人類一直不斷地深入對細胞的了解，同時致力于在體外培養(yǎng)細胞。但人體內(nèi)有幾十萬億的細胞，為什么還要在體外培養(yǎng)呢？
專家解釋說，當人體內(nèi)器官或組織發(fā)生病變時，可在體外培養(yǎng)相關細胞，并輸入人體內(nèi)對病變部位進行“修補”；新藥問世之前必須先在實驗室里證明其可靠性，需要用培養(yǎng)的細胞對藥物進行檢測。
作為一項在生命科學領域中長期使用的技術，細胞培養(yǎng)能讓研究人員在體外研究細胞的生理和病理。然而，隨著對細胞微環(huán)境的逐漸了解，研究人員希望能在實驗室里為細胞提供與體內(nèi)環(huán)境更近似的培養(yǎng)環(huán)境，從而獲得更真實、準確的實驗結果。于是，3D細胞培養(yǎng)技術蓬勃發(fā)展起來。
三維空間能更好模擬細胞生長的微環(huán)境
細胞培養(yǎng)技術即模擬體內(nèi)微環(huán)境，在無菌條件下，為細胞提供適當?shù)臏囟?、酸堿度以及細胞生長繁殖所需的營養(yǎng)，使其能在體外維持生長繁殖并保持其結構、功能的技術。細胞培養(yǎng)技術的應用十分廣泛，可以應用在基礎醫(yī)學研究、抗體制備、新藥篩選、基因工程等。
細胞增殖、分化和代謝等生理活動都會受到微環(huán)境的嚴重影響。清華大學醫(yī)學院教授杜亞楠說，傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)方式面臨諸多困難，比如需要依賴人工一步一步將細胞“種植”在培養(yǎng)皿上，而一個傳統(tǒng)的二維平面培養(yǎng)皿所能培養(yǎng)的細胞數(shù)量從百萬到千萬個不等，但這最多只能滿足一位患者治療所需。杜亞楠認為，傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)方式培養(yǎng)效率有限，這將導致細胞治療的效率難以提升，無法真正惠及大眾。
傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)方式所用的材料和工具使得細胞在培養(yǎng)過程中的質(zhì)量、功能難以保持穩(wěn)定。杜亞楠說，細胞培養(yǎng)皿一般是由硬塑料制成，跟細胞原本的生長環(huán)境相差甚遠。細胞和人一樣，只有給它們提供接近原生的培養(yǎng)環(huán)境，它們才能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高質(zhì)量的繁殖?！按蟛糠旨毎纳L環(huán)境是很柔軟的，將其直接放在硬質(zhì)的培養(yǎng)皿里培養(yǎng)，存活數(shù)量、功能都有可能出現(xiàn)問題?！倍艁嗛f。
浙江大學教授賀永也表示，傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)并不能完全呈現(xiàn)機體組織內(nèi)的微環(huán)境，所培養(yǎng)細胞的生理狀態(tài)和活性與體內(nèi)細胞并不完全一致，其結果往往與動物實驗和臨床實驗結果有出入。
3D細胞培養(yǎng)是指細胞可以在人工創(chuàng)造的三維空間結構中遷移、生長，而三維空間能更好地模擬生物體內(nèi)細胞存活的自然微環(huán)境，可以保持細胞間相互作用以及更逼真的生化、生理反應。
多種3D細胞培養(yǎng)技術不斷涌現(xiàn)
目前，3D細胞培養(yǎng)技術主要分為無支架和基于支架的3D細胞培養(yǎng)技術兩大類。
無支架的3D細胞培養(yǎng)技術是根據(jù)細胞易于聚集的自然特性，使細胞聚集成微球并保持三維構型進行培養(yǎng)，常見的有懸滴法、旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)法和磁力懸浮法等。
由于支架在3D細胞培養(yǎng)中具有結構剛性等優(yōu)勢，因此研究人員紛紛把目光轉(zhuǎn)向了基于支架的3D細胞培養(yǎng)技術，比如杜亞楠團隊研發(fā)的3D TableTrix微載片取代了傳統(tǒng)的二維平面培養(yǎng)皿，成為細胞培養(yǎng)的新載體。該微載片可降解，不需要復雜繁瑣的人工操作便可與細胞懸液一起直接投放到智能化生物反應器中。隨后，微載片遇水便可分散成數(shù)萬個球狀顆粒，顆粒表面上密密麻麻分布著眾多孔隙，每個孔隙都可進行細胞培養(yǎng)，細胞培養(yǎng)數(shù)量較傳統(tǒng)方式呈指數(shù)級增長。而每個球狀顆粒的直徑均可在50到500微米之間進行自主調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了針對不同尺寸細胞的定制化培養(yǎng)。
除微載片外，研究人員還引入了基于水凝膠的培養(yǎng)基質(zhì)系統(tǒng)。水凝膠是一種有效的3D細胞培養(yǎng)基質(zhì)，由天然或合成蛋白質(zhì)分子網(wǎng)絡等組成，由于存在大量的水，水凝膠的生物物理特性與天然組織的生物物理特性非常相似，能為細胞生長提供良好的環(huán)境。
賀永說，3D細胞培養(yǎng)還面臨一些困難和挑戰(zhàn)，比如標準化，標準化的設備和操作程序使不同研究人員生成的數(shù)據(jù)具有可比性。但目前，不同實驗室建立的3D細胞培養(yǎng)系統(tǒng)的培養(yǎng)設備和樣品缺乏統(tǒng)一的標準，實驗數(shù)據(jù)難以對比。因此，建立模塊化培養(yǎng)系統(tǒng)、簡化培養(yǎng)操作、降低培養(yǎng)成本是實現(xiàn)3D細胞培養(yǎng)需要解決的問題。
