、疾病和药物代谢至关重要。这些模型有助于理解肝脏特异性的反应以及各种物质对肝脏健康的影响。

3D细胞培养速成课程点播网络研讨会

欢迎参加我们的3D细胞培养速成课程点播网络研讨会，深入了解这种创新技术。与二维方法相比，三维细胞培养更好地模拟体内环境，使研究细胞行为、疾病机制和药物反应的模型更加准确。课程结束后，参与者将能够将三维细胞培养技术整合到自己的研究中，从而开展更具相关性和创新性的研究。

2D vs 3D 细胞培养

几十年来，利用永生化细胞系培养的二维细胞培养模型一直是疾病建模和药物开发的基础。这些细胞培养通常易于生长和维护，但往往缺乏生物复杂性和生理相关性。

 

三维细胞培养模型被开发出来以模拟组织或器官的特性，与二维模型相比，更好地重现体内的细胞微环境。虽然三维模型的培养通常比二维模型更复杂，但它们通常表现出更接近体内观察到的基因和蛋白表达特征。三维模型，如类器官和球体，现已广泛应用于神经生物学、干细胞生物学、再生医学和癌症生物学研究。

 

为什么研究人员正在转向三维模型？

  • 空间复杂性：三维模型通过在三维空间自组装，更准确地复制了体内的细胞间相互作用，实现了空间复杂性。
  • 缺乏硬质基底：三维模型通常没有与硬质塑料基底直接接触，而硬质基底在二维培养中很常见。这些硬质基底具有体内不常见的刚度，会影响细胞信号传导，导致对刺激产生非生理相关的反应。
  • 梯度：二维模型由于单层培养，所有细胞同时暴露于相同浓度的营养物和化合物，这并不代表体内的动态过程。三维模型则受营养物和化合物从培养基扩散的影响，从而形成更能代表体内动态的营养和化合物梯度。
  • 代表性基因和蛋白质表达模式：这些模型所展示的基因和蛋白质表达模式，与传统细胞系相比，更接近在活生物体中发现的模式，从而提高了实验结果的可靠性。

Looking for more information to on how to choose between cancer models, read our Cancer organoids vs cancer spheroids blog. 

 

球状体

类器官

肿瘤类器官

细胞来源

永生化细胞系或原代细胞

干细胞（成体干细胞或多能干细胞）

患者来源的肿瘤细胞

示例细胞类型

癌细胞系、肝细胞、iPSCs

分化的 iPSCs 和 ASCs

患者来源的肿瘤细胞（如上皮性肿瘤、神经系统肿瘤）

培养基

基础培养基（RPMI、DMEM、DMEM/F-12）或专用培养基

专用培养基

OncoPro 培养基或自制培养体系

培养形式

3D（包埋或悬浮）

3D（包埋或悬浮）

3D（包埋或悬浮）

生物学相关性

低至中等：永生化细胞系较低，原代细胞中等

中等至较高：取决于模型复杂度

高：与患者基因型和表型高度相关，体外长期稳定 (reference)

易用性

简单

中等至困难

中等至困难

成本

低：流程简单，试剂和耗材标准化

中等至高：需要专用培养基和细胞；培养周期较长

 

 

中等至高：需要专用培养基和细胞；培养周期较长

 

 

For Research Use Only. Not for use in diagnostic procedures.