3D细胞培养是一种在人工创造的环境中生物细胞可以在所有三维空间中生长的技术。不同于2D环境（例如培养皿），3D细胞培养允许细胞在体外向各个方向生长，类似于它们在体内的生长方式。这些三维培养物通常生长在生物反应器、小胶囊中，细胞可以在小胶囊中生长成球体或三维细胞集落。每个生物反应器通常培养大约300个（细胞）球体。
80年代的早期研究，由劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的米娜·比斯尔（Mina Bissell ）领导，强调了3D技术对于创建精确的体外培养模型的重要性。这项工作的重点是细胞外基质的重要性和人工三维基质中培养物产生生理学相关多细胞结构的能力，例如健康和癌性乳腺组织模型中的腺泡结构。这些技术已经应用于体外疾病模型，用于评估细胞对药物化合物的反应。[1]
埃里克·西蒙（Eric Simon）在1988年美国国立卫生研究院SBIR经费报告中指出，静电纺丝可用于生产纳米级和亚微米级的聚苯乙烯和聚碳酸酯纤维垫(现在称为支架)，专门用于体外细胞基质。电纺纤维网格在细胞培养和组织工程中的早期应用表明，包括人包皮成纤维细胞(HFF)、转化人癌(HEp-2)和水貂肺上皮细胞(MLE)在内的各种细胞类型将粘附在纤维上并增殖。值得注意的是，与在2D培养中通常看到的扁平形态相反，在电纺纤维上生长的细胞表现出通常在体内观察到的更具组织类型的圆形三维形态。[2]
在活组织中，细胞存在于三维微环境中，具有复杂的细胞-细胞和细胞-基质相互作用以及营养物和细胞的复杂运输动力学。[3][4][5][6][7][8][9][10]标准2D或单层细胞培养物不能充分代表这种环境，这常常使它们成为体内药物功效和毒性的不可靠预测方式。[11][12]（细胞）球体在细胞通讯和细胞外基质发育方面更接近体内组织。[13] 这些基质帮助细胞能够像细胞在活组织中一样在（细胞）球体中移动。[5] 因此，（细胞）球体是细胞迁移、分化、存活和生长的改良模型。 此外，3D细胞培养提供了更精确的细胞极化描述，因为在2D培养中，细胞只能部分极化。[5] 此外，在3D环境下生长的细胞与在2D生长的细胞表现出不同的基因表达。[5]
细胞生长的第三维为力学输入和细胞粘附提供了更多的接触空间，这是整合素连接、细胞收缩甚至细胞内信号传递所必需的。[13][14] 正常溶质扩散和与效应蛋白(如生长因子和酶)的结合也依赖于3D细胞基质，因此对于建立组织尺度溶质浓度梯度至关重要。 [15][16]
为了药物毒理学筛选的目的，测试在3D培养生长的体外细胞的基因表达比2D培养的更有用，因为3D（细胞）球体的基因表达将更接近体内的基因表达。最后，3D细胞培养物比2D的细胞培养物具有更大的稳定性和更长的寿命。[17]这意味着它们更适合长期研究和证明药物的长期效果。3D环境也允许细胞不受干扰地生长。在2D，细胞必须定期进行胰蛋白酶消化，以便为正常细胞生长提供足够的营养。[18]3D（细胞）球体（最长）已经在实验室环境中培养了长达302天，同时仍然保持健康的非癌性生长。[17]
有大量商用的培养工具声称提供3D细胞培养的优点。一般来说，平台可以分为两种类型的3D培养方法:支架技术和无支架技术。
支架技术包括使用固体支架、水凝胶和其他材料。在最近的一项研究中，通过产生体外琼脂糖凝胶3D模型来探索人CD34+干细胞的潜能，以了解骨骨化过程。[19]
水凝胶
由于天然细胞外基质对细胞的存活、增殖、分化和迁移至关重要，模拟天然细胞外基质结构的不同水凝胶基质被认为是类体内细胞培养的潜在途径。[20][21]水凝胶由具有高保水性的互连孔组成，这使得例如营养物和气体的高效传输成为可能。几种不同类型的天然和合成材料水凝胶可用于3D细胞培养，包括例如动物细胞外基质提取物水凝胶、蛋白质水凝胶、肽水凝胶、聚合物水凝胶和木质纳米纤维素水凝胶。
无支架技术采用独立于使用支架的另一种方法。无支架方法包括例如使用低粘附力培养皿、悬滴板、微图案化表面和旋转生物反应器、磁悬浮和磁性3D生物打印。
（细胞）球体
