一、概述
1 當前細胞培養和觀察的常用方法
十九世紀起，當顯微鏡出現后，人們就開始嘗試對細胞結構進行觀察，并在二十世紀發展出細胞的培養技術。單層細胞的培養相對方便，而且商業化的顯微鏡非常適合于平面的、薄樣品的觀察，所以，在二十世紀的中后期，人們普遍采用 2D 的細胞培養方法，進行生物學的研究，以及進行藥物的篩選、開發和疾病治療的研究。

2 2D 和 3D 細胞培養及對細胞的影響
通常，2D 細胞培養不但被用來在體外研究不同類型的細胞，還被用來進行藥物的篩選和評價等各個方面。這種單層的培養體系使細胞生長于聚酯或玻璃的表面，同時存在的培養液能夠給細胞生長提供養分。無數的生物學家通過這種方式極大地推動了生物學和醫學進展。

然而，其簡單的操作方法也造成了這種模式無法準確的描述和模擬細胞在體內復雜的微環境和各種復雜生物學過程，如細胞信號傳遞，生化過程或幾何學改變。另外通過 2D 細胞培養方法獲得的數據應用于體內也會造成一些誤導和不可預測性。這些原因促使很多科學家將目標轉向了 3D 細胞培養技術，一種在體外能夠更加準確描述細胞真實微環境的方法。細胞在體外三維環境下生長產生特殊的生物物理和生物力學信號，這些都會影響到細胞的功能，如細胞遷移、細胞粘附、增殖和基因表達等 ( 如下圖 )。

我們知道，有多種不同的 3D 細胞培養方法，不同的方法有著各自的優點和缺點。與 2D 培養不同，3D 細胞培養具有微小結構的形成和復雜的環境特征，能夠促進細胞的分化和組織形成。實際上，相比較于生長于 2D 環境，在 3D 環境中細胞能夠承受更多的形態學和生理學變化。有研究發現，細胞基底的成分和結構不但能夠影響基因表達，還能增強細胞間聯系。如有些促進細胞增值的基因在 3D 培養環境下受到抑制，從而不會像 2D 培養下那樣無限生長。3D 細胞培養還會促進共培養環境下的兩種不同細胞群體的生長，從而能夠準確重現組織功能。另外，3D 培養技術能夠使細胞微環境參數 ( 溫度、化合物濃度、氧氣、pH 等 ) 易于控制和監測。

但是 3D 細胞培養技術也有明顯的缺陷，這些缺陷還需要技術進步來彌補。首先，一些基質膠會從動物或其他來源吸收一些有害或不需要的物質，如病毒，可溶性因子等，會干擾細胞培養。有些基質具有很好的細胞粘附性，使細胞去除過程更加困難。另外，3D 細胞培養技術是一種高性價比的技術，能夠在藥物評價階段省掉動物藥物測試過程，整個流程可實現自動化，可重復性好。

3 3D 細胞技術的延伸和前景
隨著 3D 細胞培養技術的發展和成熟，大量的新的相關技術出現，如微流控技術、微器官技術等。這些技術使得培養環境的控制和監測更加容易，同時能夠使藥物推進臨床的速度大大加快，評價結果的可靠性也會大大增加。

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