3D細胞培養：在體外給細胞“家”的感覺

科研人員正在進行細胞培養操作。

一個國際科研團隊最近在英國《自然》雜誌上發表論文説，他們繪製出迄今最詳盡、全面的人類心臟細胞圖譜，涵蓋心臟的8個部位、75種細胞狀態。

人類一直不斷地深入對細胞的了解，同時致力於在體外培養細胞。但人體內有幾十萬億的細胞，為什麼還要在體外培養呢？

專家解釋説，當人體內器官或組織發生病變時，可在體外培養相關細胞，並輸入人體內對病變部位進行“修補”；新藥問世之前必須先在實驗室裏證明其可靠性，需要用培養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，隨著對細胞微環境的逐漸了解，研究人員希望能在實驗室裏為細胞提供與體內環境更近似的培養環境，從而獲得更真實、準確的實驗結果。於是，3D細胞培養技術蓬勃發展起來。

三維空間能更好模擬細胞生長的微環境

細胞培養技術即模擬體內微環境，在無菌條件下，為細胞提供適當的溫度、酸鹼度以及細胞生長繁殖所需的營養，使其能在體外維持生長繁殖並保持其結構、功能的技術。細胞培養技術的應用十分廣泛，可以應用在基礎醫學研究、抗體製備、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境的嚴重影響。清華大學醫學院教授杜亞楠説，傳統的細胞培養方式面臨諸多困難，比如需要依賴人工一步一步將細胞“種植”在培養皿上，而一個傳統的二維平面培養皿所能培養的細胞數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，傳統的細胞培養方式培養效率有限，這將導致細胞治療的效率難以提升，無法真正惠及大眾。

傳統細胞培養方式所用的材料和工具使得細胞在培養過程中的質量、功能難以保持穩定。杜亞楠説，細胞培養皿一般是由硬塑料製成，跟細胞原本的生長環境相差甚遠。細胞和人一樣，只有給它們提供接近原生的培養環境，它們才能夠實現快速、高質量的繁殖。“大部分細胞的生長環境是很柔軟的，將其直接放在硬質的培養皿裏培養，存活數量、功能都有可能出現問題。”杜亞楠説。

浙江大學教授賀永也表示，傳統的細胞培養並不能完全呈現機體組織內的微環境，所培養細胞的生理狀態和活性與體內細胞並不完全一致，其結果往往與動物實驗和臨床實驗結果有出入。

3D細胞培養是指細胞可以在人工創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細胞存活的自然微環境，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細胞培養技術不斷涌現

目前，3D細胞培養技術主要分為無支架和基於支架的3D細胞培養技術兩大類。

無支架的3D細胞培養技術是根據細胞易於聚集的自然特性，使細胞聚集成微球並保持三維構型進行培養，常見的有懸滴法、旋轉培養法和磁力懸浮法等。

由於支架在3D細胞培養中具有結構剛性等優勢，因此研究人員紛紛把目光轉向了基於支架的3D細胞培養技術，比如杜亞楠團隊研發的3D TableTrix微載片取代了傳統的二維平面培養皿，成為細胞培養的新載體。該微載片可降解，不需要複雜繁瑣的人工操作便可與細胞懸液一起直接投放到智慧化生物反應器中。隨後，微載片遇水便可分散成數萬個球狀顆粒，顆粒表面上密密麻麻分佈著眾多孔隙，每個孔隙都可進行細胞培養，細胞培養數量較傳統方式呈指數級增長。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節，實現了針對不同尺寸細胞的定制化培養。

除微載片外，研究人員還引入了基於水凝膠的培養基質系統。水凝膠是一種有效的3D細胞培養基質，由天然或合成蛋白質分子網絡等組成，由於存在大量的水，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境。

賀永説，3D細胞培養還面臨一些困難和挑戰，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據具有可比性。但目前，不同實驗室建立的3D細胞培養系統的培養設備和樣品缺乏統一的標準，實驗數據難以對比。因此，建立模塊化培養系統、簡化培養操作、降低培養成本是實現3D細胞培養需要解決的問題。