（细胞）球体是一种三维细胞模型，与二维细胞模型相比，它能更好地模拟活细胞的环境条件，特别是细胞之间的反应以及细胞与基质之间的反应。[22]（细胞）球体可用于改变细胞生理特性的研究，[23]健康细胞和肿瘤细胞结构的差异，以及细胞在形成肿瘤时经历的变化。[24] 与肿瘤和健康细胞共培养的（细胞）球体被用来模拟癌细胞如何与正常细胞相互作用。[25] （细胞）球体可以用几种不同的方法生长。一种常见的方法是使用低细胞粘附培养皿，通常是96孔板，大规模生产球形（细胞）培养物，其中聚集体在细胞板的圆形底部形成。球状体也可以用悬滴法培养，包括在悬于细胞培养皿表面的液滴中形成细胞聚集体。[26] 正在研究的其他方法包括使用旋转壁容器生物反应器，当细胞不断自由下落时，旋转和培养细胞，并形成层状聚集体。 [27]
生物反应器
用于3D细胞培养的生物反应器是小型塑料圆柱形腔室，专门设计用于三维培养细胞。生物反应器使用生物活性合成材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，在保持高营养水平的环境中包围球体细胞。[28][29] 它们易于打开和关闭，因此可以取出细胞球状体进行测试，但腔室始终能够保持100%的湿度。[30] 这种湿度对于实现细胞的最大生长和功能非常重要。生物反应器室是一个更大的装置的一部分，该装置旋转以确保细胞在三维空间的各个方向上生长均匀。[30]
MC2·Biotek 开发了一种生物反应器来培养原始组织，该生物反应器使用气体交换来维持细胞室内的高氧含量。[30] 与以前的生物反应器相比，这是一个进步，因为较高的氧气水平有助于细胞生长和进行正常的细胞呼吸。[31]
人体内的各种细胞结构必须血管化，才能获得生存所需的营养和气体交换帮助。类似地，体外3D细胞培养需要一定水平的液体循环，这对于密集的3D培养来说是有问题的，因为在那里细胞可能并不都充分暴露于营养物质。这在肝细胞培养中尤其重要，因为肝脏是高度血管化的器官。一项研究将肝细胞和血管细胞一起培养在微流体通道之间的胶原凝胶支架上，并比较了细胞在静态和流动环境中的生长，体现出对具有组织和微血管网络的模型的需求。[31]
体外培养3D细胞球体的主要目的是在临床前试验中测试药物的药代动力学和药效学效果。[32]毒理学研究表明，为了测试药物化合物的毒性，3D细胞培养与体内研究几乎相当。当比较6种常用药物(对乙酰氨基酚、胺碘酮、双氯芬酸、二甲双胍、苯乙双胍和丙戊酸)的LD50（半数致死量）值时，3D（细胞）球体值与体内研究的值直接相关。[32]尽管2D细胞培养物以前曾被用于体内毒性测试，但3D（细胞）球体由于其更长的寿命，在测试慢性暴露毒性方面表现更好。[33] 3D（细胞）球体中的基质使细胞保持肌动蛋白丝，并且在人类细胞的细胞骨架组织和细胞极性以及形状方面更具生理学相关性。[34]三维排列允许培养物提供更精确地类似人体组织的模型，而无需使用动物试验对象。
现有的3D方法并非没有限制，包括可扩展性、再现性、灵敏度以及与高通量筛选仪器的兼容性。基于细胞的高通量筛选依赖于对药物相互作用的细胞响应的快速测定，例如剂量依赖性细胞活力、细胞-细胞/细胞-基质相互作用和/或细胞迁移，但是现有的测定方法并未针对3D细胞培养进行优化。3D细胞培养面临的另一个挑战是描述这些3D环境中药物相互作用、细胞分化和细胞信号的机制和相关性的数据和文献数量有限。还没有一种3D方法能够取代大规模的2D培养，包括在药物开发过程中；尽管3D细胞培养文献的数量正在迅速增加，但是目前3D组织有限的生物化学表征减少了新方法的采用。
使用（细胞）球体作为癌组织的模型也有一些问题。尽管对3D组织培养有益，但肿瘤球体被批评为 “控制[3D细胞球体] 构建体中可溶性分子的梯度，并在这些复杂梯度中表征细胞”，具有挑战性或不可能这不同于Ratmir等人[38]所探索的用于基于组织的生物测定的纸基3D细胞培养。[35]
^MERIT Award Recipient: Mina J. Bissell, Ph.D. (n.d.). Retrieved June 16, 2016, from http://www.cancer.gov/research/nci-role/spotlight/merit/Bissell.
