3D細胞培養

如今，大部分細胞在塑料培養皿的表面生長，也就是說，是二維的。但在體內，細胞則被其他細胞、組織和細胞外基質重重包圍。 

    于是，研究人員開始嘗試3D細胞培養，并觀察它與2D培養的差異，包括基因表達、信號轉導、細胞增殖、細胞形態、細胞間相互作用以及藥物反應的改變。

    幸運的是，從2D到3D細胞培養系統的轉換并非想象中那么困難，而且也是相當值得的。“你的收獲在于所研究的細胞更接近它們的真實環境，這對你的生物學研究有好處，”TAP Biosystems的RAFT開發主管Grant Cameron如是說。

    下面我們就來介紹一些從2D向3D轉換時的注意事項。

3D系統的類型

    3D細胞培養基質（或支架）為細胞培養環境增添了第三維。它們有幾種主要的類型，包括來自天然材料的水凝膠支架，如細胞外基質膠原蛋白。TAP Biosystems的RAFT（Real Architecture for 3D Tissue）技術正是基于膠原蛋白，它讓研究人員能夠開展細胞生物學、藥物開發和組織工程等研究。

    Life Technologies的Geltrex®和BD Biosciences的BD Matrigel™是從小鼠腫瘤中提取出的基底膜基質，Sigma-Aldrich的MaxGel™是人細胞外基質，而Life Technologies的AlgiMatrix來源于褐色海藻。Microtissues公司在其3D 培養皿上使用基于瓊脂糖的水凝膠。據介紹，在這種培養皿上，細胞會聚集并自我組裝成數百個大小均一的多細胞球體。

    中所使用的第二種類型的支架是合成的水凝膠，有時也包括仿生肽，它們可增強整合素的結合。BD Biosciences的BD™ PuraMatrix™肽段水凝膠和Sigma-Aldrich的HydroMatrix™就屬于這一類型，而Cellendes的3D Life Biomimetic 水凝膠也是由聚合物和交聯劑制成的。

    其他類型的人造支架是來自組織培養的塑料，甚至是可生物降解的塑料。還有一個系統，是利用磁懸浮讓細胞懸浮，其中細胞產生自己的細胞外環境，而無需塑料支架。

    n3D Biosciences公司的Bio-Assembler™系統就是這種，利用磁懸浮來3D培養細胞。該公司的科學家Glauco Souza介紹：“我們利用磁性納米顆粒來實現，而無需支架。你可以利用磁性筆來移動細胞，創建組織層，然后拿走磁鐵，細胞就自由了。”Souza領導的研究小組利用這種方法生成了一種四層的細胞結構，類似于肺組織。

    此外，還有一些系統可誘導球體形成，如B-Bridge的Lipidure-Coat板、3D Biomatrix的Perfecta3D®懸滴板，以及STEMCELL的AggreWell™，適合人誘導多能干細胞和胚胎干細胞。

何時轉換

    越來越多的證據表明，在3D培養系統中生長的細胞會表現出更生理的表型、相互作用及反應。因此，當結果的生理相關性很重要，或者你無法通過其他方式來準確重現細胞行為時，或許應該考慮向3D轉換。

    AMSBIO的業務部Peter Rettenberger認為：“細胞在平坦的塑料表面上生長，這與它們天然的生理環境相距甚遠，也需要一定程度的適應。與之相關的是對細胞的某種選擇壓力。”

    當然，對于了解報告基因表達的轉染實驗而言，3D培養可能并不重要。但如果你研究的是復雜的藥物相互作用，情況就大不相同了。在3D培養中，細胞對抗癌藥物的敏感性可能與活體腫瘤更為相似。3D微組織中的藥物運輸和擴散更像3D的器官和組織。

    現在你準備好了？以下這些秘訣可幫助你平穩過渡。首先，注意接種密度，需要比2D培養更高。Cameron解釋道：“許多細胞要彼此靠近，甚至要與其他細胞類型共同培養。每孔中的細胞數量應增加，10-20倍是個合理的考慮因素。”他還建議在開展實驗之前讓細胞有一些過渡時間。

    選擇的3D支架材料也是成功過渡的一個關鍵因素。Cardy建議考慮幾個關鍵問題：“我是否需要模擬細胞的天然細胞外基質？是否需要細胞形成有功能的多細胞結構？是否需要通過顯微鏡來分析我的3D培養，和/或回收細胞用于進一步分析？我是否想要控制凝膠的剛度和生物活性成分？”這些問題的答案可以幫助你縮小選擇范圍。

小心陷阱

    支架的選擇也為3D培養的過渡帶來陷阱，因為它讓一些分析方法復雜化。顯微鏡觀察就變得很有挑戰性。2D培養的單層細胞很容易成像，而3D培養物的多層細胞會散射光線。共聚焦顯微鏡則很好地解決了這個問題，但其他類型的分析也許還很難。Cardy認為，許多支架都不適合免疫組化技術或細胞復蘇。

    此外，細胞的行為也可能與2D有很大區別，例如，形成更的結構，如癌癥腫瘤樣。正如Cameron所言：“開辟了一系列新的細胞反應和可能，但這些也會讓研究人員大吃一驚。”

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