3D细胞培养：在体外给细胞“家”的感觉

科研人员正在进行细胞培养操作。

一个国际科研团队最近在英国《自然》杂志上发表论文说，他们绘制出迄今最详尽、全面的人类心脏细胞图谱，涵盖心脏的8个部位、75种细胞状态。

人类一直不断地深入对细胞的了解，同时致力于在体外培养细胞。但人体内有几十万亿的细胞，为什么还要在体外培养呢？

专家解释说，当人体内器官或组织发生病变时，可在体外培养相关细胞，并输入人体内对病变部位进行“修补”；新药问世之前必须先在实验室里证明其可靠性，需要用培养的细胞对药物进行检测。

作为一项在生命科学领域中长期使用的技术，细胞培养能让研究人员在体外研究细胞的生理和病理。然而，随着对细胞微环境的逐渐了解，研究人员希望能在实验室里为细胞提供与体内环境更近似的培养环境，从而获得更真实、准确的实验结果。于是，3D细胞培养技术蓬勃发展起来。

三维空间能更好模拟细胞生长的微环境

细胞培养技术即模拟体内微环境，在无菌条件下，为细胞提供适当的温度、酸碱度以及细胞生长繁殖所需的营养，使其能在体外维持生长繁殖并保持其结构、功能的技术。细胞培养技术的应用十分广泛，可以应用在基础医学研究、抗体制备、新药筛选、基因工程等。

细胞增殖、分化和代谢等生理活动都会受到微环境的严重影响。清华大学医学院教授杜亚楠说，传统的细胞培养方式面临诸多困难，比如需要依赖人工一步一步将细胞“种植”在培养皿上，而一个传统的二维平面培养皿所能培养的细胞数量从百万到千万个不等，但这最多只能满足一位患者治疗所需。杜亚楠认为，传统的细胞培养方式培养效率有限，这将导致细胞治疗的效率难以提升，无法真正惠及大众。

传统细胞培养方式所用的材料和工具使得细胞在培养过程中的质量、功能难以保持稳定。杜亚楠说，细胞培养皿一般是由硬塑料制成，跟细胞原本的生长环境相差甚远。细胞和人一样，只有给它们提供接近原生的培养环境，它们才能够实现快速、高质量的繁殖。“大部分细胞的生长环境是很柔软的，将其直接放在硬质的培养皿里培养，存活数量、功能都有可能出现问题。”杜亚楠说。

浙江大学教授贺永也表示，传统的细胞培养并不能完全呈现机体组织内的微环境，所培养细胞的生理状态和活性与体内细胞并不完全一致，其结果往往与动物实验和临床实验结果有出入。

3D细胞培养是指细胞可以在人工创造的三维空间结构中迁移、生长，而三维空间能更好地模拟生物体内细胞存活的自然微环境，可以保持细胞间相互作用以及更逼真的生化、生理反应。

多种3D细胞培养技术不断涌现

目前，3D细胞培养技术主要分为无支架和基于支架的3D细胞培养技术两大类。

无支架的3D细胞培养技术是根据细胞易于聚集的自然特性，使细胞聚集成微球并保持三维构型进行培养，常见的有悬滴法、旋转培养法和磁力悬浮法等。

由于支架在3D细胞培养中具有结构刚性等优势，因此研究人员纷纷把目光转向了基于支架的3D细胞培养技术，比如杜亚楠团队研发的3D TableTrix微载片取代了传统的二维平面培养皿，成为细胞培养的新载体。该微载片可降解，不需要复杂繁琐的人工操作便可与细胞悬液一起直接投放到智能化生物反应器中。随后，微载片遇水便可分散成数万个球状颗粒，颗粒表面上密密麻麻分布着众多孔隙，每个孔隙都可进行细胞培养，细胞培养数量较传统方式呈指数级增长。而每个球状颗粒的直径均可在50到500微米之间进行自主调节，实现了针对不同尺寸细胞的定制化培养。

除微载片外，研究人员还引入了基于水凝胶的培养基质系统。水凝胶是一种有效的3D细胞培养基质，由天然或合成蛋白质分子网络等组成，由于存在大量的水，水凝胶的生物物理特性与天然组织的生物物理特性非常相似，能为细胞生长提供良好的环境。

贺永说，3D细胞培养还面临一些困难和挑战，比如标准化，标准化的设备和操作程序使不同研究人员生成的数据具有可比性。但目前，不同实验室建立的3D细胞培养系统的培养设备和样品缺乏统一的标准，实验数据难以对比。因此，建立模块化培养系统、简化培养操作、降低培养成本是实现3D细胞培养需要解决的问题。