^Simon, Eric M. (1988). "NIH PHASE I FINAL REPORT: FIBROUS SUBSTRATES FOR CELL CULTURE (R3RR03544A) (PDF Download Available)". ResearchGate (in 英语). Retrieved 2017-05-22..
^Marx, Vivien (11 April 2013). "A Better Brew" (PDF). Nature. Retrieved July 9, 2013..
^Souza, Glauco (14 March 2010). "Three-dimensional tissue culture based on magnetic cell levitation". Nature Nanotechnology. 5 (4): 291–296. doi:10.1038/nnano.2010.23. PMC 4487889. PMID 20228788..
^Pampaloni, Francesco (October 2007). "The third dimension bridges the gap between cell culture and live tissue". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 8 (10): 839–845. doi:10.1038/nrm2236. PMID 17684528..
^Boudreau, Nancy (5 May 2006). "A pericellular collagenase directs the 3-dimensional development of white adipose tissue". Cell. 125 (3): 577–91. doi:10.1016/j.cell.2006.02.050. PMID 16678100..
^Yamada, KM (24 August 2007). "Modeling tissue morphogenesis and cancer in 3D". Cell. 130 (4): 601–10. doi:10.1016/j.cell.2007.08.006. PMID 17719539..
^Friedrich, Seidel (12 February 2009). "Spheroid-based drug screen: considerations and practical approach". Nature Protocols. 4 (3): 309–324. doi:10.1038/nprot.2008.226. PMID 19214182..
^Prestwich, Glenn (15 August 2007). "Simplifying the extracellular matrix for 3-D cell culture and tissue engineering: a pragmatic approach". Journal of Cellular Biochemistry. 101 (6): 1370–83. doi:10.1002/jcb.21386. PMID 17492655..
^Lee, J; Cuddihy MJ; Kotov NA. (14 March 2008). "Three-dimensional cell culture matrices: state of the art". Tissue Engineering Part B: Reviews. 14 (1): 61–86. doi:10.1089/teb.2007.0150. PMID 18454635..
^Haycock JW. (2011). 3D cell culture: a review of current approaches and techniques. Methods Mol. Biol. Methods in Molecular Biology. 695. pp. 1–15. doi:10.1007/978-1-60761-984-0_1. ISBN 978-1-60761-983-3. PMID 21042962..
^Prestwich, G.D. (15 August 2007). "Simplifying the extracellular matrix for 3-D cell culture and tissue engineering: a pragmatic approach". Journal of Cellular Biochemistry. 101 (6): 1370–83. doi:10.1002/jcb.21386. PMID 17492655..
^Suuronen, E. J.; Sheardown, H.; Newman, K.D.; McLaughlin, C.R. & Griffith, M. (2005). Building in vitro Models of Organs. Building in Vitro Models of Organs. International Review of Cytology. 244. pp. 137–173. doi:10.1016/s0074-7696(05)44004-8. ISBN 9780123646484. PMID 16157180..
^Louekari, K (2004). "Status and prospects of in vitro tests and risk assessment". Altern. Lab. Anim. 32: 431–435..
^Knight, B.; et al. (2000). "Visualizing Muscle Cell Migration in situ". Curr. Biol. 10 (10): 576–585. doi:10.1016/s0960-9822(00)00486-3..
^Roskelley, CD; Desprez PY; Bissell MJ (1994). "Extracellular matrix-dependent tissue-specific gene expression in mammary epithelial cells requires both physical and biochemical signal transduction". Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 91 (26): 12378–12382. doi:10.1073/pnas.91.26.12378. PMC 45441. PMID 7528920..
^Krzysztof Wrzesinski; et al. (2013). "HepG2/C3A spheroids exhibit stable physiological functionality for at least 24 days after recovering from trypsinisation". Toxicol. Res. 2 (3): 163–172. doi:10.1039/C3TX20086H..
^"After trypsinisation, 3D spheroids of C3A hepatocytes need 18 days to re-establish similar levels of key physiological functions to those seen in the liver" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2015-04-02. Retrieved 2013-11-25..
^Srikanth, Lokanathan; Sunitha, Manne Mudhu; Kumar, Pasupuleti Santhosh; Chandrasekhar, Chodimella; Vengamma, Bhuma; Sarma, Potukuchi Venkata Gurunadha Krishna (2016). "Gel based in vitro 3D model exploring the osteocytic potentiality of human CD34+ stem cells". Molecular Biology Reports. 43 (11): 1233–1242. doi:10.1007/s11033-016-4053-4. ISSN 1573-4978. PMID 27497820..
^M.W. Tibbitt, K.S. Anseth Hydrogels as Extracellular Matrix Mimics for 3D Cell Culture Biotechnol Bioeng. 2009 Jul 1;103(4):655-63..
^H. Geckil et al. Engineering hydrogels as extracellular matrix mimics Nanomedicine (Lond). 2010 Apr; 5(3): 469–484..
^Fennema, Eelco, et al. “Spheroid Culture as a Tool for Creating 3D Complex Tissues.” Trends in Biotechnology, vol. 31, ser. 02, Feb. 2013. 02. doi: 10.1016/j.tibtech.2012.12.003 PMID 23336996.
^Jiang Y, Pjesivac-Grbovic J, Cantrell C, Freyer JP. A multiscale model for avascular tumor growth. Biophys J 2005;89(6):3884–3894. doi: 10.1529/biophysj.105.060640 pmid:16199495.
^Guttilla, I.K., Phoenix, K.N., Hong, X. et al. Breast Cancer Res Treat (2012) 132: 75. doi:10.1007/s10549-011-1534-y PMID 21553120.
^Kunz-Schughart, Leoni A, et al. “A Heterologous 3-D Coculture Model of Breast Tumor Cells and Fibroblasts to Study Tumor-Associated Fibroblast Differentiation.” Experimental cell research, 2001 doi:10.1006/excr.2001.5210 PMID 11339826.
^Fennema, Eelco, et al. “Spheroid Culture as a Tool for Creating 3D Complex Tissues.” Trends in Biotechnology, vol. 31, ser. 02, Feb. 2013. 02. doi: 10.1016/j.tibtech.2012.12.003PMID 23336996.
^Xu, Xian, et al. “Three-Dimensional in Vitro Tumor Models for Cancer Research and Drug Evaluation.” Biotechnology Advances, 10 Aug. 2014. doi: 10.1016/j.biotechadv.2014.07.009 PMID 25116894.
^Du, Yanan (January 2008). "Synthetic sandwich culture of 3D hepatocyte monolayer". Biomaterials. 29 (3): 290–301. doi:10.1016/j.biomaterials.2007.09.016. PMID 17964646..
^Derda, Ratmir; et al. (2009). "Paper-Supported 3D Cell Culture for Tissue-Based Bioassays". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (44): 18457–18462. doi:10.1073/pnas.0910666106. PMC 2773961. PMID 19846768..
^Fey, Stephen; Wrzesinski, Krzysztof (2013). "5" (PDF). In Boucher, Alexis. Valproic Acid. Nova Science Publishers, Inc. pp. 141–165. ISBN 978-1-62417-952-5. Archived from the original (PDF) on 2013-12-02. Retrieved 2013-11-25..
^Chung, Seok; Kamm, Roger D.; Sudo, Ryo; et al. (July 2009). "Transport-Mediated Angiogenesis in 3D Epithelial Coculture". The Journal of the Federation of American Societies for Experimental Biology (FASEB). 23 (7): 2155–2164. doi:10.1096/fj.08-122820. PMC 2718841. PMID 19246488..
^Griffith, Linda; Melody A. Swartz (March 2006). "Capturing complex 3D tissue physiology in vitro". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 7 (3): 211–224. doi:10.1038/nrm1858. PMID 16496023..
^Messner, S.; Agarkova, I.; Moritz, W.; Kelm, J. M. (August 2012). "Multi-cell type human liver microtissues for hepatotoxicity testing". Archives of Toxicology. 87 (1): 209–213. doi:10.1007/s00204-012-0968-2. PMC 3535351. PMID 23143619..
^Jensen, Janne; Hyllner, Johan; Björquist, Petter (2009). "Human Embryonic Stem Cell Technologies and Drug Discovery". Journal of Cellular Physiology. 219 (3): 513–19. doi:10.1002/jcp.21732. PMID 19277978..
^Ratmir, D; et al. (2009). "Paper-Supported 3D Cell Culture for Tissue-Based Bioassays". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (44): 18457–18462. doi:10.1073/pnas.0910666106. PMC 2773961. PMID 19846768..
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